Propellant combustion apparatus

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明が属する技術分野】 本発明は、ロケットのモータに使用し、火砲の弾丸に使用するのに適しているガス発生推進装置に関する。 さらに詳細には、本発明は、高効率の分離装置を用いて、触媒作用を受けないか、または一部が触媒作用を受けた大容積の推進剤を高圧と高速で燃焼するために大きな表面積をつくる改良された装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】 ロケットモータ及び大口径の弾薬カートリッジの発射の成功は、性能の繰り返し可能な予測性を含む関連した推進剤の性能に少なからず依存する。 重要な側面は、装填密度と燃焼速度を含む。 しかしながら、これらの２つのものは、互いに反対に作用するように見える。 なぜならば、大きな密度での装填は、高い密度を達成し、高い性能の燃焼に必要な点火表面積を十分な速度で増大するのに困難性を生じるからである。 【０００３】 弾薬に関しては、種々の有孔粒子の形状を使用することによって燃焼速度を犠牲にすることなくカートリッジユニット当たりの利用可能な推進剤の量（推進剤の充填密度）を増大することに関して多くの努力がなされてきた。 また液体推進剤も使用されたが、予測不可能な燃焼特性を呈した。 【０００４】 図１は、戦車の主旋回砲または他の大口径の砲から発射され、従来の方法によって装填された推進剤を有する大口径の弾丸を示す。 弾丸は、図１で参照符号１
０で示され、カートリッジケーシングの壁と接続されたベースプレート部分１２
と、円筒形部分１４と、ネックダウンまたはテーパを備えた上方部分１６とを有する。 カートリッジ外殻自身は、金属または成形されたニトロセルロースのような外殻の発射中に消費される金属又は可燃材料でつくられる。 廃棄送弾筒部材２
０及び２２を備えた発射体自身が参照符号１８で示され、この送弾筒部材２０及び２２は、発射体が砲口から発射された後、はがれ落ちる。 参照符号２４で示されている複数の安定案内フィンが設けられている。 先端コーン部分２６は、電子部品を収容し、弾頭部分２８は、起爆回路を含む。 【０００５】 外殻の発射に関しては、参照符号３０で示された雷管ハウジングが、導火電極または雷管ボタン（図示せず）を収容している。 雷管ハウジングは、中空の真鍮または他の金属製雷管筒３２に接続され、この雷管筒３２は、推進剤充填容積部分３６に通じる参照符号３４で示した複数の開口を有する。 利用可能な推進剤の容積部分には、直径が約０．５ｃｍで長さが２ないし３ｃｍの均一な形状の粒子状の固体推進剤３８が緊密に詰められている。 【０００６】 外殻の発射は、直流の電流を使用して雷管ハウジング及び雷管筒３２を通して雷管に点火し、それによって、開口３４を介して主推進剤３８に点火することにより行われる。 性能の１つの側面を改良すること、すなわち、発射体の反復可能な最高速の砲口速度を達成するためには、できるだけ迅速で負荷に対して均一に推進剤が燃焼することが望ましい。 【０００７】 他の推進剤の構成は、押出成形された棒状の形状を含む。 推進剤の製造は、カーペットロール推進剤から始まり、これは、押出のために乾燥され、熟成され、
多数の孔から押し出され、切断される。 切断された推進剤は、ロット毎の性能の変化を最小限にするために混合され、推進剤が使用される前の燃焼中の過剰な圧力を防止するために側方のいくつかの場所に切欠きが形成されるか、切り溝が形成される。 棒状の推進剤を使用したカートリッジの充填処理は、多大の労力を要し、棒状の形状は、大きな充填密度を達成するときの困難性を呈する。 粒子状の推進剤において推進剤がランダムに配置される場合には棒状の推進剤のかみあい面の故に最適の性能が得られない。 【０００８】 さらに、棒状の推進剤の容認できるまたは良好な性能の反復性は、適当な燃焼をするために切欠きまたは切り溝の寸法、切り溝の間でのウエブが均一であることが必要になる。 現在の押出及び切り溝切断処理では均一性を達成することは不可能であり、ある程度の均一性を達成するために推進剤を充填する前に混合されなければならない。 【０００９】 円筒形部分に巻かれたリブが形成されたシート推進剤を使用する他の方法は、
