ロケットエンジン燃焼解析手法を活用した液体水素の爆発安全性評価技術の構築

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K01318
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 大門 優 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (90415901)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤本 圭一郎 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究開発員 (20446602) ; 谷 洋海 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究開発員 (80633784)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 液体水素 / 極低温流体 / 着火

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，液体水素が大量漏洩した際の爆発メカニズムの解明とその予測技術の確立を行う．本研究の試験では相変化・化学反応・衝撃波伝播といった瞬時に発生する複雑な現象であると予測されるため，現象を切り分けることを目的とし2段階の試験を計画した．それぞれの試験は，非反応性の模擬液を利用した「着火前試験」と，水素・酸素の反応性流体を利用した「着火試験」である．本年度は主に「①温度差による気泡収縮試験」および「②衝撃波による気泡収縮試験」を行った．
【①温度差による気泡収縮試験】昨年度作成した液体窒素温度制御装置を用いて液体窒素内に気体窒素の気泡を作成し，温度差に起因する凝縮による気泡収縮過程を高速度カメラで可視化した．続いて，着火可否をみるために気泡に水素/空気混合気を使用したが，凝縮では十分温度が上がらず着火には至らないことがわかった．
【②衝撃波による気泡収縮試験】①の結果から温度差による気泡収縮では着火に至らないことがわかったため，気泡を衝撃波により収縮させる手法を試行した．水中に窒素気泡を注入し、上から水面をハンマーでたたくことで水中衝撃波を発生させた．高速度カメラによる可視化により，ハンマーで発生させた水中衝撃波は窒素気泡を収縮させることがわかった．続いて水を電気分解することで得た当量比の水素/酸素ガスを水中に気泡として注入し，同様にハンマーによる水中衝撃波で収縮させた．結果着火を確認することはできなかった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

着火試験ではどの方法でも着火を確認できていないが、当初予定していた【温度差による気泡収縮試験】だけでなく、【衝撃波による気泡収縮試験】も実施することができた．しかも水の電気分解装置を使って当量比の水素/酸素混合気を作ることができたため，着火試験も順調に進めることができた．
当初予定している以上に計画は進んでいるが，着火を確認することができていないため，「おおむね順調に進展している」とする．

Strategy for Future Research Activity

年度前半は【衝撃波による気泡収縮試験】を模擬した数値解析を実施し，着火に必要な条件を絞り込む．年度後半に解析より得られた試験条件を実現するため試験装置の改良を行い着火試験を行う．得られた結果をもとに安全性について検討する．成果は国際学会で2件発表し、その後論文化する予定である．

Causes of Carryover

衝撃波による気泡収縮試験においては初めての試験であったため，衝撃波発生装置は試行という位置づけで空圧で作動する安価なハンマーを製作した．これにより，衝撃波発生装置製作分の次年度使用額が生じた．次年度行う解析により衝撃波の強さが足りないということがわかれば，この衝撃波発生装置を改良する予定である．