2017 Fiscal Year Research-status Report
小型アーク加熱風洞を用いた再使用型宇宙往還機熱防御システムの動的酸化試験
| Project/Area Number |
16K06892
|
|---|
| Research Institution | Tokyo City University |
|---|
Principal Investigator |
桃沢 愛 東京都市大学, 工学部, 准教授 (70575597)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | アーク加熱風洞 / 熱防御システム / 再突入環境模擬 / 動的酸化 / カソード / アノード |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
再使用型宇宙往還機の再突入時に使用される熱防御システム（TPS）の動的酸化挙動の解明のため，酸素を含むガスを作動流体としたアーク加熱風洞の改良を行った．高温の酸素が接触する金属製電極は酸化による損耗が著しく，溶けた電極材がTPS供試体を汚染するため，電極の損耗を減らす試みを行っている．また，TPSの動的酸化実験については，SiCに加えてZrB2-SiCサンプルを熱放電加工（SPS）により作製し，酸化試験を開始した．
特に今年度は昨年度の研究結果より，特に装置の点火時の損耗が大きいことが明らかとなったことから，点火時の損耗を抑制する手法について検討を行った．アーク点火時においてコールドカソードと呼ばれる定常損耗とは異なるモードの放電が発生する．このコールドカソード損耗極めて破壊的であり，本研究で使用するカソード被膜を用いる場合，その厚みはわずか高々10ミリメートル程度であるためクレーターによって点火直後に被膜が剥離し母相が露出してしまう恐れがある．今回コールドカソード損耗を抑制する方法の一つとして，点火前，定常作動前からカソードを予熱するという方法をとった．具体的には，レーザーを直接運転前のカソードに照射することで電極表面を加熱して，損耗抑制を試みた．
ZrB2-SiCサンプルの作製については，サンプルの機械的特性の測定も考慮に入れて，SPSプロセスの検討を行った．また，酸化実験についてはアーク風洞による実験に加え，プラズマ風洞での実験を行うチャンスが出来たため，酸化実験の妥当性の検討のためにも，酸化試験用にプラズマ風洞のセットアップを行った．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度はアーク加熱風洞の陽極の損耗抑制方法について、その損耗メカニズムに注目して特に点火時のコールドカソード損耗を抑制する方法の検討を行った。本研究ではレーザーを直接運転前のカソードに照射することで電極表面を加熱した．この手法は、①レーザーパワーを変えることで表面温度の制御が可能、②レーザーパワーを上げればヒーター以上の表面温度を達成でき，理論的には定常作動時の温度まで引き上げることも可能③カソード側に特殊な加工等が不要といったメリットが挙げられる。
レーザーによるカソード予加熱によりコールドカソード損耗がレーザーを用いない場合の1/3程度に抑えられた．更にレーザー予加熱をした場合，従来のアークで発生していた点火ミス，即ち絶縁破壊が起きない，激しい火花の発生とそれによる多大な損耗，異常放電などが見られなくなった．これに加え，レーザー無しではコールドカソード損耗の値が標準誤差が±0.3 mgと幅広く分布しているのに対し，レーザーを用いた場合は±0.03mgとほぼ値は非常に近い値を取っていた．これらの事実から，レーザー予加熱によりコールドカソード損耗が減少しただけではなく，点火に安定性を得たと言える．しかし、レーザー出力を50Wから100Wへと倍にし，表面温度を400 K程度上昇させた際の影響は表面状態共に見られなかった．また，レーザー無しでも従来のアークに比べコールドカソードは1/10まで減っており，これには原因として電極形状の違い，レーザー用の横穴による放電室形状の変化とそれに伴う気流・電界の変化が考えられる．この点については更なる検討が必要である。
また、ZrB2-SiCのSPS加工については、密なサンプルを作製するための条件の最適化を行った。その結果、15mm径のサンプル作製まで可能となった。
|
| Strategy for Future Research Activity |
昨年度は電極の損耗抑制のための新たなステップとして、コールドカソード損耗対策のために、新しくアークジェット本体の設計変更を行った。一方で、TPS材料の動的酸化も開始したが、こちらの方はサンプルホルダーが壊れてしまったため、酸化実験は中断となってしまった。また，昨年度末より順次アーク加熱風洞施設の東京大学から東京都市大学への移設を行っている．最終年度となる今年度は、これまでの成果を踏まえてアーク加熱風洞の大出力化も見据えたアークジェット本体の再設計を行う。この移設後は引き続き電極の改良を行うほか，アーク加熱風洞の大出力化により，半導体レーザーの照射によるアシストなしに再突入環境温度まで試験片の加熱が可能であるか検討する．
TPS材料の酸化実験については，ZrB2-SiC系についての動的酸化試験を行い，アーク加熱Active-Passive酸化遷移境界の検証をおこなうことを目標とする．
国外研究者とのディスカッションはドイツ・シュツットガルト大学のMr. Gallaおよびアーヘン工科大学のProf. Telleを訪問して行う予定である．研究成果の発表については，宇宙科学連合講演会・宇宙輸送シンポジウムの他，2019年3月に行われるIAPS meeting において発表予定である．また，酸化試験については，今後に向けてプラズマ風洞を用いた試験についても可能性を探っていくこととなった．
|
| Causes of Carryover |
アーク加熱風洞の東京大学から東京都市大学への移設の計画が、最終年度にずれ込むこととなった。2年目では一部の装置輸送費用を計上した。最終年度では施設工事費、装置輸送、設置費及び真空ポンプやチラー等の購入が見込まれる。
|
Research Products
(3 results)
