準定常作動MW級アークヒ-タを用いた高エンタルピ多機能風洞の開発研究

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06555294
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 吉川 孝雄 大阪大学, 基礎工学部, 教授 (00029498)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森本 進治 石川島播磨重工業(株)技術研究所部長, 研究者 ; 小林 明 大阪大学, 接合科学研究所, 助教授 (70110773) ; 田原 弘一 大阪大学, 基礎工学部, 助教授 (20207210)
• Keywords: アークヒ-タ / プラズマ流 / 高エンタルピ流 / 空力加熱 / 再突入 / 耐熱材料 / 高融点材料

Research Abstract

大電力アークヒ-タは、高熱エネルギー密度、高活性種密度、高流速等の特徴を有し、空力加熱、プラズマ溶射、熱プラズマCVDなど航空宇宙関連、材料加工関連への応用が進められている。特に減圧プラズマ溶射をはじめとする低圧下での処理は、皮膜の純度、密度、密着力を向上させるのに有効な手段であり、低圧下におけるプラズマジェットプロセスの研究は今後更に重要になるものと考えられる。しかしながら低圧下においてプラズマジェットは衝撃波の発生、超音速膨張に伴うプラズマ温度の低下等について十分考慮する必要がある。そこで本研究では、従来のプラズマジェットプロセスではほとんど報告例のない3kpa以下の低圧下にて窒素プラズマジェットによるチタンの窒化処理を行い、低圧下におけるプラズマジェットプロセスの基礎検討を行った。基材表面の硬さはP=3kpaの場合がHv約900、P=30paの場合がHv約750と、3kpa以下の圧力下においても短時間のプラズマ照射で硬質の窒化層が形成できることがわかった。しかしながらP=30paの場合には3kpaの場合に比べて硬化層が薄く、また基材表面のX線回折結果から窒化物の形成が不完全であり、低圧になるに従って超音速膨張による熱エネルギー、活性種密度の低下が著しくなり窒化物形成に影響を与えることが明らかとなった。
アークヒ-タ内部の流れ場、および空力加熱の数値シミュレーション法を開発した。数値計算モデルとして、温度非平衡・化学非平衡を考慮し、電子温度と重粒子温度を区別し電離解離反応を導入した。数値計算の結果、内部流れ場ではAr、N2、NH3の流れ場が解析され実験結果と比較検討され、定性的にはよく一致することがわかった。鈍頭物体周りの流れ場では中心近傍では解析的に予想される分布形状に近いが、中心から離れるに従って解析解からずれてくることがわかった。

Research Products

• [Publications] Kazunori Mitsuo: "Arc Structure in a Quasi-Steady MPD Channel" Proc.20th int.Symp.Space Technol.and Science. Vol.1. 158-165 (1996)
• [Publications] Takashi Yonezawa: "Spectroscopic Measurement and Numerical Analysis of Thermal Non-Equilibrium Flow in a 10-kw-class Arcjet Thruster" Proc.20th Int.Symp.Space Technol.and Scoence. Vol.1. 102-108 (1996)
• [Publications] Yasutaka Andoh: "Flowfield Analysis in a DC Nitrogen Plasma Torch" 3rd Int.Conf.Reactive Plasmas. P1-46. (1997)
• [Publications] Yasutaka Andoh: "Surface Nitriding of Titanium Using Nitrogen Plasma Jet Under a Low Pressure Environment" 3rd Int.Conf.Reactive Plasmas. P1-52. (1997)
• [Publications] Tetsuya Shibata: "Ceramic Spray Coating Using a MPD Arcjet Generator" 3rd.Int.Conf.Reactive Plasmas. P1-53. (1997)