過塩素酸アンモニウム複合推進剤

過塩素酸アンモニウム（AP）複合推進剤は、燃料と酸化剤が均質な混合物として組み合わされた複合推進剤であり、この場合、燃料の一部としてゴム状のバインダーが含まれています。この推進剤は、多くの場合、過塩素酸アンモニウム、ヒドロキシル末端ポリブタジエン（HTPB）やポリブタジエンアクリル酸アクリロニトリルプレポリマー（PBAN）などのエラストマーバインダー、粉末金属（通常はアルミニウム）、および各種燃焼速度触媒で構成されています。さらに、硬化添加剤は、使用前に推進剤を固化するためにエラストマーバインダーの架橋を誘発します。過塩素酸塩は酸化剤として機能し、バインダーとアルミニウムは燃料として機能します。燃焼速度触媒は、混合物の燃焼速度を決定します。結果として得られる硬化推進剤はかなり弾力性（ゴム状）があり、輸送、設置、切断などの累積的な損傷や、ロケットなどの高加速用途における破損を抑制するのに役立ちます。これにはスペースシャトルミッションも含まれ、そのミッションでは2基の固体燃料ロケットブースター（SRB）にAPCPが使用された。

APCPの組成は、用途、意図する燃焼特性、ノズルの熱制限や比推力（I _sp）などの制約によって大きく異なります。大まかな質量比（高性能構成の場合）は、AP/HTPB/Alが約70/15/15となる傾向がありますが、かなり高性能な「低煙」APCPでは、組成が約80/18/2となる場合があります。金属燃料はAPCPに必須ではありませんが、ほとんどの配合では、燃焼安定剤、推進剤不透明化剤（過剰な赤外線推進剤予熱を制限するため）、および燃焼ガスの温度上昇（I _spの増加）のために、少なくとも数パーセントの金属燃料が含まれています。

酸化剤

• 過塩素酸アンモニウムを主酸化剤として用いる
• テルミット酸化剤としての金属酸化物触媒

触媒

• カルボラン^{[ 1 ]}
• 銅クロム酸塩^{[ 2 ] [ 3 ]}
• 酸化鉄^{[ 2 ] [ 4 ]}
• フェロセンおよび誘導体（カトセン、ブタセンなど）^{[ 1 ]}

高エネルギー燃料

• アルミニウム（高性能、最も一般的）
• マグネシウム（中程度の性能）
• 亜鉛（低性能）

結合剤として作用する低エネルギー燃料

• ヒドロキシル末端ポリブタジエン（HTPB）
• カルボキシル末端ポリブタジエン（CTPB）
• ポリブタジエン アクリロニトリル(PBAN)

金属燃料と酸化剤の比率を化学量論点まで増加させると燃焼温度は上昇しますが、気体溶液から析出する金属酸化物、特に酸化アルミニウム（Al₂O₃ _）のモル分率が増加すると_、固体または液体の球状粒子が生成され、流れの平均分子量が増加するにつれて流速が低下します。さらに、ガスの化学組成が変化し、ガスの有効熱容量も変化します。これらの現象により、燃焼反応が燃焼室内で完全に進行すると仮定すると、Ispを最大化するための最適な非化学量論的組成が存在し、その質量比は約16%となります。

高温燃焼ガス中のアルミニウム粒子の燃焼時間は、アルミニウム粒子のサイズと形状によって異なります。アルミニウム含有量の多い小型APCPモーターでは、燃焼ガスの滞留時間が短いため、アルミニウムが完全に燃焼せず、かなりの部分が燃焼室外で燃焼し、性能が低下します。この影響は、アルミニウム粒子のサイズを小さくしたり、乱流を発生させたり（特性経路長と滞留時間を延長したり）、アルミニウム含有量を減らして正味の酸化電位を高め、アルミニウムの燃焼をより完全にすることで軽減されることがよくあります。モーター内部でのアルミニウムの燃焼は律速段階であり、液体アルミニウムの液滴（3,000 K（2,730 °C、4,940 °F）の温度でも液体のまま）が反応を不均一な球状界面に限定するため、表面積対体積比が燃焼滞留時間と必要な燃焼室のサイズ/長さを決定する重要な要素となります。   

