2023 Fiscal Year Annual Research 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 | 極低温流体 / 気液二相流 / 再突入 / 宇宙輸送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，完全再使用宇宙輸送機の主要課題である再突入時の熱防護に関し，従来の耐熱材料に替えて推進剤として搭載される極低温推進剤（液体水素，液体メタン）等を用いた流体冷却を提案する．高い冷却効率が期待される内部濡れ面積の大きなマイクロ流路を採用するが，二相流動時は微細流路により表面張力が卓越し，蒸気膜成長により冷却効率が低下する．そこで液体ジェットを加熱面へ衝突させ，蒸気膜の除去を促し，膜沸騰から核沸騰へ遷移させ冷却効率を向上させる方式を発案した．
まず着色水を用い，蒸気を窒素ガスで模擬した基礎実験を行った．画像処理により気膜除去の定量化手法を開発し，Weber数（液体ジェットの慣性力と気膜による表面張力の比）に基づく蒸気膜除去の条件を見出した．
これを基に実際を模擬した供試体を金属積層造形にて製作し，液体窒素を用いた冷却実験を行った．比較対象として空隙率及び内部濡れ面積を同一とした多孔質を模擬した供試体も造形した．実験では液体窒素の流動に伴う表面温度の低下状況を評価指標とし，疑多孔質と比較して提案するマイクロジェット構造はWeber数が大きい条件下では冷却時間が半減することを確認し，提案手法の優位性を実証した．
一方，水による基礎実験とはWe数の感度がわずかに異なる結果となった．スケール効果等が原因として考えられるが，今後実用化していく上では，より詳細な現象の分析等を進めていく必要がある．
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