2026-03-13T17:49:17Z https://ir.soken.ac.jp/oai

oai:ir.soken.ac.jp:00001661 2023-06-20T15:57:33Z 2:427:13

HAN系液体推進剤の燃焼に関する研究－燃焼機構の解明およびスラスタの開発－勝身, 俊之カツミ, トシユキ KATSUMI, Toshiyuki Hydroxylammonium nitrate (HAN)系溶液はヒドラジンにとってかわる、衛星の 姿勢制御スラスタ用一液性推進剤として有望視されている。硝酸アンモニウム (AN)、メタノール(MeOH)と水を含む一液性推進剤用の溶液は燃焼特性が適度で、 凝固点が十分に低く、高密度、低毒性、そしてヒドラジンと比べ性能の指標と されるp*Ispが70%高いことが特長である。しかしながら、このHAN系溶液は、 一般的に高圧力下において、非常に高い燃速を示す。そのため、爆発事故もい くつか報告されており、実用化には至っていない。燃焼の制御技術を確立する ためには、燃焼メカニズムの詳細な把握が必要であるが、未だ解明されていな い。近年、HAN系溶液にメタノールを添加することでその燃速が抑制されるこ とが報告されたが、その作用メカニズムについても解明されていない。 　そこで、本研究では、HAN系溶液の燃焼メカニズムを把握し、燃焼速度を左 右する要素を明らかにすると共に、メタノールが作用するメカニズムを解明す ることを目的とする。さらに、HAN系溶液をヒドラジンで実績のあるスラスタ システムに適用するため、試験用スラスタにより各種設計パラメータの取得も 並行して行う。 　供試体として、推進剤用の組成であるHAN, AN, MeOH, 水を含む溶液と、純 粋なHAN水溶液を用意し、各種燃焼特性の取得を行った。また、純粋なHAN 水溶液については、HAN濃度をパラメータとして、95?50mass%の範囲で7種類 用意した。 　まず、推進剤としての組成であるHAN, AN, MeOHを含む水溶液において、燃 焼速度特性、燃焼波の温度履歴、燃焼波の観察を行った。燃焼速度測定におい ては、下記の3つの特徴が見られた。1つめに、圧力を上げていくと、ある圧力 （遷移圧力）で10mm/s程度から100mm/s以上まで急激に燃速が上昇すること が確認された。2つめに、メタノールを添加することで燃焼速度の遷移圧力が 3MPaから5MPaへと上昇した。最後に、メタノールを添加することで燃焼速度 が全圧力域で低下した。このことから、メタノールを添加することによって、 内圧1MPa以下の燃焼器に適用するには十分のマージンが得られたといえる。こ の結果より、HAN+ANに対して化学両論比を満たすMeOHが含まれるSHP163 という溶液がモノプロペラントとして、適用可能であることが発見された。し かし、前述のような燃焼速度特性が得られたものの、その特徴を示すメカニズ ムは明らかでない。さらに、燃焼波の温度履歴により、気相における化学反応 は燃焼速度に影響をほとんど及ぼさないことがわかった。よって、液相におけ る気化過程が燃焼速度を決定づけていると考えられる。次に、燃焼波の観察に おいて、燃焼速度の低い圧力域（低燃焼速度領域）では、初期状態である液相 の上に、気化を伴う二相領域が存在し、そのさらに上に気相が存在しているこ とが確認できた。そして、その気相が褐色であることから、気相においてNO2 生成反応が生じていることが考えられた。一方、燃焼速度の高い圧力域（高燃 焼速度領域）では、液相の上に分厚い二相領域が存在し、その二相領域におい てNO2の存在を示す褐色のガスが確認できた。 　さらに、低燃焼速度領域から高燃焼速度領域へ圧力を上昇させ、その燃焼波 の過渡現象を観察した。その結果、液相と二相領域の界面が波打つことにより、 気相の褐色のガスが液相に接触し、その点から劇的に気泡の生成が生じるとい う現象を捉えた。