| 研究課題/領域番号 |
25289308
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 研究機関 | 宮崎大学 |
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研究代表者 |
各務 聡 宮崎大学, 工学部, 准教授 (80415653)
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| 研究分担者 |
橘 武史 九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50179719)
堀澤 秀之 東海大学, 工学部, 教授 (30256169)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 試作評価 |
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| 研究概要 |
当該年度は，提案する推進機，すなわち，作動の中断と再開を含めたスロットリングをレーザ加熱により実現するマイクロスラスタの試作評価を行った．はじめに，スロート直径を0.25平方ミリメートル，設計推力室圧力を0.3 MPaとしてマイクロスラスタを試作した．その結果，簡易真空容器内の実験において，推力生成の中断と再開をレーザ加熱により調整できた．一方で，燃焼が不安定で，1～2Hz程度の周波数でピーキーな推力生成が繰り返し認められた．この原因を解明するために，レーザ導入窓付きのストランドバーナを用いて，燃焼速度と雰囲気圧力の相関を調べたところ，0.18～0.5 MPaの領域にて燃焼が不安定となった．
そこで，性能と推力が若干低下するが，ノズルのスロート断面積を0.75平方ミリメートルにまで拡大し，設計推力室圧力を0.03 MPaとし，また燃焼室体積を大きくすることにより燃焼の安定化を図った．その結果，不安定性を完全に無くすには至らなかったが，レーザ照射から燃焼の開始までの遅れを短縮し，推力の変動周波数を低下させ比較的安定した推力生成を実現するに至った．なお，以上の成果は，アメリカ合衆国カリフォルニア州サンノゼで開催された49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibitと神奈川県相模原市にて開催された宇宙輸送シンポジウムにて発表している．
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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
当該年度は，1)真空チャンバーの購入など実験環境の構築，2)提案する推進機を試作して真空雰囲気下における作動の実証と性能の評価を行っていることから，まずまず進んでいると言える．実験環境の構築に関しては，真空チャンバーを設置し試運転まで行っている．また，高い推力変動の計測を行うことができる推力測定装置をこれまで研究してきたが，この測定装置を当該研究に投入できるまでブラッシュアップさせるに至っている．よって，実験環境の構築についても順調あると言える．
推進機の性能評価では，推力測定を実施し，真空雰囲気下においても提案する推進機が作動できることを示し，性能を評価している．一方で，まだ推進機の完全な安定作動には至っていないが，燃焼室体積（すなわち燃焼室特性長L*）により安定性を向上できることを示し，今後の改良の指針を得ている．
未だ研究成果としてまだ現れていないが，推進機の製作に関するノウハウを確立した．燃焼室に関しては，これまでアクリルを加工してきたが，隙間が生じるためガスが逃げ着火遅れにつながっていた．そこで，レジンを注入し隙間を埋めることにより着火前の燃焼室圧力を高め着火遅れを防止することを発案し，レジン注入の予備実験を行った．また，廉価で有りながら精度に優れるステッピングモータを用いたトラバース装置を試作し，レーザヘッドを移動させることにより，移動速度の精度を向上させ正確な測定を実現した．
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| 今後の研究の推進方策 |
先述の通り，試作機を用いて真空環境下において提案する推進機の作動を実証したが，燃焼が不安定であり，以前としてレーザ加熱開始から点火に至るまでの遅れ時間が長い．遅れ時間と安定性はスロットリングにとって重要なパラメータであることから，速やかな着火と燃焼の安定化が急務であると考えられる．そこで，固体推進薬とプロペラントホルダの間の気密性を高め，レーザ加熱開始直後の局所圧力を高めることにより，点火遅れ時間の短縮を図る．また，燃焼の安定化のために，L*や設計推力室圧力をパラメータとして，推進機の試作評価を行う．
このほかにも，温度分布計測により作動が不安定となる理由を解明する．ストランドバーナ試験では，0.03～0.18 MPaの雰囲気圧力下で安定した燃焼が得られているのにもかかわらず，推進機の推力室圧力が0.18 MPa以下であったであるにもかかわらず，推力室圧力や推力が不安定であった．一般に，固体推進薬の燃焼速度は，固相温度にも影響を受けることを考えると，固相の温度分布が複雑になっていることが原因と考えられる．すなわち，固相の温度分布が不均一であるため，温度が高い固相が燃えると燃焼速度が高くなり，逆に低温領域の固体推進薬が燃焼すると燃焼速度が低下し推力室圧力が低下していると考えられる．そこで，当該年度において固相の温度計測を実施する．
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| 次年度の研究費の使用計画 |
当初の使用計画よりも少なく済んだ理由として，備品費を抑制できたことが挙げられる．当初の計画では，備品として真空チャンバーとレーザ駆動用電源の2つを購入する計画であった．しかし，外部端子を用いて制御可能なレーザ駆動用電源を借り受けることができたため，予算の有効利用の観点から購入を取りやめた．また，真空チャンバーについても，将来の拡張性を考えてフランジの数を計画当初の数のままにしたが，観察窓数を減らすことにより予算を抑制することができた．
1,125,478円については，今年度の予算と合わせ，推進薬のリアルタイム温度計測に使用するための測定機器を購入する予定である．昨年度までの研究で急速な推力変動が見られ燃焼速度が変動していると推測される．一方で，ストランドバーナのような理想環境下では起こっていない．固体推進薬の燃焼速度が，圧力と固相の温度に依存することを考えると，固相の温度測定は急務である．そこで，今年度はサーモグラフィーカメラを購入し，燃焼中の固相温度の空間分布の時間変化を計測する．
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