過酸化水素推進技術の蘇生

張宝炯

上海航天技術研究院第八0一研究所

テーマ語:液体ロケット推進技術過酸化水素

要約:本文はまず過酸化水素の特性を討論し，次に過酸化水素推進技術の歴史を総説し，その独特な性能のために環境保護の要求が日増しに高まる中で過酸化水素推進技術が復活したことを指摘し，最後に最近の研究と応用方向を論述した。

1.はじめに

液体ロケットエンジンの点火過程はロケット設計の最も重要な問題の1つである。 液体酸素や灯油のような推進剤は、燃焼を開始するために外部の点火源を必要とします。これには、小さな固体装薬、点火トーチ、またはトリエチルアルミニウム、トリエチルホウ素のような化学点火システムのような個別の点火システムが必要になることがよくあります。 しかし、固体装薬は1回しか使用できないので、単一の装薬でエンジンの再点火を行うことは不可能であり、フレアと化学点火システムはエンジンの重量と複雑さを増大させ、化学自然発火流体の処理には大きな危険性があります。

推進薬の自然発火特性は、外部点火源を必要とせず、酸化剤の存在下である。 燃料が自発的に発火する能力。 二組要素推進薬エンジンでは、自己着火の特性が非常に有利であり、エンジン設計を大幅に簡略化することができ、それによって信頼性を向上させることができ、多重始動を容易に実現することができる。 また、自然発火推進薬の大部分は常温で液体で存在するので、低温推進薬の蒸発の問題がなく、長期間保存することができる。

そのため、地球に貯蔵可能な自然発火推進剤は広く使用されており、例えばアメリカのヘラクレス運搬ロケット、中国の長征運搬ロケット、ヨーロッパのアリアンIV運搬ロケット及びロシアの質量子運搬ロケットなどであり、しかもスペースシャトルと大多数の衛星は自然発火推進剤を軌道機動と位置保持に用いている。  一般的な自然発火推進剤はヒドラジン、メタヒドラジンまたはモノメチルヒドラジンを燃料とし、Nを使用する₂O₄あるいは硝酸を酸化剤とする。

これらの推進薬は優れた性能を持っていますが_SP約300S）と長期使用の経験がありますが、皮膚接触と吸入による毒性が高いという深刻な欠点があります。これらの化合物の製造、輸送、処理は複雑で高価なプロセスです。そのため、従来の自然発火燃料とほぼ同じ性能を持ち、毒性のない自然発火推進剤の開発が最も望まれています。

このような背景のもと，最近では過酸化水素推進剤が再び重要視されている。本文はまず過酸化水素推進剤の特性を討論し、次に過酸化水素推進技術の歴史を総括し、そして最近の研究と応用動向を論述し、最後に更に研究の道と内容を提出する。

（二）過酸化水素の特性

過酸化水素は高密度の酸化剤であり，発熱して水蒸気と酸素に分解する独特の特性を持っている。表1に過酸化水素の物理的性質のいくつかを示し，比較を容易にするために四酸化二窒素と液体酸素の対応する性質も示した。表2は過酸化水素/灯油を含むいくつかの地球貯蔵可能な推進薬と低温推進薬の性能を比較したものである。

表1各濃度の過酸化水素の物性

表2いくつかの二組要素推進薬の性能の比較

*理論性能0.95、ノズル面積比50に基づきます。

過酸化水素は、特定の特性を有していることから、60年代以前に広く使用されていた一液推進剤や液体酸化剤として使用されていました。 次のようなパフォーマンスがあります:

— 高い密度は硝酸と四酸化二窒素に相当する密度を有し，液体酸素よりも高く，燃料との混合比が高いため，表2に示すように高い密度比衝撃を有する。

— 貯蔵可能推進薬はLOXと比較して過酸化水素は室温で液体であり、表1に示すように液体温度範囲が広い。

— 無毒ここで「毒性」の定義は発癌性であり、ヒトに対して少量で中毒するか、あるいはヒトに対する致命的な効果を暴露しやすいものを指す。 過酸化水素は、他の推進剤に比べて人への影響が非常に小さく、合理的な作業条件下では人体に入りにくいため、無毒であると考えられています。

