Research on the high performance hybrid rocket fuel based on the gaseous species concentration measurement and the reaction mechanism analysis at high heating rate

基于气态物质浓度测量及高升温速率反应机理分析的高性能混合火箭燃料研究

• 批准号: 21H01537
• 负责人: 堀 恵一
• 金额: $ 11.32万
• 依托单位: Japan Aerospace EXploration Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01537/
• 关键词: ハイブリッドロケット; 燃焼; 固体燃料; 反応動力学; 急速加熱場; 高分子燃料; 熱分解; 急速加熱; 燃焼機構; 宇宙推進; 燃焼工学

本研究は①ハイブリッドロケット燃料後退速度向上、②高加熱速度下での熱分解分析技術開発、③熱分解機構モデル化を三骨子としている。①昨年度は燃焼中のEG添加LT燃料表面の観察を実施した。その結果、EGが燃料表面で膨張し赤熱している様子を観察した．高熱伝導率を有するEGが火炎からLT燃料表面への熱伝達量を増加させ，燃料の溶融・ガス化を促進し燃料後退速度が向上したと考える．また低酸化剤質量流束域での燃料後退速度の顕著な向上が確認された．これは赤熱化EGによるLT燃料表面への輻射熱伝達量増加効果によると考える．さらに，O/Fが3以上の領域において，EG無添加LT460と比較し7%の特性排気速度が向上したことも確認した。②大気圧環境下におけるスキマーＩＦ接続型Py-IA/MS装置を用いた熱分解ガス計測を実施した。分析手法を確立させるため考察が容易なポリスチレンとパラフィンオイルを対象とした。結果、キャピラリー接続方式による先行研究と同等の検出感度で熱分解ガス計測が達成できた他，接続方式に由来する特徴的傾向が得られた。さらに高圧下での観察を可能にすべく、加熱部品は従来品を使用しつつ容器を加圧できるよう設計を進めた。高圧の加熱炉と大気圧のスキマーIF先端部の境界部に板厚変更可能な金属オリフィス板を設置することで，加熱炉内の圧力の調整を可能にした。概念設計は完了と判断している。③初年度に構築したLT燃料熱分解モデルで燃焼阻害因子と特定したエチレンに着目し、含酸素化合物の添加によりエチレンの熱分解生成量を低減させ燃料後退速度の改善を図った。実験結果から含酸素化合物添加剤により熱分解におけるエチレン生成量が減少することが分かり、燃料後退速度の改善が見込まれた。

This study includes three aspects: ① fuel retraction speed is upward; ② thermal decomposition analysis technology is developed under high heating speed; ③ thermal decomposition mechanism is stable. 1. The surface of EG fuel added in the combustion process was observed in the past year. As a result, EG fuel surface expansion is observed. The high thermal conductivity increases the heat transfer of the fuel surface, and the melting of the fuel promotes the fuel retreat rate. The fuel retreat velocity in the low acidizing mass flow region is determined by upward movement. The radiant heat transfer of the fuel surface is increased due to the increase of the radiant heat transfer. In addition, the O/F ratio is higher than 3, and the EG does not add LT460. Compared with 7%, the characteristic exhaust speed is higher than 3%. 2. The thermal decomposition measurement was carried out in high pressure environment using Py-IA/MS device. The analysis method was established. The results show that the thermal decomposition of the sample is similar to that of the control sample, and the characteristics of the sample are different. For the purpose of inspection under high pressure, the heating components and the use of the container shall be designed in advance. High pressure furnace, high temperature furnace, high temperature furnace, high temperature Conceptual design is complete. (3) In the early years, the combustion resistance factor of LT fuel was established, and the amount of thermal decomposition generated by the addition of acid-containing compounds was reduced, so that the fuel retreat speed was improved. As a result, the addition of acid-containing compounds reduces the amount of thermal decomposition and improves the fuel withdrawal rate.

项目成果

ハイブリッドロケット燃料用低融点熱可塑性樹脂/含酸素添加剤の熱分解生成ガス分析

混合火箭燃料用低熔点热塑性树脂/含氧添加剂热解产生的气体分析

• 发表时间: 2022
• 作者: Tsukamoto Ryota;Senba Atsuhiko;Ikeda Tadashige;Tamayama Masato;Arizono Hitoshi;Katori Hiroaki;横堀 慎一;古舘恵太，岡田哲男，川村恭己，早川銀河;野口新生・谷本悠太朗・遠藤新;藤田道也，坂野文菜，和田豊，三島有二，加藤信治，堀恵一，戸野倉賢一
• 通讯作者: 藤田道也，坂野文菜，和田豊，三島有二，加藤信治，堀恵一，戸野倉賢一

試料観察TGとEGA-IA/MSによるロケット燃料用多成分系熱可塑性樹脂の相変化反応の解析

使用样品观察 TG 和 EGA-IA/MS 分析火箭燃料用多组分热塑性树脂的相变反应

• 发表时间: 2022
• 作者: 岡村拓歩;前田義明;佐藤 徹;下島公紀;中野沙紀・木元勇武・遠藤新;リジャルH.B.，岡本祥拓，Khadka S.，天野克則，齋藤輝幸，宇野朋子，源城かほり，中谷岳史，西名大作，森太郎;坂野文菜，和田豊，三島有二，津越敬寿，加藤信治，堀恵一
• 通讯作者: 坂野文菜，和田豊，三島有二，津越敬寿，加藤信治，堀恵一

ハイブリッドロケットに用いる低融点熱可塑性樹脂燃料の燃焼機構に関する研究

混合火箭用低熔点热塑性树脂燃料燃烧机理研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Kogiso Nozomu;Konishi Kento;坂野文菜，和田豊，三島有二，津越敬寿，加藤信治，堀恵一，長瀬亮
• 通讯作者: 坂野文菜，和田豊，三島有二，津越敬寿，加藤信治，堀恵一，長瀬亮

ロケット燃料の燃焼反応プロセス解明に向けた瞬間熱分解生成物の計測手法の研究

瞬时热解产物测量方法研究，阐明火箭燃料燃烧反应过程

• 发表时间: 2022
• 作者: Khadka S.;Rijal H.B.;Amano K.;Saito T.;Uno T.;Genjo K.;Nakaya T.;Nishina D. & Mori T.;坂野文菜，小松健，和田豊，三島有二，津越敬寿，加藤信治，堀恵一
• 通讯作者: 坂野文菜，小松健，和田豊，三島有二，津越敬寿，加藤信治，堀恵一

ハイブリッドロケット燃料用低融点熱可塑性樹脂材料の熱分解生成ガス分析

混合火箭燃料用低熔点热塑性树脂材料热解产生的气体分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 藤田道也;坂野文菜;和田豊;三島有二;加藤信治;堀恵一;戸野倉賢一
• 通讯作者: 戸野倉賢一