極低温冷媒を用いた空気予冷却器の着霜防止に関する研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12750814
• 研究機関: 宇宙科学研究所
• 研究代表者: 佐藤 哲也 宇宙科学研究所, 宇宙推進研究系, 助手 (80249937)
• キーワード: スペースプレーン / 空気吸い込み式エンジン / 空気予冷却器 / 着霜 / 凝縮性物質 / プリクーラ

研究概要

将来のスペースプレーン用空気吸い込み式エンジンに必要不可欠な空気予冷却器(プリクーラ)において、主流中の水分が冷却面で凝結して伝熱性能を劣化させることが問題となっている。そこで、本研究では予冷却器表面の着霜を低減するために、一列管群小型プリクーラモデルを用いて実験的に防止方法を研究した。
まず、着霜特性を定量的に把握するために、主流温度、冷却面温度、主流空気速度および湿度等をパラメトリックに変化させて試験を行った。また、供試体伝熱面の一部をナフタレンで製作し、その昇華速度を計測し、Chilton-Colburnの相似則を用いて熱伝達係数を推定した。さらに、主流空気中に凝縮性ガスを混入することにより、霜層内部の空隙を充填し密度を増加させ霜層厚さの成長を緩和する方法を提案し、試験した。試験方法は、主流中にあらかじめ凝縮性物質を予混入しておき、液体窒素で冷却された管群に向かって主流を流す。管群に付いた霜層の重量、密度、成分をマイクロシリンジ電子天秤、小型カメラを用いて測定した。その結果、凝縮性ガスを主流水蒸気とほぼ等量混入することによって、冷却面での霜層密度が増加し、伝熱効率の向上、圧力損失の低減が確認された。数種類の凝縮性ガスを混入することによって、混入ガスのいかなる性質が重要であるかを調査し、アルコールが効果的であり、中でもメタノールが最適であることを示した。また、その着霜低減のメカニズムを解明し、物質の親水性と融点降下作用が非常に重要であること、冷却面の温度によって着霜軽減メカニズムが異なることを明示した。さらに、具体的なエンジンへの応用を考え、凝縮性ガスの混入方法、混入重量等を検討した。

研究成果

• [文献書誌] T.Sato,N.Tanatsugu,ET,AL.: "Development Study on ATREX Engine"Acta Astronautica. 47・11. 799-808 (2000)
• [文献書誌] K.Harada,N.Tanatsugu and T.Sato: "Development Study of a Precooler for the Air-Turboramjet Expander-Cycle"Journal of Propulsion and Power. 17・5(掲載予定). (2001)
• [文献書誌] 佐藤哲也,棚次亘弘 他: "ATREXエンジンの研究開発状況"航空原動機・宇宙推進講演会講演集. 41. 56-61 (2001)
• [文献書誌] T.Sato,N.Tanatsugu,ET,AL.: "Development Study on the Precooler of ATREX Engine"22nd Intermational Symposium on Space Technology and Science. (2000)
• [文献書誌] 木村竜也,棚次亘弘,佐藤哲也: 航空原動機・宇宙推進講演会講演集. 41. 225-230