水-金属ハイブリッド推進機内の凝縮性粒子の発生機構解明と推進/環境性能の最適化

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本研究の最終目的は、水／金属燃焼ハイブリッド推進機の実現にある。このためには、推進性能と環境適合性の同時最適化が必須であり、いずれも凝縮性燃焼生成物（CCP: Condensed Combustion Products）の低減が鍵となる。そのため、低圧水蒸気とワイヤ金属（マグネシウムあるいはアルミニウム）の燃焼スラスタにおけるCCP発生機構を解明すると共に、推進性能との相互作用を解明する必要がある。これには実験的測定が不可欠であり、本研究はCCPの発生メカニズム解明と推進性能への影響解明により構成される。本年度は、水蒸気流がある開放系において長時間のマグネシウムワイヤ燃焼試験を実施した。このために、昨年度に設計した新型のワイヤ供給機構に対して、光学カメラによる燃焼点のトラッキングシステムを導入し、ワイヤ供給機構の自動化を達成した。この結果、開放燃焼系では、圧力50 kPa、流量17.3 - 24.0 mg/sの水蒸気流において、直径0.8 mmのマグネシウムワイヤの数十秒にわたる定常的な燃焼が確認された。反応速度は水蒸気の流量に対して比例関係にあること、また、反応率は、燃焼の条件によらず99 %以上であることを明らかにした。さらに、実験で得た結果を用いて推進性能を推算し、小型推進機として構築した場合の推力や比推力、電力や、簡易な構造設計を示した。推算の際には、液体の水の噴霧による断熱火炎温度の低下や、固体生成物の排出の有無による作動ガスの変化、およびノズルにおける水蒸気の凝縮が加味しており、推力および比推力が先行研究の小型化学推進機に対して遜色ないこと、電力や構造が小型化学推進機として実現可能であることを示した。