2020 Fiscal Year Research-status Report
Demonstration of Graphite Nozzle Erosion Suppression in Hybrid Rockets Through Regenerative Cooling
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20K14946
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
KAMPS LANDON 北海道大学, 工学研究院, 特任助教 (70869502)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ノズル浸食 / 再生冷却 / ハイブリッドロケット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目標は、黒鉛ノズルの冷却による浸食抑制効果の解明および黒鉛ノズル浸食抑制を実現する再生冷却式ハイブリッドロケットの実証である。再生冷却黒鉛ノズルを実証するために明らかにするべき学術的「問い」は以下の3点である。（１）冷却によるノズル浸食の抑制は可能か、（２）液体酸化剤による十分な冷却は可能か、（３）再生冷却黒鉛ノズルシステムの設計解は存在するのか、である。研究実施計画は、これら3つの学術的「問い」に応じて段階的に設定した。第1段階として、2020年度までに冷却による黒鉛ノズル浸食抑制効果を定量的に検討するため、入手が容易な水を冷却材として燃焼実験を行い、ノズル内部の温度データを蓄積した。燃焼時間および水の流量を実験パラメータとして設定し、10回以上の地上燃焼実験を実施した。そのほかの実験条件については、過去の無冷却でのノズル浸食実験の条件に合わせて行い、冷却の有無によるノズル浸食への影響について比較を行った。燃焼実験の結果から、適切な流量で冷却することでノズル浸食を抑制すること可能であることが確認された。これらの結果により、本研究における明らかにすべき問い（１）が実証できた。2020年度までの結果を国際学会で発表した。これに加え、ロケットにおけるノズル浸食に関する数値計算を専門的に研究しているローマ大学の研究者らと共に、ノズル浸食と温度の関係についてジャーナル論文を投稿した。2020年度後半には、第１段階の結果をもとに、第2段階の研究に着手した。冷却材に液体酸素および液体亜酸化窒素を用いた場合の冷却システムの理論検討ならびに実験装置の設計および構築を行った。液体酸素については、2020年度の後半で5回の実験を行い、ノズルの内部の温度データを取得した。それに加え、無冷却でのノズル浸食実験との比較に必要となる、追加の実験について検討を行い、実験装置の再設計を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
これまでの研究で蓄積した実験装置および研究ノウハウを活かすことで、当初計画していた研究実施計画よりも少し早く遂行することができた。研究が計画よりも早く進んだ理由は大きく2つある。1つ目に、採用までの期間における入念な準備である。採用までの期間では、既存の実験装置の改良および実験装置の動作確認のための試運転を行い、第1段階の研究を推進するためのノウハウの蓄積、および実験手順の確立を行った。2つ目に、採用した黒鉛材料の性能が予想以上に良かった点である。超高温の黒鉛の特性を知ることは困難であり、文献としてその性能について残っているものはほとんどない。そのため、研究を計画していた当初、黒鉛ノズルを冷却することで材料に加わる熱応力、振動、および多孔性の影響等により、亀裂の発生や破損が生じると予想し、実験の失敗も考慮に入れた上で、実験を計画した。しかし、ノズルの内側で温度が3500 [K]程度の燃焼ガスにさらされながら、ノズルの外側で300 [K]程度の水で冷却されても、黒鉛ノズルには亀裂や破損も見当たらず無事であったため、実験の失敗がなくスムーズに進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
水冷によってノズル浸食が抑制できたことを受け、今後は、冷却材として液体酸素を使用した場合でもノズル浸食が抑制できるかを実験によって明らかにする。2020年度に既に液体酸素によるノズルの冷却実験を行ったが、水によるノズルの冷却実験（水冷実験）およびノズル無冷却実験との比較を行うため、追加で実験を行う。液体酸素は極低温の物質であるため、水よりも高い冷却能力があると予想される。水によるノズルの冷却実験との比較を行うため、まず初めに、水冷実験と同程度の流量で実験を行い、ノズル浸食が抑制されることを確認する。液体酸素が極低温液体であることから、ノズル浸食抑制に必要な流量は水に比べ少なくて済むと予想されることから、水よりも少ない流量での実験を行う。最終的には、第３段階で実機を設計する際に想定される酸化剤流量に近い流量でも、ノズル浸食を抑制できるかを実験によって確認する。実験を行う際の懸念点として、①液体酸素は室温で気化するため、配管内で気液混層流状態になるため流量の計測が難しい、②低流量の場合、配管からの入熱によって液体酸素が気化してしまい、液体のまま供給されない、などが挙げられる。①は液体酸素のタンクの質量の時間変化を計測することで流量を取得する。この際に流量に合わせて適切な大きさのタンクを用いることで要求される精度を達成する。②は配管をなるべく短く設計し、断熱材で覆ったうえで、実験を開始する前に、配管内を液体酸素で予冷することで解決する。これらの課題を念頭に置き、2020年度に液体酸素冷却用に改良し、新たな実験を行う。
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Research Products
(3 results)