小口径の弾薬で試験された。 この方法は、点火を補助するために孔に換えて長手方向のリブを使用した。 この方法は、発射体の形状に対する適合性、低い直進性、低い火炎伝搬性及び低い点火特性において難点があった。 【００１０】 本出願と同じ出願人Kassuelkeらに付与された米国特許第5,712,445号に固体推進剤の他の弾薬構成が示され、説明されている。 これらの弾薬は、緊密に詰められた多孔スラブまたはディスク形状の構成の形態である。 【００１１】 比較的に密度の大きい爆薬から大きな燃焼速度を得る間における圧力制御を改良する推進装置のニーズがある。 本発明は、高速で制御された燃焼速度を可能にするダイナミックな装置における充填密度を増大するための異なる方法を示している。 本発明の装置の実施形態は、ロケットモータ及び発射体の双方の発射に使用される。 【００１２】 望ましい火器の性能によれば、発射管の圧力をほぼ一定に維持することが望ましい。 これは、大きな燃焼効率を得る場合には特に重要である。 他の製造、特に、カートリッジの製造の目標は、成形粒子に関連した生産コスト、成形された粒子をケーシングに入れることに関する労力コストを低減することである。 低い製造コスト及び充填コストとともに、増大した繰り返し可能な燃焼を可能とする推進剤装置が非常に望ましい。 【００１３】 【発明が解決しようとする課題】 したがって、本発明の目的は、推進剤の塊から高圧高速で推進剤に大きな表面積をつくり、制御された燃焼を達成する装置を提供することである。 【００１４】 本発明の他の目的は、低い製造コストで改良された推進剤装置を提供することである。 さらに本発明の他の目的は、触媒作用を受けているか、または一部触媒作用をを受けた推進剤の塊を多数の穴またはオリフィスを備えた細分化プレートを通過させ、多数の長い大きな表面積の糸状推進剤（同時に燃焼する）をつくり、非常に早い燃焼速度の推進剤装置を提供することである。 【００１５】 本発明の他の目的は、多孔プレートを推進剤が通るように押す圧力を種々の設計の条件に合わせるようにプログラムすることができる装置をつくることである。 【００１６】 本発明のさらに他の目的は、室側と推進剤側との正面圧力面積を適当に調整することによって触媒作用を受けないか、または一部触媒作用を受けた推進剤自身を圧力源として使用することができる装置を提供することである。 【００１７】 本発明の他の目的は、ポンプ作用による加熱と延伸された糸状推進剤と穴の縁との間の摩擦との組み合わせによって推進剤の自動点火を提供する装置を提供することである。 【００１８】 本発明の他の目的は、圧力及び燃焼速度の変化が設計値に自己修正される安定モードで作動することができる装置を提供することである。 本発明の他の目的は、圧力が自由に増大する固有の不安定モードにあるが、キャビティの拡大速度が圧力変化を一定に維持する燃焼速度の固有の不安定性に適するまで圧力の上昇を制限する不活性材料の初期の成形容積によって制御される火器用の装置を提供することである。 【００１９】 他の目的及び利点は、明細書、図面及び特許請求の範囲を参照することによって当業者に明らかになる。 【００２０】 【課題を解決するための手段】 本発明によれば、燃焼中に圧力作動細分化装置によって大きな燃焼表面がつくられる推進剤の概念が提供される。 細分化装置は、回転カッタ装置または多孔のオリフィスプレートによって達成される。 推進剤粒子と細分化装置との間の相対運動は、燃焼中に高速高圧で推進剤を細分化装置のオリフィスの孔を通し、或いはカッタの羽根に押し込み、ペーストのちょう度を有する触媒作用を受けていないか、または、または一部が触媒作用を受けた推進剤の塊である粒子から大きな表面積の推進剤を生じる。 