— 大気と反応しないヒドラジンは二酸化炭素と化学反応して他の化合物を形成し、推力室材料を腐食させる作用があるが、過酸化水素はない。

— 低い蒸気圧は表1に示すようにNと₂O₄LOXと比較すると，蒸気圧は1〜2桁低く，吸入中毒の危険性が大幅に減少し，ポンプを低い入口圧力で動作させ，酸化剤タンクの品質を低下させることができる。

— 推進力と推進力を統合した考慮事項（例:H）₂O₂主エンジン、レール制御と姿勢制御の酸化剤として、また単組メタ推進剤のRCS、ガス発生器、推力ベクトル制御の噴射液体などとして使用することができる。

これらの特徴は今日でもHを₂O₂推進技術がまた注目される大きな要因。

3 過酸化水素推進技術の歴史

（1） ドイツは第二次世界大戦で最初にHを適用した₂O₂すいしんざいにする

Hellmuth Walterは1993年にHを使用することを提案しました₂O₂潜水艦の推進剤を作ることができます。 1933年−1936年ドイツ

安全使用濃度80−82%のHを開発₂O₂と。このような状況の中で、ウォルターは1935年に過酸化水素燃焼装置の開発を開始しました。彼の最初の製品は、1938年に初めて飛行したHeinkel He 176のATOで、この装置は液体噴射過マンガン酸塩触媒の80%Hを使用した₂O₂と。開発中のATOなどのロケットエンジンの性能を向上させるために、Walterは、Mel63B Kometロケット航空機を推進するWalter105-509エンジンに使用されるヒドラジン水和物とメタノールと銅化合物塩からなる液体自着火燃料（C-stoff）を開発しました。

この技術のもう一つの重要な応用は、18−X型300トン級潜水艦で、噴射液体過マンガン酸塩触媒を使用した

Hを分解する₂O₂灯油で燃やし400hpのタービンを働かす。

ドイツ。 ₂O₂最も重要な歴史的アプリケーションの1つは、第二次世界大戦後にソ連や米国のロケット推進システムで一般的に使用されたV-2駆動ホイールポンプのガス発生器です。

（2） 第2次世界大戦後、旧ソ連はドイツのV-2ロケットの影響を受け、初期のロケットはすべてHを採用した₂O₂分解生成物

タービン作動流体を駆動するのは、P-1、P-2、P-5MロケットのRD-100、AD-101、RD-103、コンソーシアムロケットのRD-107、RD-108エンジンなどです。 ソビエト連邦宇宙船の帰還モジュールの姿勢制御エンジンも単組メタ推進剤Hを採用している₂O₂仕事をする人。

（3）英国はドイツの影響を著しく受けており，50年代から70年代初頭にかけて過酸化水素推進技術の開発に重点を置いている。 英国はドイツから直接、濃度80%のHを使用し始めた₂O_2，イギリスでは85%の濃度のHが開発されました₂O₂と。 最初にドイツのエンジンを初期設計点としてU.K.Sprite（1組のメタ推進剤RATO）を開発し、次にSuper Spriteの灯油を燃料とする2組のメタ推進剤RATOを開発した。 これらのエンジンの性能パラメータを表3に示します。

表3 U.K.Super Spriteのパフォーマンスパラメータ

英国は1952年にSpectre Hの開発を開始した₂O₂/灯油航空機ロケットエンジンはSR53航空機用であり、1957年にはガンマ201エンジンとなり、ブラックライダーロケット用に開発されたガンマ2予備エンジンの開発も行われている。ガンマ201エンジンの開発には、2089回の熱試験と354回の完成機試験が行われた。「ブラックナイト」は応用H₂O₂最も成功した計画。これは1段ロケットで，離陸質量は13700lbである。主エンジンは4台のGamma201エンジンで、離陸総推力は約16000lbで、ポンプ圧再生冷却ガス発生器サイクルエンジンです。ガンマ201の改良型はガンマ301であり、推力は16000lbから21600lbに向上し、タービンポンプのセットを使用して4つの燃焼室に推進薬を供給し、ノズルを改善して寿命と性能を向上させます。「ブラックナイト」は1958年から1965年まで計22回発射された。その後、英国はさらに大きな「ブラックアロー」ロケットを開発した。その1段エンジンはGamma8（BS606）で、ほぼ2台のGamma301からなり、2段エンジンはGamma2、BS625である。これら2つのエンジンの性能を表4に示します。ロケットは1971.10.28に英国の衛星を打ち上げただけで使用を停止した。

