| 研究課題/領域番号 |
20J21547
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
秋山 茉莉子 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| キーワード | 小型推進機 / マグネシウム / 水 / 燃焼速度 / 着火電力 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，燃料にマグネシウムワイヤ，酸化剤に水を用い，それらの燃焼エネルギーを推進力に変換する小型宇宙機向けの推進機を研究対象としている．当該推進機の実現に向け，令和3年度は，1)マグネシウムワイヤの燃焼速度取得， 2)マグネシウムワイヤ端面着火電力の取得，3)新実験系の構築，という3点の進捗を得た．
1) 昨年度までに構築したマグネシウムワイヤと水蒸気を定常的に燃焼器外部から供給できる実験系を用い，最初にマグネシウムワイヤが水蒸気流中で持続燃焼するパラメータの探索を行った．マグネシウムワイヤに対する水蒸気流の向きや水蒸気流速を変更した．作動点の発見後は，その点を基準として燃焼器圧力を60 kPa程度に保ちつつ水蒸気流速をさらに変更し，流速に対するマグネシウムワイヤの燃焼速度を取得した．燃焼速度は流速に対して概ね比例の関係を示した．この結果を他の先行研究と比較し，考察を行った．以上の結果について，国際学会2件で発表した．
2) 1)と同じ実験系を用いて，水蒸気流中でマグネシウムワイヤの一端を相手の電極との放電により着火するために必要な電力を取得した．着火電力はおおむね10 W程度であり，小型推進機として賄えうる電力帯であることが判明した．以上の結果について，国内学会1件で発表した．
3) 1)2)で用いた実験系を，燃焼速度や圧力以外のパラメータを取得できる系に改良し，同時に，新しく取得できるパラメータによる解析について定式化した．燃焼ガスの温度や，マグネシウムワイヤと実際に反応した水蒸気量，燃焼後の生成物の組成等がわかるようになり，推進機設計に必要なパラメータをさらに取得できるようになる見込みである．
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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
本研究は，燃料にマグネシウムワイヤ，酸化剤に水を用い，それらの燃焼エネルギーを推進力に変換する小型宇宙機向けの推進機を研究対象としている．当該推進機の実現に向け，令和3年度は，1)マグネシウムワイヤの燃焼速度取得， 2)マグネシウムワイヤ端面着火電力の取得，3)新実験系の構築，という3点の進捗を得た．
1) 昨年度までに構築したマグネシウムワイヤと水蒸気を定常的に燃焼器外部から供給できる実験系を用い，最初にマグネシウムワイヤが水蒸気流中で持続燃焼するパラメータの探索を行った．マグネシウムワイヤに対する水蒸気流の向きや水蒸気流速を変更した．作動点の発見後は，その点を基準として燃焼器圧力を60 kPa程度に保ちつつ水蒸気流速をさらに変更し，流速に対するマグネシウムワイヤの燃焼速度を取得した．燃焼速度は流速に対して概ね比例の関係を示した．この結果を他の先行研究と比較し，考察を行った．以上の結果について，国際学会2件で発表した．
2) 1)と同じ実験系を用いて，水蒸気流中でマグネシウムワイヤの一端を相手電極との放電により着火するために必要な電力を取得した．着火電力はおおむね10 W程度であり，小型推進機として賄えうる電力帯であることが判明した．以上の結果について，国内学会1件で発表した．なお，マグネシウムワイヤの着火電力を可変にできるよう放電回路の変更を試みたものの，目標期間で達成できなかったこと，本課題に対して必須の変更ではないことを加味して中断した．
3) 1)2)で用いた実験系を，燃焼速度や圧力以外のパラメータを取得できる系に改良し，同時に，新しく取得できるパラメータによる解析について定式化した．燃焼ガスの温度や，マグネシウムワイヤと実際に反応した水蒸気量，燃焼後の生成物の組成等がわかるようになり，推進機設計に必要なパラメータをさらに取得できるようになる見込みである．
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| 今後の研究の推進方策 |
令和4年度は，1)水蒸気流中におけるマグネシウムワイヤの燃焼物理解明，2)小型推進機の実験室モデル構築と性能測定，を主な研究課題とする．
1) 昨年度までに構築した新たな実験系を用い，燃焼ガスの温度や，マグネシウムワイヤと実際に反応した水蒸気量，燃焼後の生成物の組成等を取得する．これにより，燃焼評価に必要な特性排気速度等を計算できるようになる見込みである．そのほか，燃焼の様子の拡大撮影も組み合わせることで，マグネシウムワイヤの燃焼速度以外にも取得できる情報が増え，燃焼物理の解明に至れると想定される．
2) これまでの研究結果を踏まえ，小型衛星の実機サイズを意識した小型推進機の実験室モデルを設計・構築する．本研究では推進機に必要なノズルについて取り扱った経験がないが，研究室にて別種の小型推進機に搭載したノズルを参考にし，当該推進機に向けたノズルを設計・製造する．同時に，推力測定系を構築し，推力直接測定を行う．推力測定についても，申請者は別種の小型推進機で経験があり，その知見を活かしながら実験系を構築する予定である．これらを用い，小型推進機の推力直接測定を行う．
以上の成果について，国際学会1件（採択済み），国内学会1件での口頭発表，および，論文誌への投稿を予定している．
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