2022 Fiscal Year Annual Research Report
液体酸素を用いる端面燃焼式ハイブリッドロケットの実証研究
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22H00240
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
永田 晴紀 北海道大学, 工学研究院, 教授 (40281787)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
添田 建太郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (30795050)
KAMPS LANDON 北海道大学, 工学研究院, 特任助教 (70869502)
脇田 督司 北海道大学, 工学研究院, 助教 (80451441)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | ハイブリッドロケット / 端面燃焼 / 3D印刷 / 固体燃焼 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、革新的ハイブリッドロケット技術を利用して、非常停止が可能な大推力ロケットを実現することである。提案者が発案し、研究を進める「端面燃焼式ハイブリッドロケット」は軸方向に無数の微小ポートを有する円柱形固体燃料を使用し、各ポートに酸化剤を流して出口に火炎を定在させる。これにより固体燃料は燃焼室圧力に比例する速度で軸方向に燃え進む。液体酸素供給により40気圧程度で燃焼させることが出来れば、適切な燃料－酸化剤比が得られ、固体ロケットをも凌ぐ大推力ハイブリッドロケットが実現出来る。研究は「単ポート燃料の燃焼特性解明」、「ロケットモータの燃焼特性取得」、および「マルチポート燃料の造形最適化」から構成される。各項目の2022年度実績は以下の通りである。
単ポート燃料の燃焼特性：端面燃焼式燃料の軸方向燃焼速度は各ポート出口に定在する火炎の移動速度で決まり、火炎の移動速度は単ポート燃料により計測可能である。今年度は光造形樹脂で作成した単ポート燃料試料を用いて燃焼実験を行い、大気圧から20気圧までの範囲で火炎移動速度を取得した。
ロケットモータの燃焼特性：本サブテーマは2023年度から開始する計画であったが、ポートを複数設けた燃料による燃焼実験を先行的に行い、20気圧の条件で安定な燃焼を得た。
マルチポート燃料の造形最適化：端面燃焼式燃料は「燃料断面に占めるポート総面積が3%以下」が必要で、先行研究では例えば内径0.3 mm のポートを2.5 mm ピッチで設けているが、O/F は上記ポート総断面積に強く依存するため、高精度な燃料造形が要求される。造形精度は照射エネルギーの分布に依存し、樹脂の収縮率を考慮した最適化が必要である。今年度は液体酸素用に採用した高靭性樹脂による造形を試行し、従来用いてきた樹脂と同様の造形が可能であることを確認した。
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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
サブテーマ１（単ポート燃料の燃焼特性）はデータを取得する圧力範囲においてやや遅れが見られるが、一方でサブテーマ２（ロケットモータの燃焼特性取得）は予定を前倒しで実施しており、全体的には順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
単ポート燃料試料を用いた火炎伝播速度の計測は、R5年度中に目標とする圧力範囲（大気圧から40気圧まで）でのデータ取得を完了したい。ロケットモータの燃焼特性取得については2023年度から本格的に開始する。R5年度は可視化アクリル製燃焼器にノズルを付け、窒素ガス供給により高圧雰囲気を補助する「疑似ロケットモータ」を用いて燃焼実験を行い、複数ポート燃料試料の燃焼特性を観察する。「マルチポート燃料の造形最適化」については、X線CT等を駆使し、ポート径のばらつきが極力少なくなる造形条件の高精度最適化を目指す。R7年度まで継続的に取り組み、他のサブテーマに反映させる。
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