表4

（4）米国では50年代末に高性能Hの開発が始まった₂O₂2組のメタ推進剤液体ロケットエンジンですが、英国とは異なり、米国では軍用機の性能を向上させるための航空機ロケットブースターシステムが必要です。そこで、米空軍の支持の下でRocketdyne社がARシリーズ航空機ロケットエンジンを開発し、その中で最も有名なのはAR2-3エンジンであり、注目すべきはこのエンジンが本当に再使用できるように設計されており、操作が容易で、長寿命で、何度も使用するという忘れられない記録があることである。

ほぼ同時に、米海軍の支援を受けてリアクションエンジン会社(RMI)が開発したLR40類似のエンジンは、航空機にも使用されている。しかし、より高度なクローズドサイクルを採用しており、米国で開発された初の段階燃焼サイクルエンジンと言える。AR2−3は最終的に試験機に使用し，LR−40は最終的に生産した。航空機のタービンエンジンの改良と空一空ミサイルの能力の向上に伴い、このようなエンジンの適用は廃止された。米国ではこの種のエンジンの発展は中止され，最近になって新たな用途が登場した。

しかし、ヒドラジンエンジンが登場する前は、米国の初期宇宙機と高高度X機の反力制御システムのスラスタの多くにHが採用されていた₂O₂X-1、ケンタウルス座RCSと推進剤沈底、X-15、水星、偵察兵ローリング制御、宇宙飛行士機動装置、一人ロケット跳躍器などの単組メタ推進剤。

このほか、米国の初期のロケット、例えばレッドストーン、ジュピター、バイキングなどはすべてHを使用している₂O₂分解生成物はタービンを駆動する作動流体として作用する。

（5）我が国で50年代~60年代初頭に開発されたDF-1とDF-2ミサイルエンジンに80%濃度Hが採用されている₂O₂過マンガン酸カリウムにより触媒分解された高温ガスは、タービン駆動用の作動流体として使用される。 70年代初頭にHで₂O₂分解生成物を模擬作動流体として切断プラグ式ノズルの性能を研究し，60年代にもHを用いたことがある₂O₂一人ロケット跳躍器を研究する。

4海外H₂O₂テクノロジーの現在の発展と応用を推進する

1970年−80年代には過酸化水素推進技術はほとんど停滞していたが，近年では過酸化水素推進技術は

環境保護の要求は日増しに厳しくなり、同時に過酸化水素のある特性は重くて人に重視され、特に過酸化水素は通過することができる

過不均一触媒と均一触媒技術はある無毒燃料と自然発火する特性を達成し、無毒、貯蔵可能な推進剤として過酸化水素推進技術の回復を推進した。 最近の各国のこの分野での研究活動を紹介する。

1）不均一触媒技術の研究と応用

（1）上段飛行実験(USFE)計画

NASAが投資した上段飛行実験計画は、Kaise Marquardt社が10,000 lb推力の85%過酸化水素/JP-8（灯油）エンジンを開発したもので、エンジン性能指標は表5を参照し、200Sの持続動作が可能で、2倍の寿命余裕があり、コスト削減のために成熟した技術を採用しています。（英語） 例えば、触媒床は銀網を採用し、床に0.4lbm/in/sを担持する。 再生冷却を排除するために、燃焼室/ノズルはアブレーション材料を使用する。 計画費用と進捗のリスクを低減するために、まず縮尺部材（50lb単組メタ推進剤推力室と1000lb二組メタ推進剤エンジン）試験を行い、その目的は次の通りである:

