2017 Fiscal Year Annual Research Report
Liquified gas bipropellant microthruster using dimethyl etther and nitrous oxide
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16H04593
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| Research Institution | University of Miyazaki |
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Principal Investigator |
各務 聡 宮崎大学, 工学部, 准教授 (80415653)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橘 武史 九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (50179719)
山本 洋司 北九州工業高等専門学校, 生産デザイン工学科, 准教授 (50707453)
友松 重樹 宮崎大学, 工学部, 助教 (30315353)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 宇宙輸送 / マイクロ推進機 / 超小型衛星 / 亜酸化窒素 / ジメチルエーテル / 液化ガス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度は， 1) N2O（亜酸化窒素）/DME（ジメチルエーテル）推進機の予混合型と衝突噴流型の試作評価，2)高速度カメラによる内部観察，3)燃焼速度の測定を行った．
衝突噴流型として，N2Oを燃焼室側面から供給する新方式の燃焼室を試作した．CFD（数値流体力学）シミュレーションを用いて，燃焼室内の流速と酸化剤燃料比(O/F)を詳らかにした．また，試作機を用いて推力測定を行った結果，特性排気速度効率（C*効率，燃焼の効率を表す指標）は，燃焼室直径や燃焼室特性長に依存し，昨年度の68%から82%にまで向上させるに至った．
予混合型については，H28年度に試作したコイル型の予混合器を用いて試作評価を行った．はじめに，可視化推進機を用いて燃焼室を内部観察したところ，吹き消えが起きていた．噴射口のN2O/DME予混合ガス流速は，N2Oの発熱量とDMEの高い燃焼速度に鑑みて，逆火の防止という安全上の観点から5 m/sと想定していた．そこで，予混合ガス流速を1～2m/sとして性能評価を行ったところ，予混合型では初めての安定作動を実現し，C*効率は84.5%にまで達した．
燃焼速度の測定は，北九州工業専門学校と九州工業大学において実施した．球形容器法を用いてN2O/DMEの燃焼速度を測定したところ，酸化剤過多のO/F=14で0.40 m/s程度であった．O/Fは，比推力が最大となる3.5より高いが，この条件では一酸化炭素が発生する可能性があったため，安全に鑑みて14とした．なお，まだ解析中であるが，O/F=3.5の燃焼速度は1 m/s程度と考えられる．これは，先述の試作機を用いた実験結果から考えられる燃焼速度と一致している．
なお，シュリーレン法については，その光学系の構築を終え，内部観察用のスラスタは，先述の通り内部観察に供しており，H30年度には実験が可能な状態になった．
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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
概ね順調であると判断する．平成29年度は，N2O/DME推進機の試作評価，燃焼速度測定，内部観察を実施し，シュリーレン法に資する光学系の構築を行ってきた．推進機の試作評価に関しては，予混合型や衝突噴流型試作機のC*効率を80%以上にまで向上させ，さらに，予混合型ではこれまで不可能であった安定燃焼を初めて実現している．また，平成28年度の試作機をベースとした可視化推進機を製作し，可視化実験により燃焼が不安定になった理由を明らかにした．これにより，C*効率を向上させただけでなく，可視化推進機に必要な要素技術（観察窓の耐熱性やシール）の確立にも大きく貢献している．
また，平成28年度に進めてきた球形容器法の準備が完了し，その測定結果を得るに至っている．これまでのところ，O/F=14という酸化剤過多の状態での測定であるが，全く未知であった燃焼速度の特性が明らかとなり，予想よりも低くなっていることが判明した．これまでに，予備的にO/F=3.5の燃焼速度を測定しており，この結果は，推進機の作動試験の結果を裏付けるような結果になっている．
なお，以上の結果により，査読付論文2編が掲載されるに至っている．
以上のようにこのように，予想以上の進捗が得られたわけではないが，提案する推進機のC*効率を85%にまで高め，性能向上に資する燃焼速度測定や可視化において成果が得られつつある．よって，概ね順調であると判断している．
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| Strategy for Future Research Activity |
先述の通り，0.4N級の衝突噴流型と予混合型推進機を製作し，その性能評価を行ったろ，予混合型で安定作動が実現し特性排気速度効率が85%に達した．また，衝突噴流型でC*効率は80％に到達している．しかし，平成29年度の試作機は，作動中に前触れなく作動が中断することがあった．よって，平成30年度は，1)予混合型推進機のC*効率の95%への向上と作動の更なる安定化，2)内部観察による推進機の最適化，3)詳細な燃焼速度測定による推進機の最適化を実施する．
1）については，引き続き試作評価を行う．これまでの試作評価と燃焼速度測定の結果から，作動が突然に中断する原因として，予混合推進剤の噴射流速が燃焼速度よりも速いことが考えられる．そこで，噴射流速をパラメータとして性能評価を実施する．また，2）の内部観察の結果を基に燃焼室の形状の最適化を行う．
2）については，平成29年度に構築してきた光学系を利用して内部観察を実施する．原理上，予混合型は，燃焼室の長さを0に出来るはずであるが，DMEをN2O中に完全に分散させることが不可能であり，実際は，気泡状のDMEがN2O中に漂っているものと考えられる．そこで，光学的な手法により燃焼反応が進行している領域を詳らかにして，燃焼室と噴射器の最適化を実施する．なお，可能であれば，二色法による温度計測や，ICCD（イメージインテンシファイア付CCD）カメラを利用したラジカル分布を計測する．
3)については，平成29年度に引き続き，燃焼速度の圧力やO/Fへの依存性を詳らかにして，燃焼室や噴射器の最適化を実現する．
以上を以て，本研究の目標を達成する．
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Research Products
(5 results)
