ハイブリッドロケットの酸化剤旋回流を用いた最適混合比と推力の同時制御

• Project/Area Number: 15J08028
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Aerospace engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小澤 晃平 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: ハイブリッドロケット / 酸燃比制御 / 推力制御 / 高機能化 / 推進剤残渣 / 旋回流

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、前年度の強度可変型酸化剤流旋回型ハイブリッドロケット(A-SOFT HR)の定常燃焼実験で得られた燃焼後のグレインを用いて、軸方向後退速度を計測した。計測手法には、予め質量を計測した水をグレインに注ぎ、その水位上昇をレーザー距離計で逐次計測する手法を取った。これによって計測幅間での平均燃料後退量を計測した。本手法により計測値の信頼性及び精度が高まった。更に高い精度を目指す場合、より精度の高いレーザー距離計を使用するか、全く異なる手法を検討する必要があるという知見も得た。
燃焼実験で得られた10ケースの計測結果と、軸流インジェクタを持たない酸化剤流旋回型ハイブリッドロケット（SOFT HR）の燃料後退速度分布を比較し、燃料後退速度の軸方向分布には大きな違いが無いことが確認された。更に、取得した燃料後退速度データと、研究代表者が構築した酸化剤流旋回型ハイブリッドロケット(SOFT HR)の燃料後退速度理論計算の結果を比較し、SOFT HRの後退速度予測理論がA-SOFTに適用可能か調べた。後退速度分布の理論予測値は、前年度実施した全ての実験でよく一致し、本予測手法はA-SOFT HRでも適用可能であることがわかった。
また、本年度は既存の燃料後退速度データから燃料後退速度のランダム誤差をモデル化することで観測ロケットの飛翔計算を更に発展させ、3000回のフライトシミュレーションを実施した。この計算結果から、A-SOFT HRは±3σ以内における従来型HRの到達高度最悪値を5%程度改善するとともに、高い増速の精度を有するため、ハイブリッドロケット推進を高機能化できることがわかった。
また、本研究実績は研究代表者の博士学位論文の一部としてまとめた。本計画終了後、査読付き論文として投稿予定である。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スタンフォード大学(米国)
• [Journal Article] Theoretical prediction of regression rates in swirlinjection hybrid rocket engines (2016)
  • Author(s): K. Ozawa and T. Shimada
  • Journal Title: Progress in Propulsion Physics Volume: 8 Pages: 283-306
  • DOI: 10.1051/eucass/201608283
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Flame Emission Spectroscopy in a Paraffin-Based Hybrid Rocket (2016)
  • Author(s): Keith Javier Stober, Giuseppe Leccese, Pavan Narsai, Kohei Ozawa, and Brian Cantwell
  • Organizer: 67th International Astronautical Congress
  • Place of Presentation: Expo Guadalajara, Guadalajara, Mexico.
  • Year and Date: 2016-09-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Static Burning Tests on a Bread Board Model of Altering-intensity Swirling-Oxidizer-Flow-Type Hybrid Rocket Engine (2016)
  • Author(s): Kohei Ozawa, Tomoaki Usuki, Genki Mishima, Koki Kitagawa, Masato Yamashita, Masato Mizuchi, Shigeru Aso, Yasuhiro Tani, Yutaka Wada, and Toru Shimada.
  • Organizer: 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference
  • Place of Presentation: Salt Palace Convention Center, Salt Lake City, Utah, USA.
  • Year and Date: 2016-07-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mission Requirements for Highly-Functional Hybrid Rocket Demonstration (2016)
  • Author(s): Toru Shimada, Tomoaki Usuki, Akiyo Takahashi, Koki Kitagawa, Kohei Ozawa
  • Organizer: Space Propulsion 2016
  • Place of Presentation: Marriott Rome Park Hotel, Rome, Italy.
  • Year and Date: 2016-05-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] BBM Tests of Thrust and O/F Control for A-SOFT Hybrid Rocket Flight Demonstration (2015)
  • Author(s): Kohei Ozawa, Koki Kitagawa, Tomoaki Usuki, Genki Mishima and Toru Shimada.
  • Organizer: ICFD2015
  • Place of Presentation: 仙台国際センター, 仙台
  • Year and Date: 2015-10-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Flight Performance Estimation for Swirling-Oxidizer-Flow-Type Hybrid Rocket with Swirling Control (2015)
  • Author(s): Tomoaki Usuki, Toru Shimada, Kohei Ozawa.
  • Organizer: ICFD2015
  • Place of Presentation: 仙台国際センター, 仙台
  • Year and Date: 2015-10-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Performance Calculations and Burning Tests on Altering-Intensity Swirling Oxidizer Flow Type Hybrid Rocket Engines (2015)
  • Author(s): Kohei Ozawa, Koki Kitagawa and Toru Shimada.
  • Organizer: 66th International Astronautical Congress
  • Place of Presentation: ICC Jerusalem International Convention Center, Jerusalem, Israel
  • Year and Date: 2015-10-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Flight Performance Simulations of Vertical Launched Sounding Rockets Using Altering-Intensity Swirling-Oxidizer-Flow-Type Hybrid Motors (2015)
  • Author(s): Kohei Ozawa and Toru Shimada.
  • Organizer: 51st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference
  • Place of Presentation: Hilton Orlando, Orlando, USA
  • Year and Date: 2015-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Planning of Fuel Regression-Rate Measurement of Altering-Intensity SwirlingOxidizer-Flow-Type Hybrid Rocket (2015)
  • Author(s): Kohei Ozawa, Koki Kitagawa and Toru Shimada, Genki Mishima and Tomoaki Usuki.
  • Organizer: 30th International Symposium on Space Technology and Science
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場, 兵庫
  • Year and Date: 2015-07-04
  • Int'l Joint Research
• [Book] Hybrid Propulsion Technology Development in Japan for Economic Space Launch (Chemical Rocket Propulsion 内 Section 4.4) (2016)
  • Author(s): Toru Shimada, Saburo Yuasa, Harunori Nagata, Shigeru Aso, Ichiro Nakagawa, Keisuke Sawada, Keiichi Hori, Masahiro Kanazaki, Kazuhisa Chiba, Takashi Sakurai, Takakazu Morita, Koki Kitagawa, Yutaka Wada, Daisuke Nakata, Mikiro Motoe, Yuki Funami, Kohei Ozawa, and Tomoaki Usuki, Luigi De Luca.
  • Total Pages: 31
  • Publisher: Springer