【００２１】 多孔オリフィスプレートを使用する本発明の細分化装置の概念は、２つの基本的な構成によって例示されるが、それには制限されない。 それらは、本来的に安定の、即ち、自己制御性の及び本来的に不安定性の装置構成を含む。 オリフィスプレート自身は、形状の安定性を最大にし、必要な厚さ及び圧力損失を最小にするために球形が好ましい。 この装置は、推進剤の圧力と比較的低い熱伝導性を有し、したがって、熱を蓄積し易い材料から作られたオリフィスプレートの開口縁と推進剤との間の摩擦とによって発生する熱による自動点火を提供する。 【００２２】 １つの本来的に安定した構成の一実施例において、固定の多孔オリフィス部材は、ロケットモータケースのノズルまたは出口または外殻カートリッジの発射体収容端部に向けて配置される。 同様の、もしくは同一形状の中空のピストン部材が、対向端部に配置され、少量の弾薬及び点火装置を包囲し或いはそれに隣接している。 オリフィスとピストンとは、主推進剤によって分離される。 主推進剤の燃焼はオリフィスの反対側で、ロケットモータノズルの場合は寸法が固定されるが、火砲の場合は発射体の動きとともに常に延長される室と称される領域で生じる。 【００２３】 動作において、この装置は、特に室の容積が固定されるロケットモータの場合、設計された圧力に自己制御される。 ピストンの背後の爆薬は、その表面形状によって決定される燃焼速度を有する。 装置の動きは安定性を有する。 なぜならば、 （１）室の圧力が低下すると、室と押出弾薬との間のΔpは、増大し、推進剤の流量を増大させ、従って室の圧力を増大させるからである。 【００２４】 （２）室の圧力が設計水準以上に増大すると、室と押出弾薬との間のΔpは減少し、室の推進剤の流量を減少させ、従って室の圧力を減少させる。 本質的に、装置は、設計水準の圧力に向かって自己調整される。 この型式の装置は、一定の推力が望まれるロケットに理想的に適している。 【００２５】 第２の構成において、オリフィスプレートは、推進剤またはロケットモータノズルから離れる方向に、推進剤粒子を貫通して移動する。 この装置は、オリフィスプレートの発射体またはノズルの側で小さい点火爆薬を使用して点火される。
この実施形態において、多孔のオリフィスプレートは、細分化オリフィスが後方に移動するとき、つぶれるように構成された細い中央ロッドまたはステムによって支持される。 【００２６】 この場合においてオリフィスプレートを通して推進剤を圧送するために必要なΔｐは、オリフィスステム断面積と室断面積との比によって支配される。 オリフィスプレートの両側の力は、等しくならなければならない。 即ち、ＰｃＡｃ＝Ｐ
ｐ（Ａｃ−Ａｓ）となる。 【００２７】 ここで「ｐ」は、推進剤の条件を示し、「ｓ」は、ステムの条件を示す。 上述の場合、ポンプ作用が純粋に形状寸法の関数であることが認められる。 押出爆薬は必要ではない。 点火爆薬は、起動するために圧力と火焔を提供する単独機能としての点火を行う。 ある意味では、第２のオリフィス装置は、第１のオリフィス装置より簡単であり、さらに効率的である。 しかしながら、第２の装置は、本来的に不安定である。 以下に説明するように、この条件は、火器発射体のように不安定性が要求に合致する用途に適している。 【００２８】 在来の粉末火薬動作の火器において、粉末はほぼ全てが同時に燃焼する。 圧力は、急激に上昇するが、弾丸の速度が上り、距離が伸びるとともに、圧力が急激に低下する。 最近の火砲推進技術は、仕事の積分量が最大限化され、ピーク圧力が低減されるようにピーク圧力の時間を延長することに関する。 また、これは、
