2021 Fiscal Year Annual Research Report
高加熱燃焼場のガス計測と反応解析に基づくハイブリットロケット燃料の高性能化
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21H01537
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
堀 恵一 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (40202303)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
戸野倉 賢一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00260034)
津越 敬寿 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (20277271)
和田 豊 千葉工業大学, 工学部, 教授 (20553374)
三島 有二 株式会社神戸工業試験場(生産本部技術開発部), 技術企画室, 研究員 (30501689)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ハイブリッドロケット / 燃焼 / 高分子燃料 / 熱分解 / 反応動力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
表題の研究テーマに対して、燃料後退速度の向上研究（燃焼試験）／熱分解反応計測研究／反応機構のモデル化研究の３項目で研究を実施した。１年目となる本年度はLT燃料（酸化触媒添加無し）を用い、ベースとなる評価手法の研究を行った。以下、個別にその概要をまとめる。
燃料後退速度の向上研究では、以前の研究でパラフィン燃料に燃焼触媒として5 wt%の膨張性グラファイト(EG)を添加すると，燃料後退速度の向上が確認されている．本研究では機械的物性の優れているLT燃料でも同様に燃料後退速度の向上が期待できると考え，先行研究と同量の5 wt%のEGをLT#460-AとLT#421に添加し燃焼実験を実施した。ガス酸素を酸化剤に用いた燃焼実験から最大で55 %の燃料後退速度向上と同じく最大で95 %の燃焼効率(C*効率)を達成した．
熱分解反応計測研究では、ハイブリットロケット燃料の高加速燃焼場に近いリアルタイム発生気体分析装置での評価手法の確立を目指し、パイロライザーとスキマーインターフェース接続型IAMS装置を用いた瞬間熱分解システムの改修・調整を進め、リアルタイム計測環境を整えた。また、試料観察TG-DTAを用いてLT燃料の固相→溶融層→気液混相→気層に至る相変化挙動をリアルビューモニタリングにより、その視覚化に初めて成功した。
反応機構のモデル化研究では、瞬間加熱型ガスクロマトグラフィーおよび質量分析の複合分析と、LT燃料構成主成分の類似構造化学種であるC16パラフィン燃焼モデルに基づく化学反応シミュレーションを実施した。両者の結果から、LT燃料燃焼における妨害因子となる発生気体成分の一つをエチレンと特定した。
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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
燃料後退速度の向上研究では、LT#460-AとLT#460-A EG5 wt%，LT#421 EG5 wt%の三種類を低酸化剤質量流束，中酸化剤質量流束，高酸化剤質量流束で各二回ずつ燃焼実験を行った．EGを添加した燃料のすべてで燃料後退速度の向上が確認できた．LT#460-A EG5wt%は無添加と比較すると酸化剤質量流束60 kg/m2sで最大17 %向上した．LT#421 EG5wt%は酸化剤質量流束60 kg/m2sで55 %の向上を確認した．SEMでLT#460-A EG5wt%の表面を観察した結果，燃料表面にEGが抜けたような凹凸が存在し，未燃燃料として放出している可能性があったが，燃焼効率(C*効率)が最適O/F燃焼実験時に95 %を超えることから，燃焼性能は十分に向上したと考える．LT#421 EG5 wt%のC*効率は，80 %が最高である．SEMの表面画像より，LT#421 EG5wt%は燃料表面に飛び出たEGが存在しないことが確認されているため，多くは未燃燃料として放出されたと考える．
熱分解反応計測研究では、数タイプのイオン付着イオン化質量分析装置を用いた発生気体分析によりLT燃料の構成成分の分子量組成を明らかにし、試料観察TG-DTAを用いてLT燃料の固相→溶融層→気液混相→気層に至る相変化挙動をリアルビューモニタリングにより、その視覚化に初めて成功した。また、瞬間熱分解システムとして大気圧環境の瞬間熱分解発生ガスを分子量毎にリアルタイム計測するスキマーインターフェース接続型IAMS装置の改修・調整が完了し、リアルタイム計測環境を整えた。
反応機構のモデル化研究では、開発するLT燃料の燃焼性能評価において重要な、燃焼における妨害因子となる発生気体成分を特定し、燃焼性能の評価指標を該気体成分の生成比率とした燃料組成と添加触媒の探索が可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
２年目は初年度の研究成果をベースとして、LT燃料の高性能化に向けた研究を推進する。高性能化の鍵は酸化触媒の添加にあると考えており、高性能化に向けた研究を以下のように実施する計画である。
燃料後退速度の向上研究では、燃焼後のEG添加LT燃料表面で観察できた燃料表面の凹凸が，どのようなメカニズムで発生するのかを検討し，EGの添加による燃焼性能のさらなる評価や，未燃燃料の発生を少なくするため，バッフルプレートを用いた燃焼実験を行い，C*効率の変化を確認する．また，EG以外の燃焼触媒として，5酸化バナジウムの添加による燃焼性能の向上が図られるかどうか，同様の手法を用いて検証する．その他，触媒の候補となりえるものについても同様に実験的に性能評価を行っていく予定である．
熱分解反応計測研究では、ハイブリットロケット燃料の高加速燃焼場に近いリアルタイム発生気体分析の実現に主眼を置き、パイロライザーによる瞬間熱分解を従来の大気圧環境から高圧環境に対応できるチャンバーを試作し、その評価を行う。また、並行して、酸化触媒を添加したLT燃料のリアルタイム発生気体分析や試料観察TG-DTAによる相挙動モニタリングから、ハイブリットロケット燃料の性能向上を可能にする燃料組成および添加する酸化触媒探索にアプローチする。
反応機構のモデル化研究では、初年度の研究で妨害因子として特定した発生気体成分 (エチレン)の生成比率を評価指標として、瞬間加熱型ガスクロマトグラフィーおよび質量分析の複合分析による計測と化学反応シミュレーションの両面から、ハイブリットロケット燃料の性能向上を可能にする燃料組成および添加する酸化触媒探索にアプローチする。
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