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

• 研究課題/領域番号: 15J08028
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 航空宇宙工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小澤 晃平 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 2016年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2015年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] スタンフォード大学(米国)
• [雑誌論文] Theoretical prediction of regression rates in swirlinjection hybrid rocket engines (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ozawa and T. Shimada
  • 雑誌名: Progress in Propulsion Physics 巻: 8 ページ: 283-306
  • DOI: 10.1051/eucass/201608283
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Flame Emission Spectroscopy in a Paraffin-Based Hybrid Rocket (2016)
  • 著者名/発表者名: Keith Javier Stober, Giuseppe Leccese, Pavan Narsai, Kohei Ozawa, and Brian Cantwell
  • 学会等名: 67th International Astronautical Congress
  • 発表場所: Expo Guadalajara, Guadalajara, Mexico.
  • 年月日: 2016-09-26
  • 国際学会
• [学会発表] Static Burning Tests on a Bread Board Model of Altering-intensity Swirling-Oxidizer-Flow-Type Hybrid Rocket Engine (2016)
  • 著者名/発表者名: Kohei Ozawa, Tomoaki Usuki, Genki Mishima, Koki Kitagawa, Masato Yamashita, Masato Mizuchi, Shigeru Aso, Yasuhiro Tani, Yutaka Wada, and Toru Shimada.
  • 学会等名: 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference
  • 発表場所: Salt Palace Convention Center, Salt Lake City, Utah, USA.
  • 年月日: 2016-07-25
  • 国際学会
• [学会発表] Mission Requirements for Highly-Functional Hybrid Rocket Demonstration (2016)
  • 著者名/発表者名: Toru Shimada, Tomoaki Usuki, Akiyo Takahashi, Koki Kitagawa, Kohei Ozawa
  • 学会等名: Space Propulsion 2016
  • 発表場所: Marriott Rome Park Hotel, Rome, Italy.
  • 年月日: 2016-05-02
  • 国際学会
• [学会発表] BBM Tests of Thrust and O/F Control for A-SOFT Hybrid Rocket Flight Demonstration (2015)
  • 著者名/発表者名: Kohei Ozawa, Koki Kitagawa, Tomoaki Usuki, Genki Mishima and Toru Shimada.
  • 学会等名: ICFD2015
  • 発表場所: 仙台国際センター, 仙台
  • 年月日: 2015-10-27
  • 国際学会
• [学会発表] Flight Performance Estimation for Swirling-Oxidizer-Flow-Type Hybrid Rocket with Swirling Control (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Usuki, Toru Shimada, Kohei Ozawa.
  • 学会等名: ICFD2015
  • 発表場所: 仙台国際センター, 仙台
  • 年月日: 2015-10-27
  • 国際学会
• [学会発表] Performance Calculations and Burning Tests on Altering-Intensity Swirling Oxidizer Flow Type Hybrid Rocket Engines (2015)
  • 著者名/発表者名: Kohei Ozawa, Koki Kitagawa and Toru Shimada.
  • 学会等名: 66th International Astronautical Congress
  • 発表場所: ICC Jerusalem International Convention Center, Jerusalem, Israel
  • 年月日: 2015-10-12
  • 国際学会
• [学会発表] Flight Performance Simulations of Vertical Launched Sounding Rockets Using Altering-Intensity Swirling-Oxidizer-Flow-Type Hybrid Motors (2015)
  • 著者名/発表者名: Kohei Ozawa and Toru Shimada.
  • 学会等名: 51st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference
  • 発表場所: Hilton Orlando, Orlando, USA
  • 年月日: 2015-07-27
  • 国際学会
• [学会発表] Planning of Fuel Regression-Rate Measurement of Altering-Intensity SwirlingOxidizer-Flow-Type Hybrid Rocket (2015)
  • 著者名/発表者名: Kohei Ozawa, Koki Kitagawa and Toru Shimada, Genki Mishima and Tomoaki Usuki.
  • 学会等名: 30th International Symposium on Space Technology and Science
  • 発表場所: 神戸国際会議場, 兵庫
  • 年月日: 2015-07-04
  • 国際学会
• [図書] Hybrid Propulsion Technology Development in Japan for Economic Space Launch (Chemical Rocket Propulsion 内 Section 4.4) (2016)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 総ページ数: 31
  • 出版者: Springer