I. 安全で信頼性の高いエンジン始動およびシャットダウンプロセスの検証

II. 触媒床性能および圧力損失特性の決定

III. エンジン性能およびチャンバ壁熱負荷に対するインジェクタ幾何学の影響を評価するためのインジェクタスクリーニング試験の実施

IV. 燃焼室のアブレーション特性、すなわち炭化深さ、炭化速度とスロート部のアブレーション速度を得た。

V. アブレーション燃焼室のアブレーションを低減するための燃料液膜冷却要求を設定する。

縮尺試験に基づいてフルサイズ推力室の設計と試験を行い、C*効率97%、真空比衝撃275~298sの範囲、アブレーション推力室の性能が良好で、スロートアブレーションが小さいことを実証しました。

表5 USFEエンジン性能

||（2）上段ふってーX宇宙機の再利用|

新たにNASA/ボーイングが共同投資する計画だ。 Future-XはHを再利用可能にする₂O₂・灯油上段ベースの計画で、単群メタ推進薬Hを採用している₂O₂のRCSとH₂O₂/灯油二組元推進剤主エンジン。 NASA/ボーイングは60年代後半にRcoketdyne社が開発したAR2-3エンジンの使用を決定した。 このエンジン性能を表6に示す。

Rcoketdyneは、いくつかのAR2-3エンジンとエンジンアセンブリを倉庫から入手し、改修と再組み立てを行っています。 過酸化水素モジュールの洗浄技術条件を現在の運転に合わせて書き直した。 エンジンアセンブリの摩耗や損傷、燃焼室用水の液流試験などを分解して検査することができるようにする。 最近はガス発生器の熱試験も24回行われ、試験時間は3192秒で、90%濃度H 230ガロンが使われた₂O₂実験はすべて成功した。 2000年5月までに16回のエンジン熱試験を行い，総試験時間は385.5Sであり，最後の試験では50%運転条件と6.8混合比で60Sまで運転し，X−37の使用条件を検証した。 試験では、AR2-3エンジンは、操作可能で再利用可能な低価格で低リスクな方法であることが示されています。

表6AR2-3エンジンの主な性能

（3）商業用ロケットBA-2

米国の民間企業であるBeal AerospaceがHの開発を決定 ₂O₂そして灯油のAtlas級ロケット、このロケットは3段で、すべて押出供給システムを採用して、複合材料構造とアブレーション燃焼室を使用しています。

1段，2段，3段の推力はそれぞれ3200klb，800klb，30klbである。 第3級のフルサイズ開発試験が行われた。 このアプリケーションは，これまでで最大のHである。 ₂O₂システム、Bealは2002年に最初の打ち上げを準備しており、商業的な負荷をターゲットにしています。

（4）ロシアは1993年にコンソーシアムロケット用RD-161P過酸化水素・灯油エンジンの開発を開始した。 液体酸素/灯油RD-161からエンジンを改良する。 真空推力は2.5〜1.5トンであり、段階燃焼サイクルを採用しており、2.5トンの推力で真空比衝撃が319Sに達する二重運転条件エンジンである。

（5）以上の計画のほとんどは銀網触媒を採用しているが，Hに対しては₂O₂濃度が90%以上の場合、銀網の焼結問題があり、そのために米国では98%Hが展開されている₂O₂新しい触媒の研究は、最近5000Sを超える熱試験に成功し、触媒寿命を証明した。 この技術はエンジン性能を向上させるために重要である。

2）均質触媒技術の研究

（1）米海軍空中戦センター(NAWC)における自然発火燃料配合の研究開発

上記のいくつかの計画のルートとは異なり、米海軍空中戦センターは過酸化水素と自然発火する燃料の種類を研究している。このような燃料と過酸化水素で構成された推進剤は無毒、無汚染の性質があり、しかも伝統的な有毒自然発火推進剤に近い理想的な性能がある。この研究の重点は、従来の無毒燃料（灯油、アルコールなど）にエネルギーとHを添加することである₂O₂自然発火の添加剤。  NAWCはHと₂O₂自着火するNHMF（無毒自着火混合燃料）と名付けられた燃料。

