2019 Fiscal Year Annual Research Report
Cryogenic Propellant Management with Phase Change for Liquid Rocket Sysyems
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18H01622
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
姫野 武洋 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (60376506)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | スロッシング / ロケット / 推進薬マネジメント / 軌道間輸送 / 自由表面流 / 極低温 / 相変化 / 数値流体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
極低温スロッシング実験では、真空断熱槽(クライオスタット)の内部に設置した小型透明の密閉容器に極低温液体と常温気体を封入し、スロッシングと温度場が連成する流れ場を実現する。真空断熱槽を電動加振機に連結し、水平方向と鉛直方向に様々な非定常加速度を与えることで、液面変形が線型応答を呈する場合から、砕波を生じる強非線形応答を呈する場合まで、容器内部での熱交換と相変化に起因する圧力変動を計測した。実験の初期条件を精密に管理する手法を確立するとともに、加振機構を改造することで、再現性を担保しつつ大振幅の実験が可能となった。
大型液体水素タンク減圧実験では、同じく、研究協力者として宇宙航空研究開発機構・宇宙科学研究所の支援を得て、同機構能代ロケット実験に設置された容量30立方メートルの液体水素タンク(図3)を活用し、実機寸法に近いタンクで液体水素を対象とした減圧特性の取得試験を行った。0.4MPaの加熱飽和状態にある液体水素を貯蔵した大型タンクにおいて、世界で初となる減圧沸騰現象と温度同時計測を行い、詳細なデータを蓄積できた。
無重力実験では、研究成果を適用し、火星衛星探査機の着陸時における推進薬挙動を予測する落下塔実験及び数値解析を実施した。計算と実験に良好な一致が認められ、本研究成果が打上ロケットだけでなく、宇宙探査機の設計にも活かされる一例となった。
自由表面流の数値解析についても、様々な流れへの適用実績があるCIP-LSMコードを基礎として、複雑形状流路に対応した多領域計算、相変化モデル等の高度化を行う改良を進めた。計算コードの高速化についても、計算手法を並列計算機に提要できるよう改良し、120並列の計算が実行できることを確認した。
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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
独自の実験で、数値計算のに検証に適したデータが成功裏に取得できた。大規模数値計算へ向けた、並列計算機への対応も順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
極低温ロケットを想定した加速度環境における沸騰凝縮を伴う自由表面流を対象とし、引き続き、加速度に駆動された自由表面流の動力学的挙動と圧力変動の相関を実験により詳細に調べ、相似則に基づいて整理するとともに、その発生機序を伝熱学的に説明する。また、模型寸法容器で得られた実験的知見と相似則に基づく整理が、実機寸法で液体水素を対象とした場合にも有効であるかを実験により検証する。加えて、数値解析により実験結果を模擬する試行を通じ、固気液界面における適切な熱伝達モデルと相変化モデルを考案する。
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