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Numerical Simulation of Oxidizer Flow inside a Hybrid Rocket Engine and Prediction of Flow Rate

Research Project

Project/Area Number 21K04484
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
Research InstitutionTokyo City University

Principal Investigator

Watanabe Rikio  東京都市大学, 理工学部, 准教授 (20308026)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中田 大将  室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (90571969)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywordsハイブリッドロケット / 亜酸化窒素 / 流量係数 / 数値シミュレーション / 推力制御実験 / 亜酸化窒素流れ / 気液二相流 / インジェクタ / ハイブリットロケット / 酸化剤
Outline of Research at the Start

小型ロケットに多く利用されているハイブリッドロケットエンジンにおいて酸化剤流量を知ることは,ロケットの推力制御にとって必須の事項である.本研究では,数値シミュレーションと実験解析により,ハイブリッドロケット酸化剤として使用されている亜酸化窒素の配管内およびインジェクタ内部流れを明らかにし,流量係数やインジェクタからの亜酸化窒素噴射の様子を明らかにする.

Outline of Final Research Achievements

A hybrid rocket engine is a safe rocket engine that uses solid fuel and liquid oxidizer, and can be used for artificial satellite launch vehicles and spacecraft. The thrust force can be controlled by adjusting the flow rate of the liquid oxidizer, but there are many uncertainties in the flow rate characteristics passing through the injector that injects the oxidizer into the combustion chamber. Therefore, we clarified the flow rate characteristics of the liquid oxidizer (nitrous oxide) passing through the injector using computational fluid dynamics. Additionally, we experimentally achieved constant thrust force by constructing a control system to regulate the flow rate of the nitrous oxide through the injector.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ハイブリッドロケットエンジンの酸化剤として使用される亜酸化窒素は気液二相流となるため,その流量を特定するのが困難である.本研究では,数値計算により実験装置に使用している噴射器(インジェクター)を通過する流量特性を明らかにすることができた.実験では,ロケット推力を一定にするような制御系を構築し,ロケット推力を一定にすることができた.これにより,ハイブリッドロケットエンジンをロケットや人工衛星用に使用する際の利便性を高めることができた.

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Flow-Pattern Identification and Pressure-Drop Measurement in a Self-pressurized Flow of Nitrous Oxide2024

    • Author(s)
      Takuya Tada, Kazuki Yasuda, Hiro Okano, Hikaru Eguchi, Masaharu Uchiumi, and Daisuke Nakata
    • Journal Title

      Transaction of JSASS

      Volume: -

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Experimental Study on Temperature Change by Cavitation Accompanying Self-Pressurization of Propellant for Small Rocket Engines2021

    • Author(s)
      Yasuda Kazuki、Nakata Daisuke、Uchiumi Masaharu
    • Journal Title

      Journal of Fluids Engineering

      Volume: 143 Issue: 12 Pages: 121103-121103

    • DOI

      10.1115/1.4051729

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Investigation of Characteristic Exhaust Velocity Model for Water/Liquid Nitrogen Rocket Engines with Consideration of Vapor Pressure of Superheated Water2023

    • Author(s)
      Ryosuke Hosoi, Rikio Watanabe
    • Organizer
      34th International Symposium on Space Technology and Science
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 過熱水噴流と液体窒素噴流の対向衝突による圧力生成機構に関する数値シミュレーション2023

    • Author(s)
      細井亮佑,渡邉力夫
    • Organizer
      第67回宇宙科学技術連合講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] N2Oの自己加圧供給による気液二相流の圧力損失予測に関する研究2023

    • Author(s)
      夛田卓矢,内海政春,安田一貴,江口光,岡野裕,中田大将
    • Organizer
      日本航空宇宙学会北部支部2023年講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] フライトタンクへの亜酸化窒素充填と排出における諸課題2023

    • Author(s)
      中田大将,安田一貴,椎名達彦,夛田卓矢,岡野裕,江口光,内海政春,川崎央
    • Organizer
      日本航空宇宙学会北部支部2023年講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 自己加圧式ハイブリッドロケットの推力一定制御2023

    • Author(s)
      岡野裕,中田大将,夛田卓矢,江口光,内海政春
    • Organizer
      第5回ハイブリッドロケットシンポジウム
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 亜酸化窒素インジェクタにおけるインジェクタ形状の影響に関する数値シミュレーション2022

    • Author(s)
      渡邉力夫,新井凱士
    • Organizer
      第66回宇宙科学技術連合講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] ハイブリッドロケット用亜酸化窒素流れと インジェクター部流量係数に関する数値解析2021

    • Author(s)
      清水善貴,渡邉力夫,安田一貴,中田大将
    • Organizer
      第65回宇宙科学技術連合講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Numerical Estimation of Discharge Coefficient of Nitrous Oxide Flow inside an Injector for Hybrid Rocket Engine2021

    • Author(s)
      Rikio Watanabe, Yoshiki Shimizu, Kazuki Yasuda, Daisuke Nakata
    • Organizer
      33rd International Symposium on Space Technology and Science
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Experimental Study onFilling and Discharging Characteristics of Nitrous Oxide to Spacecraft Tanks2021

    • Author(s)
      Kazuki Yasuda, Tatsuhiko Shiina, Daisuke Nakata, Masaharu Uchiumi
    • Organizer
      33rd International Symposium on Space Technology and Science
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ロケットスレッド実験におけるシステムインターフェース2021

    • Author(s)
      中田大将,安田一貴,椎名達彦,アン・イヨン,山岸晃己,夛田卓矢,橋本侑茉,江口 光,内海政春
    • Organizer
      令和3年度宇宙輸送シンポジウム
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 自己加圧式ハイブリッドロケットのPID制御によるスロットリング2021

    • Author(s)
      山岸晃己,中田大将,安田一貴,椎名達彦,アン・イヨン,夛田卓矢,橋本侑茉,江口光,内海政春
    • Organizer
      第4回ハイブリッドロケットシンポジウム
    • Related Report
      2021 Research-status Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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