本発明の実施形態が、特に、細分化可能な材料の不活性起動くさび部分がオリフィスプレートの外周で使用される場合には有効である。 圧力は、大体一定の水準に調整され、ピークが大きく広げられる。 不活性起動くさび部分の機能は、推進速度を発射体の距離と速度との双方が増大するとき、推進剤の送り込み速度を漸増することにある。 それによって、圧力曲線の形状は、不活性起動くさび部分の形状によって調整され、送り速度が常時増大する傾向から利益を得ることができる。 【００２９】 本発明の推進装置の他の実施形態は、多縁部または多ブレードの、高速回転細分化スクリーンを含み、この回転細分化スクリーンは、円筒形または環状管の固体推進剤を羽根を通して固定ノズル式燃焼室に引き込み、この燃焼室は、環状起動粒子と、一組の半径方向に取り付けられた回転羽根と、を収容している。 効率を上げるために穴密封シールが前後に設けられる。 この実施形態は、無反動型火器に使用するのによく適している。 【００３０】 【発明の実施の形態】 以下、本発明の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。 本発明のガス発生推進装置をロケットモータ及び大口径の火器を例にして説明する。 これらの実施形態は、制限を意図するものではない。 したがって、迅速な燃焼のロケットエンジンに動力を与えるために、また砲身から発射体を高速で押し出すために、ノズルを通る高温、高圧ガスを発生するためにこの装置を使用することに加えて、本発明のガス発生装置は、特定の物質の或る量を発生するために爆薬の化学的な組成に依存して容積の迅速な膨張または加熱のような目的のためにガスを発生することができる。 【００３１】 図２は、参照符号１１０で砲身またはロケットモータを示す部分断面図であり、これは、高密度に孔が形成された固定オリフィス部材１１２を使用した本発明の用途を示しており、オリフィス部材１１２は、固定容積及び砲身またはロケットケース１１８内の放出ノズル１１６を有する燃焼室１１４の上流に取り付けられている。 またこの装置は、固体の主推進爆薬即ち粒子１２２の反対側に支持され、押出用爆薬１２４及び点火装置１２６を収容する移動自由な中空のピストン部材１２０を含む。 仮想線１２８で砲身での他の使用例における発射体の一部が示されている。 オリフィス部材１１２の内面及びピストン部材１２０の外面の形状寸法は、装置の動作中ピストンによってオリフィスを通して駆動される推進剤を最大限にするためにほぼ同じかまたは完全に一致することが好ましい。 主推進剤の爆薬は、柔軟なペーストのちょう度を有し、触媒作用を受けないか、または一部触媒作用を受けた推進剤の塊である。 【００３２】 多孔オリフィス部材は、図４Ａ及び図４Ｂに例示され、中心軸１３２の周りに半径方向に配分され、等間隔に配置される比較的小さい多数の孔または通路１３
０を含む。 孔の正確な寸法及び数は、オリフィスの直径及び用途によって変化する。 通常、孔は直径が約０．０２ないし０．０８Ｄであり、中心が約０．０３ないし０．１０の間隔を置いている。 オリフィスはスチール製で、５０−５３の硬度（ロックウエルＣ）になるように熱処理される。 ピストンはナイロンまたは等価のプラスチックであり、図示したように装置の動作中にオリフィスに対して当接するように形状が一致している。 【００３３】 図３Ａは、大口径の大砲、例えば戦車用１２０ｍｍ砲の弾薬１４０を示している。 弾薬１４０は通常ニトロセルロースの可燃性のカートリッジケース１４２を有し、このカートリッジケース１４２は、ベース１４４と、参照符号１４６で示すネックダウン遷移部分とを有する。 可動なオリフィスプレート１４８が、例えば、銅製の周囲のシュー１５１または密封シール装置と、収納容積部分１５２の中につぶされるように構成されたコラプスステム１５０とによって所定の位置に保持される。 図３Ｂに示されるように、ステム１５０は、例えば、複数の部品から構成され、軽くろうづけされ、迅速にはがれるように構成された軟鋼製の４本のくさび部分１５４から構成されている。 ステム１５０は、テープの層１５６によって包まれる。 ６本のアルミニウム製部品から成るステムを使用することができる。 【００３４】 オリフィスプレート１４８は前方へ凹形状の向きの姿勢で示されているが、後方へ凹形状の向きの姿勢も可能である。 オリフィスの姿勢は、得られる密封シールの品質によって最終的に決められる。 【００３５】 主推進剤１５８は、オリフィスとベースとの間に配置され、小さい粒子状の従来の爆薬１６２（通常、約１ないし４ポンド）を最初に点火するために比較的薄い点火層１６０がオリフィスの発射体側に隣接して配置されている。 爆薬１６２
