ロケット推進薬における過酸化水素の使用

王万軍

中国科学院上海有機化学研究所

現在宇宙用エンジンシステムで使用されているN₂O₄/ヒドラジン類（メタメチルヒドラジン、モノメチルヒドラジン、ヒドラジンなど）燃料は良好な比衝撃性能と自然発火特性を持っているが、それらの毒性は比較的に高く、人体の健康と環境に深刻な危害をもたらし、同時に、それらの生産、貯蔵輸送、使用及び処理などは1つの複雑なプロセス過程であり、使用コストも比較的に高い。 社会の絶え間ない進歩と宇宙技術の発展及び環境保護と人体健康の要求の日増しに高まるにつれて、宇宙動力システムに無毒、無汚染推進剤を採用することはすでに今後の発展の必然的な趨勢である。 長期運転の有人宇宙ステーション推進システムでは、このニーズはより切迫しており、推進剤の貯蔵と自然発火が要求されています。 中国の次世代運搬ロケットの基本目標の一つは無毒、無汚染推進剤の採用である。

液体エンジンの推進薬に現在世界各国で使用されている燃料と酸化剤を考慮すると、貯蔵可能なものはNのように有毒である₂O₄/ヒドラジン類（メタメチルヒドラジン、モノメチルヒドラジン、ヒドラジンなど）推進剤。毒性のないものは貯蔵できないもの（液体水素液体酸素推進剤など）または自然発火しないもの（液体酸素/灯油推進剤など）。 だから過酸化水素灯油やアルコール類推進剤を使用する利点はそれら自体が無毒で、燃焼産物がきれいで、環境污染問題と人員の健康問題を解决するのに有利である。 それらの自然発火点火の基幹技術を解決すれば、推進剤の酸化剤と燃料に要求される無毒、貯蔵可能、自然発火可能な特性を有機的に結合することができ、それによって推進剤の機能を維持し、大きな普及応用価値を得ることができる。

第二次世界大戦中，ドイツはV-2ロケットにガス発生器で過酸化水素を分解したものをタービン駆動用の作動物質として採用していた。  戦後，旧ソ連のP−1，P−2，P−5Mロケット，米国のレッドストーン，チュチェット，ウィギンロケットなども過酸化水素分解生成物を用いてタービンを駆動した。

1950年代後半、英国では過酸化水素/灯油を推進剤とするガンマ8とガンマ2ロケットエンジンが開発され、ブラックアローロケットに使用された。 米国でも、軍用機の性能向上のために過酸化水素/灯油を推進剤とするARシリーズロケットエンジンが開発されています。 特に60年代末にNASAが実施した高超音速エンジンの研究計画では，過酸化水素と液体アンモニアを燃料とし，その間X-15機の飛行速度はマッハ6に達し，史上最速の飛行機となった。.7

近年，環境保護の要求が日増しに厳しくなるなどの要因により，過酸化水素推進技術はさらに重視されており，X-37は米国NASAとボーイング社が共同投資して開発し，軌道飛行及び有人飛行を行う再利用可能なデモンストレーション機である。 X-37に軌道飛行動力を供給するため、NASAとボーイングはロックダイン社が60年代に開発した90%過酸化水素/灯油を推進剤とするAR 2-3エンジンの再使用を決定した。 このエンジンの真空推力は6600 ibf、真空比衝撃は246Sです。 ロックダイン社は在庫のAR 2-3エンジンアセンブリを分解検査、再組み立てと試験を行い、エンジンの熱試験を行った。 2000年5月2日までに16回のエンジン試運転に成功した。 最後の実験では、X−37の動作状態で、推力50%、混合比6.8で60Sのフルコース動作を行いました。 この一連の試験では、AR2-3エンジンは累計385.5S動作しました。

アメリカのマークオルト社はHで作られた機械を開発しています₂O₂/JP-8は推進剤の上段エンジンで、NASAの「上段飛行実験」計画に使用されています。 このエンジンの真空推力は10000 1bfであり、真空比衝撃は275Sである。 1998年後半から2000年初頭にかけて2輪試験が行われた。 1回目の試験では，濃度85%の過酸化水素を用いた結果，アブレーション燃焼室の運転時間は300Sに達し，燃焼効率は0.97を超えていた。 2回目の試験では、濃度90%の過酸化水素を使用して、より高い動作温度でのインジェクタ/燃焼器の状態を検証しました。 2000年の初めまでに、125回の試験を行い、累積作業時間は約30分であった。 アブレーション燃焼室の1回の長距離運転時間は140Sに達しています。

米海軍空戦センターは過酸化水素と自然発火する燃料を開発している。 彼らはBlock 0シリーズ試験の燃料混合物として触媒を混合したメタノールを選択した。 噴射器試験の結果、点火遅延は約17msであることが示された。 現在、海軍空中戦センターではブタノールをベースにしたより性能の高いB lock 1燃料が行われている。

Purdue大学は、NTO/MMHよりも性能の優れた無毒な二成分推進剤を探すために多くの研究を行い、燃料と酸化剤の着火遅れをよく測定できるH ypertesterと呼ばれる実験装置を開発し、その結果、1-ブタノールと過酸化水素を組み合わせた場合、それらの比衝撃と密度比衝撃がアルコール燃料の中で最も高いことを明らかにした。 SSRと呼ばれる化合物をメタノールやマンガン系触媒と混合することにより、比衝撃を改善し、着火遅れ期間を低減することができる。

ロシアは90年代に同様の研究を展開した。  モスクワ航空アカデミーは93〜94%の過酸化水素と添加剤を添加した灯油の点火試験を行い、開杯法で測定した点火遅延期間は17〜24msであった。 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できる低毒性のTT-07A混合燃料を開発し、濃度90%以上の過酸化水素中で点火遅延期間を約15msとした。

中国で50年代末~60年代初めに開発されたDF-1とDF-2ミサイルエンジンは，78%濃度の過酸化水素をガス発生器で分解したものをタービン駆動の作動物質として採用している。 70年代初めに過酸化水素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た。

過酸化水素/灯油（またはアルコール）推進剤は主に宇宙姿勢制御エンジンと有人宇宙船に普及応用される、 有毒推進剤を使用しなければならなかった従来の束縛から脱却し、有人宇宙飛行の安全性を確保し、軍事衛星、運搬ロケット、弾道ミサイルにも応用でき、将来的には民生用自動車エンジンにも普及応用できるようになり、この製品はすでに「中国ハイテク製品目録」に登録されている。