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2017 年度 実績報告書

円筒燃料内への軸及び接線方向酸化剤噴射が成す旋回乱流燃焼場の解明

研究課題

研究課題/領域番号 16H04594
研究機関国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

研究代表者

嶋田 徹  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (10332149)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワードハイブリッドロケット / 旋回乱流燃焼 / CFD解析 / POD解析 / 保安距離評価 / 可視化燃焼実験 / 宇宙旅行
研究実績の概要

軸/接線方向の二系統酸化剤噴射が行われる固体燃料円筒流路内に生じる旋回乱流燃焼場の火炎・渦構造を研究する目的で、昨年度実施した可視化燃焼実験結果に対して基本画像解析、多重統計解析および適切な直交分解(POD)を燃焼室の前面と側面の両方から得た燃焼場の画像に適用し、接線方向対軸方向酸化剤流量比がハイブリッド燃焼場に及ぼす時間平均的及び周波数の特性を把握することに成功した。
同様の問題に対して、非定常旋回乱流燃焼(LES)解析を実施し、酸化剤の軸-旋回流量比が異なる2ケースを比較することによって、実験で得た特徴を再現することができることを確認することができた。また、これまで理解が不十分だった燃焼室内部速度場と燃料後退速度、火炎高さの関係について理解を深めることができた。また、本解析によって乱流熱伝導率の評価、低周波燃焼振動の発生メカニズムの評価が可能であることが示唆された。
既往研究の実験データに基づいて、固体燃料の破砕・粉塵化に着目したハイブリッド推進薬の爆発ハザード影響予測数理モデルを構築し、爆風に関する保安距離の評価方法を作成した。他実験と比較してこれらのモデルが良好に当てはまることを示した。
これらの成果をISTS, EUCASS, ICFD,宇宙科学連合講演会等において発表した。
第61回宇宙科学技術連合講演会「宇宙旅行 ~実現への課題と対策~」と題するオーガナイズドセッションにおいて、法律家、経済学、人文学、医学の専門家や、広告・芸能分野の方々による宇宙旅行に関わる発表がある中、ロケット推進系の専門家として宇宙旅行に適するロケットの検討結果を述べた。

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

燃焼実験を可視化する手法を導入し、LES数値解析を実施できたこと、これらの比較を進められたことで当初のどおりに進捗しているのに加え、ハイブリッド推進薬の爆風予測のためのモデルづくりができたことは計画以上に進捗とも言える。

今後の研究の推進方策

軸及び接線方向噴射を用いてハイブリッドロケットの燃焼を能動的に制御する方法を確立するための研究を推進する。そのために必要となる制御則の検討、燃料ポートの拡大を実測するための方法の研究等を進める。そのためにミラノ工科大学で開発されたレジスタ型燃料後退速度センサを評価するための燃焼実験を推進する。また、制御則を用いた制御シミュレーションの実施を推進する。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 17件)

  • [国際共同研究] Politecnico di Milano(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      Politecnico di Milano
  • [雑誌論文] Essentially Non-explosive Propulsion Paving a Way for Fail-Safe Space Transportation2018

    • 著者名/発表者名
      TAKAHASHI Akiyo、SHIMADA Toru
    • 雑誌名

      TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN

      巻: 16 ページ: 1~8

    • DOI

      10.2322/tastj.16.1

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Performance and Regression Rate Characteristics of 5-kN Swirling-Oxidizer-Flow-Type Hybrid Rocket Engine2017

    • 著者名/発表者名
      Sakurai Takashi、Yuasa Saburo、Ando Hideyuki、Kitagawa Koki、Shimada Toru
    • 雑誌名

      Journal of Propulsion and Power

      巻: 33 ページ: 891~901

    • DOI

      10.2514/1.B36239

    • 査読あり
  • [学会発表] Swirling Combustion Flow Field Evaluation of Tangential-Axial Injection Hybrid Rocket by Large Eddy Simulation2018

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Matsuno, Mikiro Motoe, Kei Obata, Nobuhiro Kimura, Koki Kitagawa, and Toru Shimada
    • 学会等名
      Asian Joint Conference on Propulsion and Power
    • 国際学会
  • [学会発表] A Study on High Performance Hybrid Rocket Engine with Multi-Section Swirl Injection Method for Space Propulsion System2018

