超小型衛星・航空機用マイクロ液体スラスターの試作研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555267
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 高橋 厚史 九州大学, 大学院・工学研究院, 助教授 (10243924)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 浅野 種正 九州工業大学, マイクロ化総合技術センター, 教授 (50126306) ; 八坂 哲雄 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (80261238) ; 永山 邦仁 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (20040446)
• Keywords: マイクロマシン / マイクロチャンネル / 白金触媒 / 過酸化水素水 / 推力測定

Research Abstract

重量1kg以下の航空宇宙機の位置および姿勢を制御するためのマイクロスラスターの開発を行った。特に、燃料として自由度の大きな液体を採用することを前提条件として、グラムオーダーの重量とともに、100秒以上の比推力を持つスラスターを目指して各種の改良を試験した。具体的には、高濃度過酸化水素水を用いたモノプロペラント方式とし、特にマイクロシステムにおいて触媒やヒーターを利用する手法を開発しながら相変化を含む熱流体力学的現象について検討した。
今年度は最終年度ということもあり、超小型衛星で制限の厳しい電力消費の低減を狙って白金触媒の積極的な利用方法について試験を行いそのスラスターとしての性能を得た。製作はマイクロマシン技術を用いて、シリコンウエハ上に微細な溝を形成した上で、その溝の内壁を多孔質化する手法を開発した。LPCVDによるシリコン窒化膜を陽極化成時のマスクとすることで、溝の内面のみに直径2ミクロン深さ5ミクロン程度の密な孔構造を形成できることがわかった。さらに、この多孔質面上に湿式の白金堆積を行い、前駆体の濃度に応じた種々の触媒チャンネルの形成を行った。液体燃料スラスターの反応室としての性能を調べるために、多孔質化していないマイクロチャンネルに白金蒸着を施したもの、多孔質へ蒸着したもの、多孔質へ3通りの粒子状白金触媒を堆積させたものを比較した。
比較の方法は、低温での酸素発生実験と、ヒーターを援用する高温での推力計測実験である。結果としては、多孔質の効果と粒子状触媒の効果をともに確認できたが、低温と高温では粒子状触媒の堆積形状の影響に違いが見られた。その原因は相変化の起こっている本システムの特徴であると考察している。最後に、高濃度過酸化水素水燃料を用いたマイクロスラスターの基礎実験として、得られた比推力は不十分であるものの、製作法と現象理解がともに進展したものと結論できる。

Research Products

• [Publications] K.Takahashi: "Modeling of Surface Tension in Fluidic MEMS Using the Level-Set Method"Technical Proceedings of 2003 Nanotechnology Conference and Trade Show, San Francisco, 2003. 182-185 (2003)
• [Publications] Sotowa, Miyagawa, Zhao, Kusakabe, Morooka, K.Takahashi: "Fabrication of a Microevaporator Equipped with a Piezoelectrically-Driven Diaphragm Pump"J. CHEMICAL ENGINEERING OF JAPAN. 36-1. 7-13 (2003)
• [Publications] 尾崎靖彦, 高橋厚史: "超小型人工衛星用液体燃料型マイクロスラスタの熱流体現象"電気学会論文誌E. 123-10. 436-441 (2003)
• [Publications] K.Takahashi, Ikuta, Nagayama, Takaka, Asano: "SIMPLE FABRICATION OF HYDROPHOBIC SURFACE FOR HIGH-TEMPERATURE MICROSYSTEMS"Micro Total Analysis Systems 2003. 1. 503-506 (2003)
• [Publications] H.Ebisuzaki, K.Takahashi: "DESIGN AND TESTING OF MULTI-PULSE MEMS SOLID ROCKET"Technical Digest Power MEMS 2003. 149-152 (2003)
• [Publications] Y.Dan, M.Kishida, T.Ikuta, K.Takahashi: "Catalytic Porous Silicon for Micro-Spacecraft Propulsion"Technical Digest Power MEMS 2003. 153-156 (2003)