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

2001 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 / 極超音速ジェットエンジン / 空気予冷却 / 着霜 / プリクーラ / メタノール

研究概要

ターボジェットエンジンの飛行領域を極超音速領域まで拡大し、比出力、比推力を向上させるために、取り込んだ空気を熱交換器(空気予冷却器)で冷却してファンに送り込む空気予冷却というシステムが有望である。しかし、このシステムにおいて、主流中の水分が空気予冷却器の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。本研究ではこの問題に対し、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、要素モデルにより実験した。
まず、数種類の凝縮性ガスを主流空気と混入することによって、混入ガスのどの様な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、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。次に、メタノールの主流に対する適正混合比を把握するために、メタノールの混合比を変化させて実験を行い、主流中の水蒸気量に対して、圧力損失の低減という観点からは0.5倍、伝熱性能低下の防止という観点からは1.2倍のメタノールを混合すればよいことが分かった。また、主流の相変化が着霜へどのように影響するかを調べるため、当実験の冷却面温度でも相変化が起きる二酸化炭素を主流として用いて実験を行い、主流の相変化により着霜量は増加するが、これに対してもメタノールの混合は効果的であることを確認した。最後に、具体的なエンジンに搭載する方法についても検討を行い、液体水素を燃料とするスペースプレーン用ターボジェットエンジンにおいては、燃料の約3%のメタノールが必要であることを示した。

研究成果

• [文献書誌] 山城龍馬, 棚次亘弘, 佐藤哲也: "多列管群モデルを用いたプリクーラの着霜実験"航空原動機・宇宙推進講演会講演集. 42. 223-228 (2002)
• [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, T.Sato: "Development Study of a Precooler for the Air-Turboramjet Expander-Cycle Engine"AIAA Journal of Propulsion and Power. 17・6. 1233-1238 (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 International Symposium on Space Technology and Science. (2000)
• [文献書誌] 佐藤哲也, 棚次亘弘他: "極超音速空気吸い込み式エンジン用予冷却器(プリクーラ)の開発研究"日本航空宇宙学会誌(掲載決定). (2002)