2015 Fiscal Year Annual Research Report
ハイブリッドロケットの酸化剤旋回流を用いた最適混合比と推力の同時制御
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15J08028
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小澤 晃平 東京大学, 工学(系), 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2017-03-31
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| Keywords | ハイブリッドロケット / 酸燃比制御 / 推力制御 / 旋回流 / 推進剤残渣 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はハイブリッドロケットを用いた観測ロケットの飛翔計算コードを作成し、酸燃比制御が可能な場合と不可能な場合に分け、飛翔性能を比較した。燃料後退速度が正常な場合の他、系統誤差が発生する場合も計算を行った。その結果、ハイブリッドロケットの燃料消費に系統誤差が発生した場合、酸燃比制御ができない場合には、到達高度は±3σで最大12.8%低下することが明らかになった。性能低下の主要因は酸燃比のシフトにより燃焼ガスの単位質量あたりエンタルピが低下すること、燃焼終了時に推進剤残渣が発生することであった。この結果から、燃料消費に計画値から系統誤差が生じ、ハイブリッドロケットの性能低下の防止には酸燃比制御が有効であることがわかった。
更に、自由な推力制御と酸燃比制御を両立しうる方式として、酸化剤流旋回型ハイブリッドロケット(SOFT HR)を応用し、強度可変酸化剤流旋回型ハイブリッドロケット(A-SOFT HR)を提案し、概念実証した。今年度は定常燃焼実験を実施した。本型式の燃焼器は軸流と旋回流を生ずる2系統のインジェクタを持ち、各インジェクタでの流量を制御することで、旋回強度を自由に変化できる。供給系側で酸素ガス流量を制御し、様々な酸素ガス軸旋回流量比及び総流量で計10ケースの燃焼実験を実施した。エンジンは安定して燃焼し、推力及び酸燃比は酸素ガス軸旋回流量比及び総流量に依存性を持ちつつ、連続かつ単調に変化することが明らかになった。この結果から、燃焼器及びインジェクタ形状を変化させず、酸化剤流の性質を表す2変数で燃料後退速度を変化させることが可能であることを実証した。
本研究実績は研究代表者の博士学位論文の一部としてまとめるとともに、査読付き論文として投稿予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
平成27年度に発生した実験場の一時運用休止によって、燃焼実験自体の実施に支障が生じた。代替の実験場所の確保及び実験準備の再検討を行ったため、平成27年度冬の時点で約半年の遅れが生じた。平成27年度冬に実施した実験によって、定常燃焼におけるA-SOFT HRの概念実証が達成され、当初の目標であった概念実証は最小限度達成された。
計画段階では推力制御実証を実施予定であったが、2016年4月時点で活動拠点の実験場は未だに一時閉鎖されている。本課題の終了時期までに実施できるかは未定であるが、実験実施が可能な体制を準備しておく。
観測ロケットの飛翔計算では、当初の目標であった推進剤消費量の系統誤差の影響の評価まで完了した。しかし、最終的には燃料後退速度のランダムな変化が飛翔性能に影響するかが酸燃比制御の意義に大きくかかわることがわかった。従って、次年度以降も飛翔計算コード開発と性能評価を継続する。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度には、レーザー距離計を用いて、固体燃料グレインの燃料後退速度の軸方向分布を計測するための、より正確な手法を確立する。本手法により得られた燃料後退速度データと、筆者が構築したSOFT HRの燃料後退速度理論計算の結果を比較し、SOFT HRの後退速度予測理論がA-SOFTに適用可能か調べる。
また、酸燃比制御の意義をより深く検証するため、飛翔性能計算を発展させる。実運用上、推進剤の系統誤差は飛翔試験を繰り返すことで修正できるため、技術的成熟によって低減することが可能あると考えられる。しかし、燃料後退速度のランダム誤差は依然として残るものと思われる。従って、酸燃比制御の意義を議論するには後者の影響を評価することが望ましい。平成28年度には、既存の燃料後退速度データから燃料後退速度のランダム誤差をモデル化し、多数回のフライトシミュレーションを実施することで、従来型HR及び酸燃比制御した場合の飛翔性能の確率分布を比較し、酸燃比制御の優位性を明らかにする。
また、並行して、三方弁及び径の異なるオリフィスを用いて旋回・軸方向の各系統の酸化剤流量をエンジン燃焼中に切り替えるという、A-SOFT HRの推力制御技術実証の準備を行う。2016年4月時点で活動拠点の実験場は未だに一時閉鎖されているため、本課題の終了時期までに実施可能性が不透明であるが、できるだけ準備を進める。
また、本研究課題で得た成果を博士学位論文の形でまとめる。
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Research Products
(5 results)
