| 研究課題/領域番号 |
20K04926
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| 研究機関 | 東京都市大学 |
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研究代表者 |
桃沢 愛 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (70575597)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | アーク加熱風洞 / 再突入環境 / 熱防御システム / 動的酸化 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、宇宙往還機の熱防御システム（TPS）開発に用いる、小型コンストリクタ型アーク加熱風洞の開発を行っている。また、並行してZrB2-SiCを中心として、TPSに用いる超高温セラミックス材料による耐熱タイルの開発も行っている。
本年度もコロナ禍による大学構内への入構制限や学外実験遂行が不可能であったために、当初予定通りの実験を行うことができなかった。
加熱風洞の構築については、セットアップ終了後アーク放電の点火条件についてジルコニウムカソード及びアルゴンガスを用いて調査を行った。その結果、投入電力については流量1slmの場合には20A程度まで点火し、超音速のアルゴン気流を流すことに成功した。
気流の適正膨張については、ジルコニウムカソードでは適正膨張せず、安定したプラズマトーチを保持できなかった。この問題は、誘導加熱炉を用いて様々な実験条件でZrN皮膜カソードを用いることにより解決した。一方、アノード側で放電の場所が安定しないという問題が発生しため、こちらについて今後検討していく必要がある。
作製試料の焼結性については、誘導加熱炉のみによる焼結は、高密度の試料作製が困難であった。TPS材料として用いるためには、試料の高密度化は不可欠であるため、引き続き作製方法を検討していく。また、ホウ化物と炭化物セラミックスの複合材料であるが、その反応の特徴の理解と軽量化を目指してそれぞれ他の物質での検討を開始した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
今年度も引き続き、コロナ禍による入構制限及び学外施設使用不可のため、実験が思うようにできなかったが、一定の進捗は見られた。
アーク加熱風洞の構築については、構築後に電源系に不具合が多かったため、不具合の解明と再構築を行った。その後、アーク放電の点火条件についてジルコニウムカソード及びアルゴンガスを用いて調査を行った。一方、カソードの窒化については、これまで用いていたマイクロ波プラズマ放電管によるジルコニウムカソード表面の窒化ではN原子の欠乏した不安定な被膜しか作成できなかったため、本研究では誘導加熱炉を用いてより安定性に優れるカソード作製方法に変更した。その結果、適正膨張し、安定したアルゴンプラズマ気流が実現した。現在はZrN被膜の電気的・熱的特性の評価を行うために、様々な作製条件での被膜作成を試みている。
ZrB2-SiCサンプル作製については、誘導加熱炉での試料作製を試みたが、CIPやバインダーを用いないでのサンプル作製法では高密度の焼結体作製は困難であった。
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| 今後の研究の推進方策 |
アーク加熱風洞構築については、アルゴンによるプラズマトーチの長時間保持を目指し、システム全体の再検証を行う。今後酸素を含む気流によるTPSの動的酸化実験実現のために、ZrN被膜カソード作製の実験プロセスを確立し、その特性を測定する。また、銅アノードについてはレーザーCVD法による表面コーティングを用いて、エロージョンを防ぐ被膜生成を試みる。被膜材料についても検討を行う。
TPSについては、今後放電焼結加工（SPS）法およびアーク溶解炉を使用しての実験が可能になるため、これらの焼結法を用いて、高（相対）密度で耐熱、耐酸化性の高い耐熱タイルの開発を行う。また、TPSの軽量化を目指して、ZrB2-SiCの参加メカニズムを参考にして、他のセラミックス材料を用いて、耐酸化性の高い試料作製を試みる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ禍により海外出張が不可能であったこと、および風洞構築については装置設備の不具合により、助成金使用が当初予定とは異なってしまった。次年度はサンプル加熱ホルダー作製、試料作製消耗品およびドイツ・シュツットガルト大学との共同実験及び打ち合わせの旅費に使用予定である。
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