亜酸化窒素燃料混合物

亜酸化窒素燃料混合推進剤は、 2010 年代初頭に、一部の用途において標準的な貯蔵可能なロケット推進剤としてヒドラジンを置き換えることができるように設計された液体ロケット推進剤の一種です。

亜酸化窒素燃料混合物では、燃料と酸化剤が混合されて貯蔵されます。これは、混合モノプロペラントと呼ばれることもあります。使用時に、推進剤は加熱されるか、触媒床に通され、亜酸化窒素は酸素を多く含むガスに分解されます。その後、燃焼が起こります。貯蔵された燃料が 爆発しないように、化学配合とエンジン設計には特別な注意が必要です。

ロケット エンジンで使用される推進剤は、エンジンの設計だけでなく、打ち上げ機と機体の整備のための地上設備の設計にも重要な役割を果たします。重量、エネルギー密度、コスト、毒性、爆発の危険性などの問題により、エンジニアは適切な推進剤を使用してロケットを設計することが重要になります。ロケット燃料の主な種類は次のとおりです。

小型操縦スラスタの一般的な燃料はヒドラジンです。ヒドラジンは室温で液体であり、生成エンタルピーが正であるため、一元推進剤として使用してシステム設計を大幅に簡素化できます。しかし、ヒドラジンは毒性が強く、凝固点が +1℃ と比較的高いです。また、生成エンタルピーが正である物質に固有の特性として、不安定でもあります。

亜酸化窒素は様々な燃料の酸化剤として使用することができ、主にハイブリッドロケットで人気があります。亜酸化窒素はヒドラジンよりもはるかに毒性が低く、沸点もはるかに低いですが、常温で加圧すると液化します。ヒドラジンと同様に、生成エンタルピーが正であるため、不安定になる可能性があり、また一元推進剤としても使用できます。触媒で分解すると、窒素と酸素の高温混合物が生成されます。^[1]燃料と混合して使用前に保管すると、混合一元推進剤になります。^[要出典]

ドイツのロケット科学者は、1937年という早い時期に亜酸化窒素燃料混合物の実験を行っていた。亜酸化窒素燃料混合物のテストは第二次世界大戦中も続けられた。高性能、長距離、軽量の供給システムの可能性から、亜酸化窒素とアンモニアの混合物の実験が進められたが、その結果、多数の爆発とモーターの破壊が起きた。^[2]亜酸化窒素燃料混合物のモノプロペラントを安全に扱える推進システムの構築に伴う複雑さが、本格的な開発の妨げとなっていた。

その後、2000年代に亜酸化窒素燃料混合物の開発が再び活発化し、2011年には宇宙 飛行試験ミッションが計画された。結局、飛行試験は中止された。イノベイティブ・スペース・プロパルジョン・システムズは、国際宇宙ステーション（ISS）のNASA部分でNOFBXモノ推進剤を試験する計画を発表しており、最初の暫定飛行日は2012年以降とされていた。^[3] NASAは2012年5月に2013年の打ち上げスロットでISSへのミッションを正式に承認した。^[4]このミッションは、2013年半ばに契約されたNASAの貨物補給ミッションの1つで、スペースXドラゴン宇宙船 の非加圧貨物室でISSに移動する計画だった。 「ISPS NOFBXグリーン推進剤実証」は、ISSの欧州コロンバスモジュールの外側に取り付けられるディープスロットリング100ポンド力（440 N）クラスのエンジン燃焼NOFBXロケットエンジンを使用し、「一連の宇宙での性能テスト」を受けながら約1年間軌道上に留まる予定でした。^[5]

NOFBXは、ファイアスターテクノロジーズ社が開発した独自の亜酸化窒素/燃料/乳化剤混合一元推進剤の商標名である。 ^[6] NOFBXの特許は、亜酸化窒素を酸化剤として、エタン、エチレン、またはアセチレンを燃料とする混合物であると主張した。^{[8] NOFBXは}比推力（I _sp ）が高く、ヒドラジンなど現在宇宙で使用されている他の一元推進剤よりも毒性が低い。NOFBXエンジンの飛行試験は国際宇宙ステーションで計画されていたが、^[7]結局は進められなかった。

NOFBXは以前、 DARPAとの契約に基づき、高高度で長時間飛行可能なドローン機に動力を供給する往復エンジンの燃料として使われていました。^[1] NOFBXは当時、より安全な一元推進剤が業界で関心を集めた理由を強調するいくつかの特徴を持つ「ゲームチェンジャー」技術として同社によって宣伝されていました。 ^[3]

• 成分は化学薬品供給業者から広く入手可能であり、安価で取り扱いも安全である^[3]
• 過度の注意や危険なしに輸送および取り扱いができる^[3]
• その最終製品（N
  ₂、CO、H
  ₂おお​​
  ₂およびCO
  ₂）^{[8]はいずれも、従来の}長期貯蔵可能なモノプロペラントに比べて毒性が大幅に低く、堆積物や汚染物質を生成しません。^[3]一方、ヒドラジンはアンモニアを排出します^[8]
• ヒドラジンのI _spは約230秒である。NOFBXのI _spは300秒であると報告されている^[8]
• エネルギー密度はヒドラジンの3倍以上である^[8]
• 広い温度範囲に耐えることができ、地上の室温だけでなく宇宙空間の温度でも保存できる^[7]
• 同等の性能を持つ既存の推進システムと比較してコストが低くなると予測された^[3]
• 一元推進剤であるため、補助ハードウェアの必要性が大幅に減り、打ち上げシステムのコスト、容積、質量が節約されます。
• より低温で動作するスラスターを使用し、熱設計上の課題を軽減する^[7]

2008年に発表された亜酸化窒素の分解に関するAIAAの論文では、炭化水素と亜酸化窒素を混合することの安全上のリスクについて懸念が提起されている。炭化水素を加えることで、爆発的な分解イベントに対するエネルギー障壁が大幅に低下する。 ^[9]

• 亜酸化窒素

• サットン、ジョージ P.; ビブラーズ、オスカー (2001)。ロケット推進要素(第 7 版)。ジョン ワイリー & サンズ。p. 6。ISBN 0-471-32642-9。

• ダグ・モニー (2012 年 5 月 17 日)。ブルック・ニューマン (編)。「グリーン推進デモが宇宙ステーションの安全審査に合格」。衛星ニュース。 （当時予定されていたNASAの安全性レビューについて語る）
• Schmidt, Eckart W. (2023)。「亜酸化窒素モノ推進剤」。モノ推進剤百科事典。De Gruyter。pp. 1215–1436。doi : 10.1515/ 9783110751390-009。ISBN 978-3-11-075139-0。

• NOFBX特許出願
• USPAT 20090133788 亜酸化窒素燃料混合モノプロペラント