Fundamental Study on Cryogenic Fluid Management for the Design of Orbital Transfer Vehicles and Propellant Depot Systems

• Project/Area Number: 21H04587
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 姫野 武洋 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (60376506)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000); Fiscal Year 2025: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2024: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2023: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2022: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2021: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
• Keywords: 推進薬マネジメント / 液体ロケット / 自由表面流 / 極低温流体 / スロッシング / 相変化 / ロケット / 液体水素 / 極低温 / 管内沸騰 / 気液二相流 / 軌道間輸送 / 水素

Outline of Research at the Start

数週間以上の長期間運用が可能な極低温再使用型ロケットや軌道上推進薬再補給設備などから成る軌道間輸送システムの設計と実現のために、ロケット推進系や再補給設備の内部(タンク・供給配管・ターボポンプ)における、沸騰凝縮を伴う自由表面流を対象とし、地上とは異なる様々な加速度環境における熱流動現象の解明と予測技術の確立を目指す。 具体的には、(1)極低温スロッシング実験、(2)大型液体水素タンクでの減圧沸騰実験、(3)低重力環境における沸騰二相流実験、ならびに、(4)自由表面流数値解法の構築に取り組む。研究成果を統合し、液体水素運搬船や水素燃料航空機も含め、各種機器の設計基盤技術として提案する。

Outline of Annual Research Achievements

極低温スロッシング実験については、回転加振機による実験を継続し、液面揺動に伴う圧力変化データを取得した。液相温度分布をパラメーターとした試験に加え、タンク内艤装品を模擬した供試体を新たに制作し、圧力降下に及ぼす固体伝熱の因子を抽出した。
大型液体水素タンク減圧実験については、本研究で構築した遠隔監視システムも活用し、能代ロケット実験場の既設30立方メートルタンクを使用した減圧沸騰実験を継続した。
沸騰二相流実験については、透明沸騰電熱管を用いた実験装置を拡張し、並列流路における分流特性の取得を行い、体積流量や気液質量流量比(クオリティ)に応じた管路圧損の変化を効率的に取得できる手法を考案した。管路圧損を予測できる縮退モデルの検討も進めた。
自由表面流の数値解析については、液中翼周りのキャビテーションの数値解析を継続し、シートキャビテーションやスーパーキャビテーションを呈する広範なキャビテーション数条件について、キャビテーションブレークダウンを銃を宇手法に比較して定量的により精度良く予測できるようになった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

実験については、スロッシング、管内沸騰、落下塔の3種類の実験手法がさらに改良され、研究目的である相変化二相流、ならびに、表面張力駆動流を可視化観察する実験環境が整った。スロッシング実験の加振機については、さらに大きな角速度を与えられるような装置改修の設計を進めたことから、順調に進展していると判断している。
数値解析についても、自由表面における相変化モデルに加え、サブグリッドスケールでの気泡群成長モデルを組み合わせることで、計算負荷を抑えつつ、複雑なキャビテーション流を模擬できることが示された。

Strategy for Future Research Activity

構築した実験環境をさらに改良するとともに、回転と並進を含むより広範な加速度環境を実験室で実現できるようにする。数値解析は引き続き、獲得された実験データも対象にしつつ、相変化モデルの改良を進める。

Research Products

• [Journal Article] Cryogenic propellant management in space: open challenges and perspectives (2024)
  • Author(s): Simonini Alessia、Dreyer Michael、Urbano Annafederica、Sanfedino Francesco、Himeno Takehiro、Behruzi Philipp、Avila Marc、Pinho Jorge、Peveroni Laura、Gouriet Jean-Baptiste
  • Journal Title: npj Microgravity Volume: 10 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41526-024-00377-5
• [Journal Article] Estimation of the tip-height of mixing jet issuing from a nozzle by one-dimensional droplet model (2023)
  • Author(s): Osamu Kawanami, Kentaro Takeda, Ryoki Matsushima, Ryoji Imai, Yutaka Umemura, Takehiro Himeno,
  • Journal Title: International Journal of Multiphase Flow Volume: 163 Pages: 104426-104426
  • DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2023.104426
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pressure recovery during pressure reduction experiment with large-scale liquid hydrogen tank (2021)
  • Author(s): Tani Kazuma、Himeno Takehiro、Sakuma Yasunori、Watanabe Toshinori、Kobayashi Hiroaki、Toge Terukuni、Unno Syuntaro、Kamiya Shoji、Muragishi Osamu、Kanbe Katsuhiro
  • Journal Title: International Journal of Hydrogen Energy Volume: 2021 Issue: 57 Pages: 29583-29596
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.12.184
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Experimental and Numerical Investigations on Depressurization Process in a Large Liquefied Hydrogen Tank (2023)
  • Author(s): Takehiro Himeno
  • Organizer: 米国低温学会 CEC-ICMC 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 移動体に搭載される極低温流体の貯蔵と熱管理 (2023)
  • Author(s): 姫野武洋
  • Organizer: 第13回FC-Cubicオープンシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 極低温スロッシングに伴うタンク内圧力変化に及ぼす壁面熱伝達の影響 (2023)
  • Author(s): 八幡祐成
  • Organizer: 日本航空宇宙学会第67回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 微小重力環境下における沸騰流の3次元解析 (2023)
  • Author(s): 宮良祐紀
  • Organizer: 日本航空宇宙学会第67回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 界面捕獲モデルと気泡流モデルを用いた単独翼周りのキャビテーションの数値解析 (2023)
  • Author(s): 岡本すず菜
  • Organizer: 日本航空宇宙学会第63回航空原動機・宇宙推進講演会
• [Presentation] Space Lander Descent Control System Design Considering Fuel Sloshing Under Microgravity (2022)
  • Author(s): Tanaka, Y
  • Organizer: IEEE Conference on Decision and Control
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NUMERICAL SIMULATION ON PRESSU PHENOMENON WITH LARGE-SCALE LIQUEFIED HYDROGEN TANK (2022)
  • Author(s): Himeno, T.
  • Organizer: WHEC 2022 - 23rd World Hydrogen Energy Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of Sloshing Effect on a Tank during Landing Phases of Spacecrafts in a Micro-Gravity Environment (2022)
  • Author(s): Yutaro Furuichi
  • Organizer: AIAA Ascend 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙輸送システムに関わる推進薬マネジメント技術の開発支援 (2022)
  • Author(s): 姫野武洋
  • Organizer: 日本航空宇宙学会第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] サブグリッドでの気泡成長を考慮した界面捕獲法による単独翼キャビテーションの数値解析 (2022)
  • Author(s): 岩崎瞭介，姫野武洋，伊藤優，渡辺紀徳，谷和磨
  • Organizer: 日本航空宇宙学会第61回航空原動機宇宙推進講演会
• [Remarks] 宇宙で流体を操る
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/topics/foe/topics/setnws_201906281249459745867077.html