    • 著者名/発表者名
      Shigeru Aso, Yasuhiro Tani, Ryohei Arakawa, Toru Shimada
    • 学会等名
      2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Essentially Non-explosive Propulsion Paving a Way for Fail-Safe Space Transportation2017

    • 著者名/発表者名
      Akiyo Takahashi, Toru Shimada
    • 学会等名
      31th International Symposium on Space Technology and Science
    • 国際学会
  • [学会発表] Flow Visualization in Combustion Chamber of Altering-intensity Swirling-Oxidizer-Flow-Type Hybrid Rocket Engine2017

    • 著者名/発表者名
      Kei Obata, Toru Shimada
    • 学会等名
      31th International Symposium on Space Technology and Science
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermo-fluid Analysis of Hybrid Rocket with LOX Regenerative Cooling System2017

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Matsuno, Toru Shimada
    • 学会等名
      31th International Symposium on Space Technology and Science
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation of Energy for Detonation Occurrence of Space Propulsion System2017

    • 著者名/発表者名
      Takahashi, A., Shimada, T.
    • 学会等名
      Asia Pacific Symposium on Safety 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Imaging analysis of boundary layer combustion with tangential and radial oxidizer injection in a cylinder2017

    • 著者名/発表者名
      Kei Obata, Toru Shimada and Koki Kitagawa,
    • 学会等名
      7TH EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND SPACE SCIENCES
    • 国際学会
  • [学会発表] Relationship between Swirl Intensity of Flow and Low-frequency Combustion Instability based on Proper Orthogonal Decomposition2017

    • 著者名/発表者名
      Kei Obata, Toru Shimada and Koki Kitagawa
    • 学会等名
      14th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Image Analysis for Velocity Profile Estimation in A-SOFT Hybrid Rocket Combuster2017

    • 著者名/発表者名
      Nobuhiro Kimura, Kei Obata, Koki Kitagawa and Toru Shimada
    • 学会等名
      14th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Parametric Analysis of Combustion Instability in Axial- Injected Hybrid Rocket Motors using Computational Fluid Dynamics2017

    • 著者名/発表者名
      Goutham Karthikeyan and Toru Shimada
    • 学会等名
      53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Validation of Numerical Prediction of Hybrid Rocket Combustion Instability2017

    • 著者名/発表者名
      Goutham Karthikeyan and Toru Shimada
    • 学会等名
      14th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation of Non-steady Combustion Characteristics for Tangential-Axial Injection Hybrid Rocket by Large Eddy Simulation2017

    • 著者名/発表者名
      T. Shimada , T. Matsuno, K. Obata, G. Karthikeyan, M. Motoe
    • 学会等名
      14th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical Analysis of Combustion Field in Hybrid Rocket Motor with Swirling and Axial Oxidizer Injection2017

    • 著者名/発表者名
      Mikiro Motoe, Tomoki Matsuno and Toru Shimada
    • 学会等名
      7TH EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND SPACE SCIENCES
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical Analysis of Entrainment Phenomena in Liquefying Hybrid, Rocket Fuels using CFD2017

    • 著者名/発表者名
      Krishan Yadav and Toru Shimada
    • 学会等名
      14th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Effects of O/F Shifts on Flight Performances of Vertically Launched Hybrid Sounding Rockets2017

    • 著者名/発表者名
      Kohei Ozawa, Toru Shimada
    • 学会等名
      53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Throttling Capability and LOX Vaporization for Hybrid Rocket Engine with Multi-Section Swirl Injection Method2017

    • 著者名/発表者名
      Shigeru Aso, Yasuhiro Tani, Masato Yamashita, Satoru Komori, Tomohiro Yamasaki, Toru Shimada
    • 学会等名
      International Astronautical Congress
    • 国際学会
  • [学会発表] A Theoretical Study on Throttle Ranges of O/F Controllable Hybrid Rocket Propulsion Systems2017

    • 著者名/発表者名
      Kohei Ozawa, Toru Shimada
    • 学会等名
      Fourteenth International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会

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公開日: 2019-12-27  

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