水-金属ハイブリッド推進機内の凝縮性粒子の発生機構解明と推進/環境性能の最適化
| Project/Area Number |
23K21002
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| Project/Area Number (Other) |
21H01526 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小泉 宏之 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (40361505)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
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| Keywords | 水 / 超小型推進機 / マグネシウム / 燃焼 / 凝縮性燃焼生成物 / 凝縮性燃焼生成粒子 |
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| Outline of Research at the Start |
現在，超小型衛星が宇宙利用を活性化させており，宇宙用エンジンはその活動を支える要である．多くの超小型推進機の実用化が進む中，大きな力を出すタイプのエンジンは、高エネルギーを伴う反応と安全性の両立という障壁のために大きく遅れている．本研究の目的は，水とワイヤ状のマグネシウムを燃焼させることで、安全かつ高出力の小型宇宙用エンジンを実現することである。そのためには、マグネシウム燃焼時に生成される固体酸化物の制御が、エンジンの性能および環境適合性の両者において必須である。このため、本研究では、様々な燃焼条件における固体酸化物の発生状況を調べるともに、実用に適した生成抑方法を見出そうとしている。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の最終目的は、水／金属燃焼ハイブリッド推進機の実現にある。このためには、推進性能と環境適合性の同時最適化が必須であり、いずれも凝縮性燃焼生成物（CCP: Condensed Combustion Products）の低減が鍵となる。そのため、低圧水蒸気とワイヤ金属（マグネシウムあるいはアルミニウム）の燃焼スラスタにおけるCCP発生機構を解明すると共に、推進性能との相互作用を解明する必要がある。これには実験的測定が不可欠であり、本研究はCCPの発生メカニズム解明と推進性能への影響解明により構成される。
本年度は、水蒸気流がある開放系において長時間のマグネシウムワイヤ燃焼試験を実施した。このために、昨年度に設計した新型のワイヤ供給機構に対して、光学カメラによる燃焼点のトラッキングシステムを導入し、ワイヤ供給機構の自動化を達成した。この結果、開放燃焼系では、圧力50 kPa、流量17.3 - 24.0 mg/sの水蒸気流において、直径0.8 mmのマグネシウムワイヤの数十秒にわたる定常的な燃焼が確認された。反応速度は水蒸気の流量に対して比例関係にあること、また、反応率は、燃焼の条件によらず99 %以上であることを明らかにした。さらに、実験で得た結果を用いて推進性能を推算し、小型推進機として構築した場合の推力や比推力、電力や、簡易な構造設計を示した。推算の際には、液体の水の噴霧による断熱火炎温度の低下や、固体生成物の排出の有無による作動ガスの変化、およびノズルにおける水蒸気の凝縮が加味しており、推力および比推力が先行研究の小型化学推進機に対して遜色ないこと、電力や構造が小型化学推進機として実現可能であることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ワイヤ燃焼自体の定常作動については、3Dプリンタを活用したオリジナル供給装置の完成、燃焼の光学トラッキングによる自動追尾と、システム開発が大きく進み、意義のあるデータを多数取得し、大きく進捗したと言える（現在２本の投稿論文を執筆中）。加えて、これまでの現象観察用燃焼室に代わる、スラスタ模擬燃焼室が完成したため、来年度は推力測定を含めた進展が見込まれる。一方、燃焼生成物の評価方法については、高速度カメラを利用した凝縮性燃焼生成物（CCP: Condensed Combustion Products）撮像系の構築が進んでいるが、大きな進展とまでは至っていない。両者をトータルで見て「おおむね順調に進展している」といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に設計・製造が完了したスラスタ模擬燃焼室は、燃焼ガスのノズル排出および燃焼室内での可視化を可能とするものであり、今後はこの燃焼室をベースに凝縮性燃焼生成物（CCP: Condensed Combustion Products）の発生と推進性能の関係を明らかにしていく。また、本年度の長時間燃焼試験により大型の燃焼生成物生成が確認され、スラスタ実用化において大きな障壁となることがわかってきた。各種の作動パラメータ（流れ方向、圧力、流速、ワイヤ直径）に対して、生成部形状の変化を確認し、CCP微粒化への道を探す。
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Report
(2 results)
Research Products
(15 results)