NAWCのBlock 0系で選択した混合燃料はメタノールとマンガン系触媒を組み合わせたものである。このうち触媒が20〜50%を占める。パデュー大学が開発した新しい測定点火装置は、推進剤の配合変化による点火遅延期間の差を区別することができる。この装置で測定したBlock O系燃料の98%過酸化水素濃度での平均着火遅れ時間は15.54msであった。試験では、燃料に可溶性張力環化合物(SSR)を添加することで、比衝撃13-15sを大幅に向上させることができ、同時に点火遅れ期間を短縮することが可能であることが示されており、彼らはSSRについてさらに研究を行い、点火遅れ期間と比衝撃の間の最良のトレードオフを得ることができる。NAWCは高性能ブタノールBlock 1の混合燃料も検討している。

続いてHを行う₂O₂Block O燃料とのロケットエンジン試験には、ARCのNTO/MMH22Nロケットエンジンを利用。残念なことに、どの実験を行っても火がつかなかった。これは、燃焼室の容積が小さく、噴射速度が高すぎるためです。作動させるためには、燃焼室容積を増加させるか、（および）噴射速度を低下させる必要があります。最近、この推進剤の試験エンジンが開発され、エンジンの基本パラメータ推力265N、室圧1.03MPa、L*=0.6m、ニードル式噴射器を使用しています。酸化剤進角により始動時に高い混合比を確保し、圧力ピークを低減する。熱試験では20msで90%推力に達することが示されていますが、熱試験時間はわずか1.5Sであり、燃焼効率は89%であり、これは混合比が高く、L*が低い可能性があるためであり、これらの問題はさらに検討する必要があります。

（2）Kasiser Marquardt社も二成分推進剤ACS/RCSの均質触媒技術を研究している。 触媒の選択は、貯蔵可能であり、ヒドラジンより毒性が小さく、液体炭化水素と燃焼可溶であるという考慮に基づいている。 各種化合物を85%と95%の過酸化水素で開栓試験し、点火過程を高速カラーカメラで記録した。 予備結果は11msの点火遅れを示している。 エンジンの点火特性、エンジン性能、燃焼安定性計画を評価するために、エンジンの熱試験を行います。 予備貯蔵性評価を行い、5ヶ月間貯蔵した後に同様の触媒を試験したところ、同様の着火遅れ特性が観測され、開発した燃料は5ヶ月間劣化していないことが示された。

最近、アメリカのサンディア（Sandia）国家試験室も過酸化水素と自然発火する無毒燃料を研究しており、大量の研究の中でエタノールアミンと1%塩化銅と90%過酸化水素が迅速に自然発火することを発見したが、その比衝撃は比較的に低く、しかもエタノールアミンの氷点は比較的に高く（10.3℃）、粘性は比較的に大きい。 そこで彼らはフルフリルアルコールを用いて氷点と粘性を下げ，70%濃度の過酸化水素と自然発火するフルフリルアルコール（47.5%），エタノールアミン（47.5%）と塩化銅（5%）の混合燃料を得，小型エンジンで90%と99%の過酸化水素と熱試験に成功した。

さらに、各種燃料の小型エンジン熱試験、自己着火のための最小過酸化水素濃度および最小触媒濃度の決定、混合剤による点火遅角期間への影響の調査などが行われます。

（3）ロシアでは90年代に上記のような研究が行われており，モスクワ航空学院2学部では過酸化水素（93−94%濃度）と添加剤添加灯油の自然発火性能の研究が行われており，点火遅延期間は17−24msの範囲で測定されている。 サンクトペテルブルク応用化学研究センターは、過酸化水素と自然発火する低毒性混合燃料TΓ−07Aを研究しており、90%濃度過酸化水素との自然発火点火遅延期間は15ms未満である。

3）過酸化水素推進技術の他の応用

（1）マイクロ推進への応用

Lawrence Livermore国立研究所は、高性能のホットガス過給システムを備えたユニークなマイクロ推進システムに従事しています。 マイクロ推進システム用H ₂O₂5年間研究してきた。 この宇宙機の試験台は、61bfの単群推進薬のスラスタ16基とH用のスラスタ1基を採用している₂O₂ホットガス昇圧の小型ガス発生器。 スラスタとガス発生器の両方に85%濃度Hを使用₂O₂と。 この方式では、液体タンクを主な構造とし、ガスボンベを必要としない。

