2021 Fiscal Year Annual Research Report
水-金属ハイブリッド推進機内の凝縮性粒子の発生機構解明と推進/環境性能の最適化
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21H01526
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小泉 宏之 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (40361505)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 水 / 超小型推進機 / マグネシウム / 燃焼 / 凝縮性燃焼生成物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の最終目的は，水／金属燃焼ハイブリッド推進機の実現にある．このためには，推進性能と環境適合性の同時最適化が必須であり，いずれも凝縮性燃焼生成物（CCP: Condensed Combustion Products）の低減が鍵となる．そのため，低圧水蒸気とワイヤ金属（マグネシウムあるいはアルミニウム）の燃焼スラスタにおけるCCP発生機構を解明すると共に，推進性能との相互作用を解明する必要がある．これには実験的測定が不可欠であり，本研究はCCPの発生メカニズム解明と推進性能への影響解明により構成される．本年度，CCPの発生メカニズムの解明に向けて、燃焼試験装置に燃焼生成物回収のためのトラップの設計および実装をした。大型の固体生成物は燃焼室下部へ落下させ、小型の固体は流路の途中において気流から落下分離させる。燃焼後気流に含まれる水蒸気は低温トラップにより凝縮分離を行う。さらに、回収した固体生成物に対して、塩酸あるいは水酸化ナトリウム水溶液との反応を利用した水上置換法による残留燃料の測定方法を確立した。また、小型固体生成物に対して、粒径密度・分布の測定方法の開発を進め、レーザー透過法による減衰率による測定およびバックライト法による測定を実施した。これらの結果を元に次年度は粒径密度・分布方法を実施予定である。推進性能の評価に対しては，定常作動方式の確立のため、実験装置の改修およびワイヤ供給装置の新規設計を実施した。燃焼時のワイヤ変形に伴い燃焼先端部が壁面に接触することによる燃焼停止を抑止する設計を取り入れた。ワイヤ供給気の新規設計は、ワイヤ送り速度を高め、かつ細いワイヤへ対応させることで、これまで試験できなかったパラメータ領域の探索を可能とするものである。
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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
燃焼生成物の評価方法については、計画の範疇内の速度で進んでいる上、当初の計画よりも測定項目を多くとる（凝縮性生成物の成分分析および燃焼ガスからの水蒸気分離）ことにより詳細な考察を進めることができる見込みといえる。一方、ワイヤ燃焼自体の定常作動については、大きな困難にはぶつかってはおらず、着実な進展を見せてはいるが計画よりは進展速度が遅い。一方、３Dプリンタを活用した装置の自作技術等が上がり、新規のワイヤ供給機構が設計されるなどプラスの点もあるため、トータルで見て「おおむね順調に進展している」といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度の前半において、改修した実験装置を用いてパラメータ（圧力、流速、ワイヤ直径）領域を拡大させ、かつ、燃焼試験燃焼後生成物の補修機構による測定評価を行うことで、本研究の提唱する燃焼の特性を明らかにする。同時に、凝縮性生成物の密度・粒径分布の測定を光学的に（レーザーあるいはバックライト）で明らかにし、その発生機構の解明ならびに抑制方法の考案を行う。その後、現在の燃焼観察のための燃焼室に対して、加速を行うためのノズルを有する可視化スラスタを構築する。これにより、推進性能に関する諸量（密度、流速、運動量）の評価を行い、推進システムとしての性能検討を行う。
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