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2018 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 / 燃焼振動予測 / CFD解析 / 燃料後退速度計測 / 可視化燃焼実験 / 宇宙旅行
研究実績の概要

ハイブリッドロケットモータの流動と燃焼の時間的安定性特性を評価するための数学モデルおよび評価のためのプログラムを作成した。モデルは、1)流れ場シミュレーションのためのオイラー方程式を使用した準一次元気体力学モデル、2)化学平衡を用いた化学モデル、3)火炎から固体燃料への熱伝達に関する非定常熱フィードバックモデル、4)固体燃料内部の一次元熱伝導モデルからなる。非定常熱フィードバックに時間遅れ考慮することにより、燃焼・流動系の全モードを励起するとともに、適切なモデルパラメータの値を選定することによって、実験における非線形リミットサイクル振動の振幅を予測することが可能であることを示した。
平成28年度に実施した燃焼試験で用いた機材を修正し、酸化剤として液体酸素を噴射器上流における熱交換器を通じて気化して旋回噴射した。燃料後退速度や燃焼状況が変化する様子を可視化実験によって収録し、昨年度より検討してきた輝炎の流速に基づいて燃料後退速度の関係式を導くことに成功した。また、事前気化の温度によって変化する燃焼の様子や燃料後退速の特性が把握できた。
昨年度作成したWAX燃料を充填するための装置を用いて燃料グレインを成形する製造手順を確立した。
酸化剤の軸及び接線噴射量を操ることでハイブリッドロケットの推力とO/F比をフィードバック制御するための制御則を作成した。
レジリエントな宇宙旅行に適するハイブリッドロケットシステムについて検討した。
これらの成果をハイブリッドロケットシンポジウム,ICFD,宇宙科学連合講演会において発表した。

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

レジスタ型燃料後退速度センサーの実験のためのWAX燃料製造手法が確立したこと、簡易なCFDで特性を静的及び非定常の燃焼特性を評価するための手法が確立したこと、A-SOFT方式の制御のための制御則を導いたこと、液体酸素を事前気化した燃焼試験を開始したことなど、当初の計画に沿って概ね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

今後は、ミラノ工科大学のレジスタ型燃料後退速度センサーを組み込んだ燃焼実験を実施すること、A-SOFT方式の制御則を用いたシミュレーションを実施し成果をまとめることを推進する。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 7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] A theoretical study on throttle ranges of O/F controllable hybrid rocket propulsion systems2018

    • 著者名/発表者名
      OZAWA Kohei、SHIMADA Toru
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Science and Technology

      巻: 13 ページ: 1-18

    • DOI

      10.1299/jfst.2018jfst0031

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Image analysis for velocity profile estimation in A-SOFT hybrid rocket combustor2018

    • 著者名/発表者名
      KIMURA Nobuhiro、OBATA Kei、KITAGAWA Koki、SHIMADA Toru
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Science and Technology

      巻: 13 ページ: 1-15

    • DOI

      10.1299/jfst.2018jfst0029

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Numerical Parametric Analysis of Combustion Instability in Axial-Injected Hybrid Rocket Motors2018

    • 著者名/発表者名
      Karthikeyan Goutham、Shimada Toru
    • 雑誌名

      Journal of Propulsion and Power

      巻: 34 ページ: 1542~1552

    • DOI

      10.2514/1.B36826

    • 査読あり
  • [学会発表] A Study on O/F Shift of Aft Counter-Swirl Oxidizer Injection with Multi-Section Swirl Injection Method for Hybrid Rocket2019

    • 著者名/発表者名
      Shohei Saiga, Atsushi Shirahama, Shigeru Aso, Yasuhiro Tani, Toru Shimada
    • 学会等名
      AIAA Scitech 2019 Forum
    • 国際学会
  • [学会発表] ハイブリッドロケット推進薬の爆風に対する保安距離の定量評価に関する数理モデルの構築2018

    • 著者名/発表者名
      髙橋 晶世, 北川 幸樹, 嶋田 徹
    • 学会等名
      第62回宇宙科学技術連合講演会
  • [学会発表] レジリエントな宇宙旅行のためのロケット2018

    • 著者名/発表者名
      嶋田 徹
    • 学会等名
      第62回宇宙科学技術連合講演会
  • [学会発表] Verification of CFD modeling of hybrid rocket combustion instability with experimental results2018

    • 著者名/発表者名
      Goutham Karthikeyan, Toru Shimada
    • 学会等名
      15th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Error Propagation Analysis in Mixture-Ratio-Contolled Throttling in Hybrid Rocket2018

    • 著者名/発表者名
      Toru Shimada
    • 学会等名
      15th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] O/F Ratio Measurement for Hybrid Rocket Engine Feedback Control2018

    • 著者名/発表者名
      Jerome Messineo, Koki Kitagawa, Toru Shimada
    • 学会等名
      15th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental study of O/F Control of A-SOFT Hybrid Rocket2018

    • 著者名/発表者名
      D Kishizato, Y Koinuma, I. Nakagawa, K. Kitagawa, N. Kimura, T. Shimada
    • 学会等名
      15th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Proposal of Flight Demonstration of A-SOFT Hybrid Rocket Using Souinding Rocket2018

    • 著者名/発表者名
      Koki Kitagawa and Toru Shimada
    • 学会等名
      15th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantitative Evaluation of Blast Safety Distance for Hybrid Rocket Propellants2018

    • 著者名/発表者名
      Akiyo Takahashi, Koki Kitagawa, Toru Shimada
    • 学会等名
      15th International Conference on Flow Dynamics
    • 国際学会

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公開日: 2019-12-27  

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