これらの結果より、気泡の成長速度、および燃焼波の不安定 性に着目し、燃焼速度の律速段階について考察を行った。その結果、溶液の組 成の違いによって、気泡の生成速度が異なることがしめされたが、その差は燃 焼速度を決定づけるものではなかった。一方、安定判別において、圧力が高い ほど流体力学的不安定の影響が大きくなること、そしてメタノールが多いほど 安定化されることが示された。以上より、燃焼における流体力学的不安定性が 燃焼速度の急激な上昇を引き起こすトリガとなっていることが判明した。 　以上のような燃焼特性の取得および考察を行ったものの、燃焼速度特性を説 明するには至らなかった。そこで、本研究では燃焼に影響を及ぼすパラメータ を減らすため、HANのみの水溶液の燃焼特性の取得に取り組んだ。圧力とHAN 濃度をパラメータとし、線燃焼速度の取得、燃焼波構造の観察及び燃焼温度の 計測を行った。その結果、95mass%から80mass%の範囲では、濃度の減少と共に 徐々に線燃焼速度が上昇し、80mass%から50mass%では、濃度の減少と共に線燃 焼速度が低下することから、80mass%付近に燃焼速度のピークが存在することが わかった。また、95mass%水溶液の燃焼速度は、結晶の燃焼速度(文献値)と同じ オーダーであることから、燃焼機構が結晶と同等であることが推察された。 そして、高燃焼速度領域では圧力への依存性がみられないことから、気相反応 の影響がないことが伺える。燃焼波の観察結果から、燃焼速度特性は、燃焼現 象により3種に分類できることが分かった。そして、それぞれの種類において 燃焼波の温度場も異なることが明らかになった。これらの結果より、2種類の燃 焼波構造のモデルを提案する。水溶液に含まれる水の量によって、2種類のうち のどちらかが選択される。水の含有量が多い場合は、二相領域が長くなるため に、二相領域中の気泡内において化学反応が進行し、気泡内のガス温度が高く なり、その気泡周辺で突沸が生じると考えられる。これらのことから、高燃焼 領域においては、気化過程の気泡核生成速度が燃焼速度を直接決定づけて いることが示唆された。 　さらに、推進剤については、燃焼波の観察および温度測定より、燃焼速度と 燃焼波構造の関係が水溶液の場合と一致することから、水溶液の燃焼波モデル を推進剤のモデルとして適用した。ただし、推進剤の場合は、水の含有量によ ってではなく、不安定性によって反応の進んだ高温のガスが液相に潜り込むこ とにより、その周辺で突沸が生じ、気泡核生成速度律速となる。以上により、 推進剤の燃焼速度を劇的に上昇させる要素が水の含有量と不安定性であること が判明したことから、推進剤の開発において反応性抑制や凝固点低下のために 水の含有量を増やすことは得策ではなく、流体力学的不安定性の評価も必要で あると言える。 　本研究では、これらの燃焼波構造のモデル化に加え、実用化目的のスラスタ の開発にも取り組んでいる。この取り組みでは、基礎データの取得用に10N級 スラスタを試作・試験した。その結果、燃焼室内の温度分布、および圧力等の データを取得することに成功し、触媒層の長さおよび推進剤の供給量による触 媒層温度の傾向を得た。また、インジェクタの最適化や構造材としての耐熱素 材の選定も併せて行った。以上の取り組みの成果として、比推力239秒、C*効 率0.89を達成した。また、ヒドラジンと同程度の性能特性において、合計60秒 以上の作動を達成し、ロケットフェイズでの使用可能性が示された。総研大甲第1323号 jpn thesis https://ir.soken.ac.jp/records/1661 博士（工学） 2010-03-24 総合研究大学院大学 https://ir.soken.ac.jp/record/1661/files/甲1323_要旨.pdf application/pdf 367.1 kB 2016-02-17