| 研究課題/領域番号 |
23K22993
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01725 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分25020:安全工学関連
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| 研究機関 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
伊里 友一朗 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (90794016)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2024年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2023年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)
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| キーワード | 化学推進 / 化学反応 / 自着火 / 液相反応 / 詳細反応モデル / 量子化学計算 / 詳細反応モデリング |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は2液式宇宙機推進剤であるヒドラジン/四酸化二窒素混合系が呈する衝撃波を伴うような激しい自着火(ハードスタート)のメカニズムについて、化学反応・数値流体シミュレーションおよび高速度撮影から考察するものである。申請者が独自に研究開発してきた量子化学計算を応用した純理論的反応機構解析技術を溶液反応解析に一般化し、この手法を活用することでヒドラジン/四酸化二窒素２液式推進剤の自着火現象に関する化学反応論的理解を得る。加えて流体シミュレーションや高速度撮影を用いて、ヒドラジン/四酸化二窒素の2液混合から自着火に至る過程を詳細解析・測定する。
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| 研究実績の概要 |
本研究は化学反応/流体シミュレーションおよび液滴/プール衝突混合実験からヒドラジン/四酸化二窒素系推進剤が呈する衝撃波を伴うような激しい自着火(ハードスタート)のメカニズムについて考察することである。ヒドラジン/四酸化二窒素系推進剤を使用したスラスタ技術は，長い運用実績の過程で洗練化されてきたが，ハードスタート問題は未だに十分に回避されているとは言い難く、発生機構の反応論的理解に基づいたハードスタート防止技術が強く求められていた。
2023年度は量子力学/連続誘電体モデル(QM/PCM)法に基づいたヒドラジン/四酸化二窒素混合系の液相中における詳細反応モデルと気相反応モデルを錬成した気・液同時の詳細反応シミュレーションを達成した。液相反応に関する拡散過程や活性化過程を考慮した速度定数モデリングが可能になった。シミュレーション結果より、ヒドラジン/四酸化二窒素系推進剤の着火過程は気/液で全く異なる化学反応機構に基づくことが明らかになった。
一方、QM/PCM法に基づいた速度定数の推算において理論的課題(統計熱力学に基づく分配関数の定式化)があることが発見された。2024年度はこの理論的課題を解決することでQM/PCM法に基づいた液相中の反応速度定数推算技法を完成させ、これを用いたヒドラジン/四酸化二窒素混合系の液相詳細反応モデリングを達成する。
2023年度はヒドラジン/四酸化二窒素の液滴/プール衝突混合実験を実施し、衝撃波発生挙動のシュリーレン高速度撮影を達成することができた。2024年度は高速度撮影結果を解析し、衝撃波発生機構について考察する。加えて、接液条件を各種変更した衝突混合実験を行うことで実験的にハードスタート発生条件を模索する。さらに粒子法を用いた流体シミュレーションにより2液の混合状態を計算し、起爆直前のヒドラジン/四酸化二窒素の液体混合状態を解析する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2023年度は、量子力学/連続誘電体モデル(QM/PCM)法に基づいたヒドラジン/四酸化二窒素混合系の液相中における詳細反応モデルと気相反応モデルを錬成した気・液同時の詳細反応シミュレーションを達成することができた。液相反応に関する拡散過程や活性化過程を考慮した速度定数モデリングが可能になった。しかし、当該シミュレーションモデル構築で使用したQM/PCM法に基づいた速度定数推算法において理論的課題(統計熱力学に基づく分配関数の定式化)があることも発見された。当初計画では2024年度は構築した詳細反応モデリング技法と流体シミュレーションを錬成させながら、ヒドラジン/四酸化二窒素混合系の着火衝撃現象について理論的にアプローチする予定であったが、反応シミュレーションにおける理論的課題を解決する必要があり、遅れが生じている。
理論的にはやや遅れているが、実験的には想定以上の進捗速度でデータ収集を行うことができている。2023年度は、2022年度に引き続きヒドラジン/四酸化二窒素の液滴/プール衝突混合実験を実施し、衝撃波発生挙動のシュリーレン高速度撮影を達成することができた。これを詳細解析することで衝撃波発生源、すなわち着火衝撃発生点を特定できると考えられる。2024年度は既存データの詳細解析を進めると共に、接液条件等を各種調整した衝突混合実験を行うことで実験的にハードスタート発生条件をさらに探求する。
このように理論的アプローチの方面で、理論的課題が発見されたことにより想定よりも遅れているが、実験的検討は順調であるので、「おおむね順調に進呈している」と判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
第一に液相反応シミュレーションモデル構築にするQM/PCM法に基づいた速度定数推算法の理論的課題を解決する。その解決の糸口についてはつかめており、このモデリングと検証が第一の作業となる。具体的には液相中で制限された分子の並進運動や回転運動をモデル化して、分子分配関数を定式化し、これを遷移状態理論に適用することで液相反応の速度定数モデリング技法を更新する。この新しい技法を用いた詳細反応モデリングを達成し、気液両相の反応シミュレーションを行う。
実験的には引き続きヒドラジン/四酸化二窒素の液滴/プール衝突混合実験を実施する。2024年度に取得した高速度撮影画像を解析し、衝撃波発生機構について考察する。加えて、接液条件を各種変更した衝突混合実験を行うことで実験的にハードスタート発生条件を模索する。さらに粒子法を用いた流体シミュレーションにより2液の混合状態を計算し、起爆直前のヒドラジン/四酸化二窒素の液体混合状態を解析する。
上記の通り、計算的手法および実験的手法の2方面からヒドラジン/四酸化二窒素混合系が呈する衝撃波を伴うような激しい自着火(ハードスタート)のメカニズムについて考察する。
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