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
• Project/Area Number (Other): 21H01526 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• 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)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥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)
• 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

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。

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、ワイヤ燃焼時に生成される大型のCCPに関して、生成抑止のための機構についての研究を実施した。マグネシウムと水が燃焼する際に主として生成される酸化マグネシウムは、その燃焼温度において固相であり典型的なCCPである。同物質の生成自体は燃焼エネルギーを解放するためには避けられないものであるが、これまでの燃焼実験においては、酸化マグネシウムがワイヤ先端に付着し成長し大型化（数cmにおよぶ）ていく様子が確認されている。本研究では、この成長を阻害する方法として、ワイヤに高周波数振動を加えることで、酸化マグネシウムを成長初期にワイヤから切り離し微粒化させる手法を提案し、その概念実証を実施した。燃焼および加振アクセスが容易である大気解放系を用いて、空気を酸化剤として実験を行った。その結果、適切な周波数印加により酸化マグネシウム微粒化する様子を確認した。一方で、周波数あるいは振動強度によっては、燃焼部（高温部）が切り離されることにより燃焼が終了する現象も確認され、今後の課題となった。また、実際に生成される推力の測定のため、ターゲット式の推力測定振子を設計・製造し、真空中での作動試験を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

現在、当初想定よりも大型のCCP生成が明らかになり、実機応用に向けてその対処方法が最重要課題となっている。このため、物理解明および推進性能との関連の点では、計画より遅れた進行状態である。一方で、対処方法として高周波加振を提案し、実際にその概念実証に成功したことは大きな進捗と言える。実際、この技術について、東京大学TLOと調整を進め、特許出願を行うに至った。このため、トータルとしては概ね順調と評価する。

Strategy for Future Research Activity

今後、高周波加振によるCCP微粒化方法について、長時間燃焼と微粒化を実現する最適な作動点を探していく。また、これまでの空気燃焼から脱却し、本来の酸化剤である水による試験を進める。長時間燃焼と微粒化が両立できれば、推進剤への効率的な熱伝達が期待されるため、推力測定（装置は2023年度に構築済み）を実施し、推進性能の評価を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Sirin orbital systems/ZHAW(スイス)
• [Int'l Joint Research] Sirin orbital systems/ZHAW(スイス)
• [Journal Article] Experimental Study on Combustion of Water Vapor and Aluminum Powder for Chemical Micropropulsion (2024)
  • Author(s): MUROHARA Masaya、KOIZUMI Hiroyuki、ZHANG RuCheng、NISHII Keita、KOMURASAKI Kimiya
  • Journal Title: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES Volume: 67 Issue: 2 Pages: 86-98
  • DOI: 10.2322/tjsass.67.86
  • ISSN: 0549-3811, 2189-4205
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Temperature Measurement on Condensed Combustion Products of Magnesium with Oxygen and Water Vapor (2024)
  • Author(s): K. Nishii, H. Koizumi
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 262 Pages: 113362-113362
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2024.113362
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of Condensed Combustion Product Formation during Combustion of Magnesium Plate in Water Vapor (2023)
  • Author(s): Keita NISHII, Hiroyuki KOIZUMI, Kimiya KOMURASAKI
  • Journal Title: Journal of Evolving Space Activities Volume: 1 Issue: 0 Pages: n/a
  • DOI: 10.57350/jesa.33
  • ISSN: 2758-1802
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Combustion of Magnesium Wires with Oxygen and Water Vapor (2021)
  • Author(s): Nishii Keita、Akiyama Mariko、Koizumi Hiroyuki、Komurasaki Kimiya
  • Journal Title: Combustion Science and Technology Volume: - Issue: 10 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1080/00102202.2021.2019241
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ワイヤ形状のマグネシウムを利用した小型化学推進機における酸化物成長抑制手法の研究 (2024)
  • Author(s): 韓 旻佑、土屋 祐人、小泉 宏之、室原 昌弥、小紫 公也
  • Organizer: 第63回航空原動機・宇宙推進講演会
• [Presentation] 水・粉体アルミニウム推進機における生成粒子の測定及び排出挙動の観察 (2023)
  • Author(s): 土屋 祐人、室原 昌弥、西村 将太朗、小泉 宏之、小紫 公也
  • Organizer: 第67回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] Propellant-efficient combustion parameters and oxidizer/fuel ratio in a water/metal hybrid thruster and their limits. (2022)
  • Author(s): 章 如誠、秋山 茉莉子、小泉 宏之、小紫 公
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 小型推進機応用へ向けた水蒸気流におけるマグネシウムワイヤの燃焼特性に関する実験的研究 (2022)
  • Author(s): 秋山 茉莉子、章 如誠、小泉 宏之、小紫 公也
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] Experimental Performance Evaluation of New Chemical Micropropulsion Using Water Vapor and Micron-sized Aluminum Combustion (2022)
  • Author(s): M. Murohara, R. Zhang, H. Koizumi, K. Komurasaki
  • Organizer: 36th Small Satellite Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design and testing of a 100-mN class water micropropulsion system using wire-fed magnesium combustion (2022)
  • Author(s): M. Akiyama, R. Zhang, H. Koizumi, K. Komurasaki
  • Organizer: 36th Small Satellite Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Study on Reaction Rate of Magnesium Wire in Water Vapor Flow (2022)
  • Author(s): M. Akiyama, H. Koizumi, K. Komurasaki
  • Organizer: 33rd International Symposium on Space Technology and Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多様化する超小型宇宙ミッションに向けた水推進系ファミリーの研究開発状況 (2021)
  • Author(s): 小泉 宏之
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] マグネシウムと水を推進剤とした小型推進機における燃料端面着火電力の取得 (2021)
  • Author(s): 秋山 茉莉子、西井 啓太、小泉 宏之、小紫 公也
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] Reaction Rate Measurement of Wire-fed Magnesium in Water-vapor Flow for Micropropulsion System (2021)
  • Author(s): M. Akiyama, H. Koizumi, K. Komurasaki
  • Organizer: 72nd International Astronautical Congress
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 小泉研究室ホームページ
  • URL: http://www.al.t.u-tokyo.ac.jp/koizumi/html/htdocs/
• [Remarks] 小泉研究室HP
  • URL: http://www.al.t.u-tokyo.ac.jp/koizumi/html/htdocs/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 推進機、ロケット、人工衛星及び宇宙探査機 (2024)
  • Inventor(s): 小泉宏之、韓旻佑
  • Industrial Property Rights Holder: 小泉宏之、韓旻佑
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2024-027194
  • Filing Date: 2024
• [Patent(Industrial Property Rights)] ROCKET ENGINE (2023)
  • Inventor(s): KOIZUMI Hiroyuki et al.
  • Industrial Property Rights Holder: KOIZUMI Hiroyuki et al.
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023
  • Overseas