過冷却極低温推進剤のキャビテーション特性に関する研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555265
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 上條 謙二郎 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90282003)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松本 洋一郎 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (60111473) ; 徳増 崇 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (10312662) ; 尾池 守 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (70292282) ; 山田 仁 航空宇宙技術研究所, ロケット部, 室長(研究職)
• Keywords: 液体ロケット / 液体酸素 / 高密度化 / キャビテーション / 気泡核 / ターボポンプ / インデューサ

Research Abstract

地球低軌道への打上コストを下げることは、宇宙開発における最重要課題になっている。従って現在のロケットについてさらなるコスト低減が極めて重要な課題になっている。これを可能にする実現性の高い一つの方策として推進剤の高密度化が考えられている。現在のロケットで使用する液体酸素は高温がおおよそ90K、、密度は1,140Kg/m^3である。これを67Kの過冷却状態にすると密度が約10パーセント増加する。液体酸素タンク容量は10%少なくなるほか、配管、バルブ、ターボポンプの小型軽量化も可能になる。ちなみに、液体酸素/液体水素を過冷却状態で用いた場合ロケット式のドライウェイト(乾燥重量)は17パーセント少なくなると試算された例がある。このように、、過冷却密度の液体酸素と液体水素を現在の液体酸素・液体水素ロケットに適用した場合、地球低軌道への打ち上げ能力は大幅に向上する。過冷却状態の液体酸素を用いる場合、種々の機器内で発生するキャビテーションの間題を明確にしておかなければならない。過冷却状態の液体酸素のキャビテーションに関する技術資料は皆無であり、その特性を予測することも極めて困難である。
市販の液体酸素中にはO.1〜O.2%程度の窒素などの不純物が含まれ、これがキャビテーション発生の核になっている可能性が高い。しかし67K程度の過冷却状態においては、こうした不純物の大部分はガス状態では存在しない。したがって過冷却状態の液体酸素に発生するキャビテーションは通常の液体酸素に発生するキャビテーションとは様相が大きく異なることが予想される。本年度は、現在所有の液体窒素流動試験装置を改修して減圧方式で過冷却高密度液体窒素により過冷却液体酸素を製造する装置を試作し、予備試験を開始した。また、分子動力学的手法を用いて、低温流体中の気泡核発生過程の数値シュミレーションを行い、特に液体酸素中の不純物の影響を調べた。

Research Products

• [Publications] 徳増崇, 上條謙二郎, 小原裕, 松本洋一郎: "二原子分子流体の熱物性に関する分子動力学的研究(分子の回転自由度の物性に及ぼす影響)"日本機械学会論文集B編. (掲載予定).
• [Publications] Takashi Tokumasu, Kenji Kamijo, Mamoru Qike, Yoichiro Matumoto: "Molecular Dynamics study of the Nucleation of Bubble"Proc. CAV2001, AI-005. (2001)
• [Publications] Takashi Tokumasu, Kenjiro Kamijo, Yumiko Sekino, Yoichiro Matumoto: "The thermodynamic effect of cavitation around a2-D hydrofoil"AFI-2001(Proceedings of the first interaational symposium on Advanced Fluid Information). 281-286 (2001)