2022 Fiscal Year Research-status Report
極低温マイクロジェット/トランスピレーション冷却による熱防護の革新
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21K18779
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
杵淵 紀世志 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90648502)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 極低温推進剤 / 液体水素 / 再使用宇宙輸送機 / 再突入 / 極超音速飛行 / トランスピレーション / 空力加熱 / 気液二相流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では宇宙輸送機の完全再使用化に向け，極超音速飛翔や再突入の際に問題となる空力加熱に対し，軽量，高信頼性かつ再使用可能な冷却手法の実現を目的としている．そこで，従来の炭素系材料等の熱防護材に代えて，輸送機に推進剤として搭載される極低温液体を積極的に利用したマイクロ流路とトランスピレーションによる新たな機体冷却法を提案する．表面張力の卓越による蒸気膜成長や気泡停滞による熱伝達率の低下，気相部/液相部における流路設計の個別最適化が課題である．前者の課題は独自のマイクロジェット冷却を適用することで解決を図り，後者は従来の多孔質材ではなく積層造形により設計自由度を確保し流路設計の局所最適化を行う．
本研究を通じ，液体窒素を利用した実験による原理実証と有効性の判定を最終目的としている．今年度は計画通り液体窒素が供給可能かつ供試体の冷却特性が取得可能な実験装置を製作し，初期の冷却性能データを取得し，従来手法に比して提案手法の冷却効率が優れていることを実証した．低沸点液体を用いた沸騰実験を追加実施し，前年度の水を用いた結果と比較検証を進めた．
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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
今年度は計画通り液体窒素実験装置を整備し，液体窒素の供給流量及び冷却性能が計測可能であることを確認した．本装置を用いた予備実験を行い，従来のフィルム冷却に対して提案手法の冷却効率が優れていることを実証した．また次年度に向け極低温下での感温塗料による温度分布計測の準備を進めた．前年度の水と窒素ガスによる模擬実験に加えて，低沸点液体を用いた沸騰実験を追加実施し，水により取得したウェーバー数に基づく整理結果が沸騰を踏まえても有効であることを示した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の結果を踏まえ供試体を再設計し，数種を追加で造形した上で，ウェーバー数を中心に冷却流路構造の影響を調査する．実験装置を拡充し，冷媒流量や温度等を変化させた種々の条件下における冷却性能を取得する．この際，当初計画通り供給窒素のボイド率（気液分率）や感温塗料による供試体表面温度分布を計測できるようにする計画である．実応用時に冷媒に液体水素を用いた際の効果について，実験結果に基づき評価を行い，その有用性について議論する．
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| Causes of Carryover |
実験装置に関し，確実な実験の遂行のため，今年度の購入予定であった一部の計測機器を次年度購入に先送りしたため．
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