2化学レーザー真空吸引装置

H ₂O₂化学レーザー真空吸引システムの作動流体としての研究は日増しに重視されている。 米空軍はAir born Laser(ABL)、米陸軍はTHEL（Tactical High Energy Laser）の2つの化学レーザー兵器システムを開発しており、この2つのシステムは米国が近い将来、Hを最初に配備することになる₂O₂推進剤型の兵器システムTRWはこれらのレーザーシステムのHを建設している₂O₂分系統。

5国内における過酸化水素推進技術の進展

 863-2宇宙戦技術専門家チームの支援を受けて、 「9・5」期間中に過酸化水素基の無毒、貯蔵可能な推進剤姿勢、軌道制御推進システムの主要な基幹技術の研究を展開した、 得られた成果は次の通りである:(I)過酸化水素/灯油基混合燃料の自然発火点火の肝心な技術を突破して、2000-C灯油基混合燃料の調合を選別して、96%濃度過酸化水素実験室で測定した平均点火遅延期間は30msである。 （Ⅱ）同種の推進剤の調合の変化による点火遅延期間の変化を区別することができる新型の点火遅延期間測定装置を開発し、推進剤の調合を更に研究するための有用な道具となる。 （Ⅲ）三〇N及び二〇〇Nの推力室を開発したこと。 (iv)二種類の推力二〇〇N及び三〇Nの推力室の熱試験を行い、爆音及び起動圧力ピークのない安定した起動を行うこと。 V）50msパルス運転と100s定常状態試験を実現し、200Nで93-94%の定常燃焼効率を達成した（表7、8参照）。 以上の結果から、従来の自然発火性貯蔵推進薬に代替することが可能であることが示唆された。 しかし、技術上にはまだいくつかの問題が存在している:(I)噴射器に堆積物があり、時には噴射器の穴を塞ぎ、再点火性能に影響を与える。 （2）三〇N推力室の冷間始動が信頼性のないものであること。 （Ⅲ）燃料調合の中で灯油は50%しか占めておらず、エネルギー特性に影響を与える。 （IV）推力室の冷却が信頼性がなく、試験片が焼損することが多く、100sの定常熱試験指標は混合比15.45で完成しており、設計混合比とは大きく異なっている。 これらの問題は「10・5」で解決しなければならない。

最近、90%濃度過酸化水素/エタノール推進剤姿勢、軌道制御推進システムの自然発火の基幹技術研究も展開した、 2種類のエタノール配合について測定した点火遅れ期間は20msと15msであり、200N推力室での熱試験の結果、過酸化水素/灯油系混合燃料よりも自己着火性能が優れており、40msの短パルス運転を実現し、定常燃焼効率は0.98と高いことが示されています。

表730Nエンジンの熱試験結果

表8 200 Nエンジンの熱試験結果

表9 90%H2O2/エタノールの熱試験結果

*DCスプレー

**は遠心スリット式インジェクタ

過酸化水素基の無毒自然発火推進剤システムの研究はすでに画期的な進展を得たが、工学応用の角度から、まだ多くの研究仕事をしなければならなくて、例えば推進剤の比衝撃を高めて点火遅延期間を短縮する燃料調合の研究。 推進剤の安全性、長期貯蔵性、材料適合性の研究。 推力室の燃焼性能と冷却技術の研究。 パルス点火、高空点火性能研究及びその他の部品の開発とシステム集成と試験実演検証など。

推力の大きいレール制御エンジンについても不均一触媒技術と燃焼技術の研究を展開すべきである。 多層銀メッシュや粒子状触媒を用いて多くの研究が行われているが，触媒寿命や分解効率が高くないという問題がある。 銀網による分解技術と灯油噴射による燃焼研究では過酸化水素濃度と混合比が燃焼・発火の可否に重要な影響を与えることが明らかになり，さらに深く研究しなければならない。