2021 Fiscal Year Research-status Report
月，火星を見据えた有人宇宙活動における固体材料火災安全性評価手法の構築
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21K18775
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
中谷 辰爾 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00382234)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
津江 光洋 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50227360)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 燃焼限界酸素濃度 / 固体プラスチック / 火災安全 / 有人宇宙活動 / 重力 / ベイズ統計モデル / マルコフ連鎖モンテカルロ法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
月，火星を想定した有人宇宙活動における固体プラスチック材料の火災安全性を評価するため，ロッド状のPMMAに対して燃焼試験を実施した．一様流中に設置された押出型あるいはキャスト型PMMAを材料とし，流れの酸素濃度を変化させることで消炎する限界酸素濃度を求めた．重力に起因する浮力の影響を評価するため，遠心機に燃焼容器を配置した実験装置を設計製作し，限界酸素濃度を測定した．本年度は溶融成分が限定的なキャスト型PMMAに着目し，4mm，6mm，および10mmのロッドに対し，通常重力，2Gおよび4Gの環境で実験を行った．結果として，重力の増大と共に同流速において消炎する限界酸素濃度が大きくなることが示された．これは，重力の増大と共に浮力起因の流れが強くなったためである．ロッド径が大きくなると限界酸素濃度が増大した．これはロッド内の熱伝導が面積の増大につれて増大したためと考えられる．これらのロッド燃焼試験結果に対し，エネルギーバランスや浮力に起因する流速の影響を考慮した限界酸素濃度の物理モデルを構築した．それに対し，ベイズ統計的アプローチである，マルコフ連鎖モンテカルロ法によるパラメータの影響評価を行った．重力の大きいところでは誤差が少なく，低流速域でモデル誤差が大きくなった．さらに，月および火星の重力における限界酸素濃度の予測を行った．その結果，低流速で輻射消炎が支配的となる領域において，予測誤差が大きくなる結果が得られた．これらは低流速および低重力におけるデータがないことに起因する．本結果から，微小重力や低重力の実験を実施することで，ベイズ更新によりこれらのモデルの精度が高くなることが想定される．本研究では，概ねPMMAロッドの限界酸素濃度の挙動を様々な重力レベルに関して予測することが可能であり，様々な環境での材料の火災安全を評価することができた．
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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
本研究では，固体材料の燃焼限界を同定するための燃焼限界を明らかにするため，遠心機と燃焼容器を設計する必要があった．安定した回転を実現し，重力環境を変化させるためには多くの試行錯誤とノウハウを有する．機構や動力源の選定，制御も含め多くの技術課題があった．設計製作に関していくつかの試行錯誤および修正があったものの，実験装置の設計製作およびシステムの構築を早期に実現することができた．また，予備試験も想定通りに進行し，振れ回り等のいくつかの問題があったが，装置の改良やバランシングにより解決できた．試験材料の一つである溶融燃料を生じないキャスト型PMMAに対し，実際に様々な重力レベルとロッド径を変化させた本試験を実施することができた．これにより，溶融性状が限定的な固体プラスチック材料に対して，基本的な燃焼挙動に関する知見を蓄積することができた．さらに，本研究の主目的である限界酸素濃度モデルを構築した．ベイズ統計モデルに基づくマルコフ連鎖モンテカルロ法による解析を実施した．重力の影響によるモデリングが概ね妥当であることが示されている．また，低重力，低流速領域においてモデル予測誤差が大きくなる成果が得られ，これらの実環境での計測の必要性が示された．これらの予測誤差は，データが存在しないため，数理モデル的に予測されるものである．しかしながら，ベイズモデルによる平均値の挙動を見た場合，予測される挙動を再現することができた．また，それらの成果を国内会議および国際会議において発表することができた．本研究で今後実施する統計的解析やモデル構築の基盤が初年度に構築されており，非常に順調に計画が進行していると判断される．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では，月，火星環境における固体材料の燃焼限界モデルを構築することを目的とする．重力レベルの影響を明らかにするため，完成した遠心機を活用し重力レベルが固体材料の燃焼限界に及ぼす影響を詳細に調べる．重力レベルの条件をさらに増やし，溶融成分が限定的なキャスト型PMMAに対して燃焼試験を実施する．限界酸素濃度モデルによるベイズ統計モデルによる解析を詳細に実施し，重力レベルの変化により駆動される浮力による流速の大きさについて評価を実施する．また，遠心機においてはコリオリ力による加速度の発生が考えられる．遠心機半径を変化させてそれらの影響に関して評価を行う．
また，溶融燃料成分のドリッピングが生じる押出型PMMAに関しても試験を実施する．押出型PMMAにおいては溶融成分のドリッピングが燃焼限界に及ぼす影響が考えられる．ドリッピングの効果は数理モデルには考慮することができないが，ベイズ統計による不確実性評価も含めて検討を行う．燃料成分のドリッピングが生じた際に，上流に部分予混合層が形成され，吹き飛び限界に大きく影響すると考えられる．さらに，ドリッピングによる質量損失の影響も考えられる．これらが燃焼限界に及ぼす影響を詳細に調べる．同時に，ドリッピングが生じる押出型PMMAでは燃焼限界付近において火炎振動が観察されている．これらの火炎振動特性およびそれに及ぼす重力の影響に着目し時系列光学測定を実施する．実験的アプローチによりこれらの振動現象を明らかにする．
上記で構築したモデルを利用し，月および火星の重力レベルを入力することで，これらの環境における火災安全性について評価を行う．軌道上，月，火星における可燃限界を明確にし，有人宇宙活動における固体材料の火災安全性評価に必要な知見を得る．
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