2020 Fiscal Year Research-status Report
液体酸素－固体燃料の拡散燃焼機構の解明と端面燃焼式ハイブリッドロケットへの適用
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19K04832
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
脇田 督司 北海道大学, 工学研究院, 助教 (80451441)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永田 晴紀 北海道大学, 工学研究院, 教授 (40281787)
添田 建太郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (30795050)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ハイブリッドロケット / 端面燃焼 / 液体酸化剤 / 固体燃焼 / 拡散火炎 / 推進 / 3Dプリンタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、ガス酸素供給で実証されてきた「端面燃焼式ハイブリッドロケット」を液体酸化剤供給でロケットとして成立させることを目指している。本目標を達成するために、本年度は下記の2つについて研究を進めてきた。
1. 複数の微小ポートを有する燃料の燃焼実験： 端面燃焼を実現するには無数のサブミリオーダの微小ポートを均一に軸方向に配置した燃料の使用が不可欠であり、その燃焼特性が昨年度既に取得済みでる単一ポート燃料の特性と一致するか確かめる必要がある。本年度は，光造形3Dプリンタで造形した内径0.5 mmの微小ポートを複数有する燃料試験片を用いて複数回の実験を行い、サブミリオーダの微小ポートでも安定燃焼が維持されること、そして燃料端面が一様に後退する端面燃焼を液体酸素供給でも実現できることを初めて示した。また、昨年度の予備検討では液体酸素の極低温性から燃料に亀裂が発生し破損する事象が頻発したが、本年度は低温窒素ガスを用いた緩やかな予冷手法と靭性に優れた材質を新たに用いたことで、破損を回避して安定的に実験を実施できる手法を確立した。
2. 燃料後退モデルの構築： 昨年度では、燃焼雰囲気の圧力依存性に関してモデル化を試みていたが、火炎先端と燃料表面間の距離を見積もる手法に関して定まっていなかった。本年度では、同軸酸素噴流拡散火炎と安定燃焼火炎がよく似ていることに注目し、同軸拡散火炎の安定機構に着想を得ることで酸素燃料混合ガス流速、および火炎燃料間の消炎距離を簡易的にモデル化し、さらに軸方向燃料後退速度の物理モデルを構築することができた。また、このモデルから解析的に得られた燃料後退速度は，実験で得られた後退速度に対する流速/ポート径/圧力の依存性いずれに対しても定量的にある程度一致することを示し、構築したモデルが一定の妥当性を有することを確かめた。
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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
研究計画に策定時に提案した3つのサブテーマのうち「単一ポート燃料を用いた基礎燃焼特性の調査」は既に完了しており、残り2つに関しては研究実績を総合的に比較して、おおむね順調に進展していると判断した。
サブテーマ2： 燃料後退化モデル(1, 2年目に取り組む内容); 同軸噴流拡散火炎と安定燃焼で維持される拡散火炎の類似性に気付いたことで、消炎距離をうまくモデル化することができた。これによって、酸化剤流速とポート径、および燃焼雰囲気圧力の影響すべてを考慮した燃料後退モデルが構築され、モデルから計算された後退速度は、前年度までに実験的に取得した後退特性と比較的よく一致することが確かめられた。本モデル中の物性パラメータを変えれば、他の燃料や酸化剤の組合せにおける燃料後退特性を理論的には予測できるようになったことから、本サブテーマの目標は達成できたと判断できる。
サブテーマ3： 液体酸素を用いた端面燃焼式ハイブリッドロケットの設計および実証実験(3年目に取り組む内容)； 昨年度では燃焼実験を実施できなかった微小ポートを複数有する燃料試験片を、本年度は燃焼させることに成功した。その結果、光造形3Dプリンタで造形した内径0.5 mmの微小ポートにおいても安定燃焼を維持できることを示した。複数の微小ポート燃料を用いた初めての燃焼実験であり、複数ポート燃料に液体酸素を供給した場合でも、燃料後端面が一様に後退する端面燃焼が実現できることを初めて実験的に示した。燃焼特性の取得にはまだ至っていないが、昨年度問題となった燃料の破損を、新しい実験手法と燃料材質を採用することで克服し、安定して燃焼データを取得できるようになったことは技術的に大きな成果といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
サブテーマ1, 2に関しては計画通り昨年度と本年度で完了している。今後は、サブテーマ3に関して重点的に取り組む。まずは、サブミリオーダの微小ポートを複数有する燃料試験片を用いて実験的に基礎燃焼特性を取得し、昨年度以前にミリオーダの単一ポート燃料の特性と一致するか確かめる。そして、これらの基礎燃焼特性を基に推力を発生する小型ロケット燃焼器を設計することで、液体酸素供給の端面燃焼式ハイブリッドロケットの実証実験を行う。推進器として作動させる場合、供給する酸化剤が気相より高密度の液相であり、その大部分が液相のまま燃焼反応することなくポート出口から排出されることから、推進性能に最適なO/F(酸化剤/燃料流量比)から大きく外れて性能が極端に低下する可能性が以前から指摘されている。これを回避して最適なO/Fで作動させるには、5 MPa程度の高い圧力で非常に高速な燃料後退速度の達成が不可欠であることが判っているため、本サブテーマにおいても最終的には5 MPa程度の高圧環境下における推進性能の取得を目指す。推進性能は、特性排気速度効率(燃焼効率)や燃料後退速度、O/F等のパラメータから評価し、未反応の液体酸素が燃焼効率の低下を招いていないか、基礎燃焼特性とロケット燃料の燃焼特性が一致するか、および最適なO/Fを達成できているか等を重点的に確かめる。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた東京大学との打合せを，コロナの影響で次年度以降に繰り越した．また同様に北海道大学から東京大学に研究者を派遣して造形技術を指導頂く計画が実施出来ず、次年度に実施予定である．
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