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

2002 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 石巻専修大学, 理工学部・機械工学科, 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

過冷却状態の液体酸素のキャビテーションはまだ未解明な部分が多く、研究を要するところとなっている。市販の液体酸素中には0.1%〜0.2%程度の不純物(N_2,He等)が混入しており、これが気泡核となっている可能性が高いが、67K程度の過冷却状態ではN_2は気体として安定に存在できない。したがって過冷却液体酸素中でのキャビテーション現象は通常の液体酸素中に発生するキャビテーション現象とはその様相が大きく異なることが予想される。過冷却状態の高密度液体酸素を推進剤として取り扱うロケット機器を実用化するにはキャビテーションの発生やそれに伴う不都合な現象を防止する方法を確立しておく必要がある。本研究ではまず減圧方式によって過冷却液体窒素を製造する方法を確立し、これを冷媒として均一な過冷却液体酸素を製造する方法を確立する。この過冷却液体酸素を用いて可視化実験を中心にキャビテーションの諸特性を調べることを目的としている。また分子動力学法を用いた数値シミュレーションにより気泡生成の分子レベルでのメカニズムを明らかにすることも目的としている。
本年度は過冷却流体のキャビテーション特性の調査と、実験装置の性能検証を行うために、新たにテストセクションの設計を行った。そして液体窒素を用いて実験装置全体の制作とテストセクションの性能の検証を行った。本来は液体酸素を用いて実験するところであるが、まだ装置の安全性が十分に確認されていなかったため本年度は液体窒素を用いて実験を行った。その結果、本実験装置を用いて過冷却液体窒素を製造する事が可能であり、温度70Kにおいて概算で0.041kg/sの流量を得ることができた。この過冷却液体の温度と流量は真空ポンプの性能に大きく依存することが確認された。また分子動力学的シミュレーションにより窒素を混入した液体酸素における気泡生成の様子は純粋な液体酸素にくらべてあまり変化がないが,ヘリウムを混入した系ではその気泡生成のメカニズムが純粋な液体酸素のそれと大きく異なることが明らかとなった。

Research Products

• [Publications] Takashi Tokumasu, Taku Ohara, Kenjiro Kamijo: "Effect of molecular elongation on the thermal conductivity of diatomic liquids"The Journal of Chemical Physics. 118・8. 3677-3685 (2003)
• [Publications] Takashi Tokumasu, Kenjiro Kamijo, Yoichiro Matsumoto: "A Numerical Study of Thermodynamic Effects of Sheet Cavitation"Proceedings of ASME FEDSM'02. 31008 (2002)
• [Publications] S.Tsuda, T.Tokumasu, K.Kamijo, Y.Matsumoto: "Molecular Dynamics Study of Heterogeneous Bubble Nucleation in Liquid Oxygen Including Helium, Nitrogen, or Argon"Proceedings of ASME FEDSM'02. 31022 (2002)