は案内フィン１６６及び１６８で示す廃棄送弾筒と、貫通ロッド１７０とを有する発射体１６４の後方部分の周りに配置されている。 【００３６】 さらにこの装置は、細分化可能な不活性充填材の環状起動くさび部分１７２を周囲に含み、このくさび部分は、この装置を特定の火器の動作に合わせるために機能するような寸法とすることができる。 くさび部分は、最初のガス発生速度を遅くすることによって室に生じる圧力を制御する助けとなる。 【００３７】 前述の２つの基本的なオリフィスの実施形態は、成功を収めたが、根本的な特性が異なる。 図２の装置の動作は、本来的に安定して自己制御性を有するが、図３Ａのそれは図２のものよりいくぶん効率がよいが、安定性が低い。 前者は、その設計圧力発生水準を求めて、固定室容積とほぼ設計圧力発生水準で安定する。
これは、ロケット推進または無反動火器の作動に特に適している。 後者は、常時増大する燃焼速度を達成し、常時増大する容積にピーク圧力を維持する傾向があり、火器発射体を発射するのに適している。 【００３８】 図２の安定装置の動作は、ピストン１２０の後ろの爆薬を点火することによって開始され、これは、主推進剤１２２に対してピストンを駆動し、本発明の態様でオリフィスプレート１１２の通路１３０を通して推進剤を押す。 すなわち、ポンプのピストンと、細長い糸状の推進剤と通路１３０の縁の間の摩擦は、推進剤を点火するのに十分な熱を発生し、この熱は前述したように安定モードで消費され、圧力の変化及び燃焼速度が、設計された値に自己修正される安定モードで消費される。 【００３９】 火器の圧力において、ピストンを押すために使用されるガスの密度は、推進剤の密度より小さい有効な単位重量の推進剤ごとに、押し出し用爆薬の有効な仕事に必ずしも利用可能ではないからである。 これらの高圧ガスが砲身またはロケットエンジン領域に入ることができるようにオリフィスプレートを通過するようにピストンを押すことができるが、ピストンの仕事損失があり、又ピストンによって価値のあるスペースがとられる。 さらに、適当な燃焼表面積を得るような押出爆薬の成形がスペースを消費する。 これらの全ては、安定した装置の欠点となる。 第２の実施形態の装置において、容積の損失は不活性環状くさび部分の損失のみである。 さらに、第２の実施形態の装置の使用は、既存の可燃性ケースの設計を用いて細分化装置の導入が容易になる。 【００４０】 図６は、図３Ａの推進剤装置を使用する火器の現今の段階的先細の砲身の理論的な圧力対移動距離をグラフで示したものである。 臨界点１８０は、砲尾から先の砲身壁圧の最初の低減を示す。 砲身壁厚の低減は最大許容圧力の低減を意味する。 砲身の構造と材料の改良は、この制限を取り除くが、グラフは、本発明の１
つの推進剤装置を使用することによって可能となる最大圧力を示している。 これは、ミサイルの移動距離とともに鋭いピーク圧力と圧力の急減な下降を含む代表的な従来技術の曲線１８６に対して、参照符号１８４でピーク圧力を維持する能力を有するライン１８２に沿って示されている。 【００４１】 図７は、圧力対時間の曲線で安定及び不安定な推進装置の動作を示すグラフである。 図２の安定な装置の動作は、参照符号１９０で表され、圧力が比較的に狭い範囲内に制御される。 【００４２】 曲線１９２，１９４は、それぞれ起動くさび部分を備えているものと備えていないものとの図３Ａの装置の動きを示している。 これは容積膨張装置のくさび部分の効果を明らかにしている。 このグラフは、燃焼の最初の部分を示す。 【００４３】 図３Ａの本来的に不安定な装置の動作の詳細は、図８Ａないし図８Ｃの理論的なまたはシミュレートされた圧力変化曲線に示されている。 図８Ａは、上方の曲線でシミュレートされた発射室の圧力を示している。 デルタ（Δ）Ｐ曲線２０１
は本発明の細分化装置を動作するために生じた室圧力を越える圧力を示す。 この例においては、値は、約１０ksi以下である。 参照符号２００に示すピーク圧力は、約１１４.６ksiであり、約９．３７ksiのΔｐが、０．３５ミリ秒で生じる。 グラフは、０．８５ミリ秒で生じる砲口出口２０２で終わる。 出口の圧力は、
