Investigation of the impact of aerosol aggregation process on hypergolic ignition of hydrazine derivatives / dinitrogen tetroxide

• Project/Area Number: 22K03954
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: Meijo University
• Principal Investigator: 菅野 望 名城大学, 理工学部, 准教授 (40529046)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 推進薬 / 詳細反応モデル / エアロゾル凝集モデル / 宇宙機推進薬 / 着火・燃焼 / ヒドラジン誘導体 / エアロゾル

Outline of Research at the Start

宇宙機の軌道修正・姿勢制御用スラスター推進剤であるヒドラジン/四酸化二窒素の自己着火過程において，ヒドラジンと反応中間生成物である亜硝酸によるエアロゾルの生成とその凝集熱が着火遅れ時間へ与える影響を理論計算により明らかにする．量子力学計算と統計力学計算によりヒドラジン/亜硝酸クラスターの熱力学的物性を推定し，核生成理論における臨界核に相当するクラスターサイズを決定する．クラスターサイズと熱力学的物性の相関関係より，気相のヒドラジンや亜硝酸分子のエアロゾルへの溶解熱等を外挿し，エアロゾル凝集熱を考慮したエアロゾル生成モデルを構築し，着火遅れ時間への影響を検討する．

Outline of Annual Research Achievements

宇宙機の姿勢制御用スラスター推進剤であるヒドラジン/四酸化二窒素 (N2H4/N2O4) の自己着火メカニズムにおける未解明発熱源と考えられるヒドラジン-亜硝酸 (N2H4-HONO) エアロゾル凝集過程の初期段階において重要となる N2H4-HONO 錯体の熱力学物性について，量子化学計算と統計力学計算による理論予測を行った．
本年度は N2H4, HONO の数をそれぞれ n, m ((N2H4)n-(HONO)m) として (n, m) = (1, 1), (1, 2), (2, 1), (2, 2), (2, 3), (3, 2), (3, 3), (4, 3) までの探索を行った．HONO のOH 基の酸素原子が同時に水素結合のドナー，アクセプターとなるような構造では，HONO の水素原子が N2H4 側に移動し，(N2H5+)-(NO2-) 型のイオン錯体となることが明らかとなった．
探索した各錯体について標準生成エンタルピー，標準エントロピーを計算した．得られた結果について，クラスターを構成する分子数 (n, m) について整理し，(N2H4)n-(HONO)m 錯体の標準生成エンタルピー，標準エントロピーを外挿する推定式を提案した．
温度 298.15 K, 全圧 1 bar, N2H4, HONO 初期分圧をそれぞれ 0.01 bar とした際のクラスター生成に関する反応ギブズエネルギーを計算したところ，n + m = 6 付近で最大値をとり，臨界クラスターサイズが (N2H4)3-(HONO)3 程度であることが確認された．

Current Status of Research Progress

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

Reason

申請当初の研究執行計画通り，N2H4-HONO クラスター物性の量子化学，統計力学計算を行い，反応ギブズエネルギーが最大となる臨界クラスターサイズを推定することが達成された．

Strategy for Future Research Activity

本年度探索した N2H4-HONO 錯体のクラスターサイズ (n + m = 7 以下) は，推定された臨界クラスターサイズ n + m = 6 を僅かに超えたサイズであるため，確認のため n + m = 8 程度までの探索を継続する．
その後，申請当初の研究執行計画に従い，N2H4-HONO エアロゾル凝集反応モデルの構築と，モノメチルヒドラジン-亜硝酸 (MMH-HONO) 錯体の熱力学物性，MMH-HONO 錯体の臨界クラスターサイズの推定を行う．