推進剤粒子の粒径分布は、APCPロケットモーターの性能に大きな影響を与えます。APとAlの粒子が小さいほど燃焼効率は高くなりますが、同時に線形燃焼速度も増加します。燃焼速度はAP粒子の平均サイズに大きく依存します。APは燃料成分を酸化する前に熱を吸収してガスに分解するためです。このプロセスは、APCPの全体的な燃焼速度における律速段階となる可能性があります。この現象は、熱流束対質量比を考慮することで説明できます。粒子の半径が増加すると、体積（したがって質量と熱容量）は半径の3乗に比例して増加します。しかし、表面積は半径の2乗に比例して増加し、これは粒子への熱流束にほぼ比例します。したがって、粒子のサイズが最小のときに、粒子の温度上昇速度が最大になります。

 一般的なAPCPの配合では、30～ 400μmのAP粒子（多くは球形）と2～50μmのAl粒子（多くは球形）が用いられる 。APとAlのサイズに差があるため、AlはAP粒子の擬似格子構造において格子間位置を占めることが多い。

APCPは燃焼室内の露出した推進剤表面から爆燃する。このように、ロケットモーター内部の推進剤の形状は、モーター全体の性能に重要な役割を果たす。推進剤表面が燃焼するにつれて形状が変化し（内部弾道学の研究対象）、多くの場合、燃焼ガスにさらされる推進剤表面積が変化する。発生する燃焼ガスの質量流量（kg/s）[したがって圧力]は、瞬間的な表面積の関数である。${\displaystyle A_{\text{s}}}$（m ²）、推進剤密度${\displaystyle \rho }$（kg/m³ ^）、および線形燃焼速度${\displaystyle b_{r}}$（MS）：

${\displaystyle {\dot {m}}=\rho A_{\text{s}}b_{r}}$

用途や望ましい推力曲線に応じて、いくつかの幾何学的構成がよく用いられる。

• 
  円形穴のシミュレーション
• 
  Cスロットシミュレーション
• 
  月燃焼シミュレーション
• 
  5点フィノシルシミュレーション

• 円形ボア：BATES構成の場合、漸進的・漸退的な推力曲線を生成する。
• エンドバーナー：推進剤は軸方向の一方の端からもう一方の端まで燃焼し、安定した長時間燃焼を実現するが、熱的な問題や重心移動が生じる。
• Cスロット：側面（軸方向）に大きな楔形の切り欠きがある推進剤で、比較的長い後退推力を発生させるが、熱的な問題や非対称な重心特性がある。
• ムーンバーナー：中心からずれた円形のボアにより、わずかに非対称な重心特性を持つものの、漸進的・漸進的な長時間燃焼を実現します。
• フィノシリンダー：通常は5本または6本の脚を持つ星形をしており、表面積が増加するため、円形ボアよりも燃焼速度が若干速く、非常に安定した推力を生み出すことができる。

推進剤の表面積は、慎重な幾何学的設計によって容易に調整できるが、燃焼速度はいくつかの微妙な要因に依存する。

• 推進剤の化学組成。
• AP、Al、添加剤の粒子サイズ。
• 燃焼圧力。
• 熱伝達特性。
• 侵食燃焼（推進剤の周りを高速で流れる流れ）。
• 推進剤の初期温度。

要約すると、ほとんどの配合物の燃焼速度は、標準状態（STP） で1～3 mm/s 、68気圧で6～12 mm/sです。燃焼特性（線形燃焼速度など）は、ロケットモーターの点火前にストランドバーナー試験を用いて測定されることがよくあります。この試験により、APCPメーカーは圧力の関数として燃焼速度を特性評価できます。経験的に、APCPは以下のべき乗関数モデルにかなりよく適合します。 

${\displaystyle b_{r}=ap^{n}}$

APCPの場合、 nは通常0.3～0.5であり、これはAPCPが亜臨界圧力感受性であることを示しています。つまり、燃焼中に表面積が一定に保たれていれば、圧力が内部平衡に達するため、燃焼反応は（理論的には）無限大まで暴走することはありません。これはAPCPが爆発を引き起こさないという意味ではなく、単に爆発しないという意味です。したがって、爆発が起こるとすれば、容器（ロケットモーター）の破裂圧力を超える圧力によってのみ引き起こされます。