６９．６＋ｋｓｉであり、出口速度は７６１＋fpsである。 【００４４】 図８Ｂの曲線は、最初の圧力の変化に対する不安定な装置の感度を示す。 曲線２０４、２０６及び２０８の各々は、それぞれ８２．３ksi,８０．０ksi,７０．
０ksiの最初の圧力に対応する圧力を示す。 対応する最初の圧力が約８０ksiであるときに、装置の圧力に顕著な増大が生じる。 曲線２１０により全範囲の変化が示され、曲線２１２により対応するΔＰの範囲の変化が示されている。 【００４５】 図８Ｃに示したグラフは、４つの異なる粘度に対する室圧力とΔＰとを示すことにより、推進剤粘度の変化に対する不安定装置の反応を示している。 曲線２１
４，２１６、２１８及び２２０が示すように、装置は、小さい粘度の変化に対して大きな感度を有し、約３．２kPから粘度が上下に大きく変化すると、性能が著しく低下する。 【００４６】 さらに図２の本来安定な装置の基本的な特性は、図９Ａないし図９Ｃのシミュレートされたモデル圧力で見られる圧力曲線に示される。 図９Ａの出口（０．９
８ミリ秒）において、圧力曲線２２２とΔｐ曲線２２４の双方がほぼ減衰し、安定化される。 【００４７】 図９Ｂにおいて、不安定な装置と異なり、安定な装置は、最初のドライバまたはピストンの圧力にはあまり感度がよくない。 平均８０psiとしての曲線２２６
に対しては、曲線２２８及び２３０は、それぞれ＋１０％（８８ksi)と−１０％
（７２ksi)を示している。 【００４８】 最後に、安定な装置の動作特性に関して、図９Ｃは、推進剤の粘度の大きな変化に対しても比較的に感度が低いことを示す。 これは、図８Ｃの不安定な装置の対応する反応と比較したとき室圧力が比較的狭い範囲にあることから明らかである。 【００４９】 図５は、本発明の他の実施形態の推進剤装置３００を示すが、これは、燃焼室３０４を含む砲身３０２と、回転羽根３０８が内部に形成されたノズル装置３０
６とを有する無反動砲である。 触媒作用を受けないか、または一部触媒作用を受けた軟質の固体推進剤を含む推進剤の粒子が、発射体またはペイロード３１２の後方に、又燃焼中高速で回転するように構成された細分化スクリーン３１４の前方に３１０で示されている。 さらに装置は、環状の穴密封装置３１６を含み、これは、細分化スクリーンの周りで細分化スクリーンと燃焼室との間を密封する。
環状推進剤起動粒子が参照符号３１８で示され、細分化装置の回転方向が矢印３
２０によって示される。 【００５０】 この実施形態において、起動粒子３１８の点火は、回転羽根３０８と協働して細分化スクリーン３１４の回転を開始し、これは、推進剤３１０に噛込み比較的細かいスクリーンを通して推進剤の粒子全体を引っ張ることによって推進剤に大きな表面積をつくる。 【図面の簡単な説明】 【図１】 従来技術の細長い粒状の推進剤が装填されている、通常の大口径の弾薬の部分断面図である。 【図２】 本発明の１つの用途を示すロケットモータのノズル領域の部分断面図である。 【図３】 図３Ａは、本発明の他の実施形態によって構成された大口径の弾薬の部分断面図である。 図３Ｂは、図３Ａのオリフィスプレートステムの断面図である。 【図４】 図４は図３Ａの弾薬を用いる火器の移動距離対圧力のグラフである。 図４Ａは、本発明によるオリフィスプレートの１つの実施形態を示す平面図である。 図４Ｂは、図４Ａのオリフィスプレートの側面図である。 【図５】 回転細分化装置スクリーンを使用する他の実施形態の部分断面図である。 【図６】 図３Ａと同様の実施形態におけるベース圧力対移動距離の関係を示すグラフである。 【図７】 安定装置及び不安定装置を使用する火砲の構成の圧力変化を示すグラフである。 【図８】 図８Ａないし図８Ｃは、図３Ａの不安定な装置の動作の特徴を表す圧力変化を示すグラフである。 【図９】 図９Ａないし図９Ｃは、図２の安定装置の動作を示す圧力変化を示すグラフである。