2018 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
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16K06892
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
桃沢 愛 東京都市大学, 工学部, 准教授 (70575597)
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2016-04-01 – 2020-03-31
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| 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 / レーザー維持プラズマ / レーザー駆動風洞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，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及び再使用可能なTPSの開発を行っている．
アーク加熱風洞については，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きた．TPS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，1900～2700KといったSiCのActive/Passive酸化の遷移境界温度域での動的酸化試験を行った．今年度は酸化抵抗力を増やすためにZrB2-SiC-ZrCについても酸化実験を開始した．
今年度は特にレーザー駆動風洞を用いたTPS材料の動的酸化についての研究が中心になった．レーザー吸収分光によって，レーザー駆動風洞のアルゴン流の気流診断を行い，直径 10mm のサンプルに対しては十分なエンタルピーを供給できることが分かった．また，様々な酸素分圧下で実験を行うために，LSPの維持条件をについて新たに研究を行った．レーザー維持プラズマ（LSP）の維持条件を明らかにすることを目的としてレーザー駆動風洞を用いて酸素の割合を変更した場合と総流量を変更した場合のLSP維持の評価実験を行なった．その結果，作動ガスの総流量を変更した場合はアルゴンに酸素を混合させると酸素のみを作動ガスとして供給した場合よりLSPが維持されにくいことを示す結果となった．
TPS酸化実験については，作動時間中はクリーンな気流で加熱試験を行えることがわかった．ZrB2-SiCについては，再使用型 TPS として有望な材料であると言える．今後酸素分圧を高めて作動させることで，より広い範囲で A/P 酸化試験を行うことが期待される結果となった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度は昨年度に引き続き，東京大学から東京都市大学へアーク加熱風洞のアークジェット部分の移設を行ったが，東京都市大学での設置場所について要求を満たす環境をなかなか得られなかったため，今年度はアーク加熱風洞の電極の改良の研究は行うことが出来なかった．そのため，1年間の研究期限の延長の申し出を行って承認された．最近幸い設置場所が決定し，必要な設備の購入も目途がついたため，現在セットアップ中である．
また，アーク加熱風洞の研究に代わって行っているレーザー駆動風洞を用いたTPS材料の動的酸化についての研究について，レーザー吸収分光によってレーザー駆動風洞のアルゴン酸素流の気流診断を行ったほか，レーザー駆動風洞を用いて酸素の割合を変更した場合と総流量を変更した場合のレーザー維持プラズマ（LSP）の維持条件の評価実験を行なった．さらに，TPSの動的酸化実験については，酸素混合率20 %の条件で ZrB2-SiC 系セラミックの耐熱耐酸化試験を行った．半導体レーザーでTPS材料の表面温度を変化させて試験したところ， TPS材料は表面温度によって3種類の酸化挙動を示し，2300K 程度まではPassive酸化が生じ，約2500 K 以上になるとActive 酸化が起こり始めることが分かった．これは、SiC 系セラミックと比べると，Passive 酸化領域は大きく広がり，再使用型TPS材料として有望な材料であるということが明らかになった．今後、酸素分圧を高めて作動させることで，より広い範囲でA/P酸化試験を行うことが期待される結果となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる来年度は，アーク加熱風洞のセットアップが済み次第，改めてこれまでの成果を踏まえてアークジェット本体の再設計を行う．セットアップ後は引き続き電極の改良を行うほか，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，レーザー駆動風洞を用いてZrB2-SiCおよびZrB2-SiC-ZrC系についての動的酸化試験を行い， 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6月にドイツ・シュツットガルト大学のMr. GallaおよびDr. Herdrichと行う他、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，今年度は2019年3月に行われるIAPS meeting において発表を行ったが，来年度は2019年9月に行われるISAPS及び2020年3月に行われるIAPS meeting，宇宙輸送シンポジウムで報告を行う他，研究成果をまとめて論文の投稿も行うつもりである．
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| Causes of Carryover |
アーク加熱風洞の東京都市大学でのセットアップが，最終年度にずれ込むこととなった．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．
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Research Products
(6 results)
