Combustion and Ignition dynamics with a novel laser ignition technologies for methane-oxygen rocket engines

甲烷-氧气火箭发动机采用新型激光点火技术的燃烧和点火动力学

• 批准号: 21KK0257
• 负责人: 中谷 辰爾
• 金额: $ 9.9万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022 至 2024
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21KK0257/
• 关键词: ロケットエンジン燃焼; 燃焼不安定性; 燃焼試験; レーザー点火; 噴霧の微粒化; 分光スペクトル; 機械学習; 点火; 超臨界; メタン

近年，ロケットエンジンにおいて振動燃焼などへの対応などの開発コストを下げるためエンジンをクラスター化し大推力に対応する手法が取られている．クラスターエンジンを同期して点火することが必要であるが，従来の電気火花やトーチでは点火の同期が困難である．点火がスムーズに行うことが出来なければ燃焼器内に混合気が滞留し大きな圧力スパイクや不安定燃焼が生じ，燃焼器を破壊する．本研究では，高度に同期が可能な点火手法としてレーザー点火に着目している．近接2点レーザーブレイクダウン火花点火手法を提案し限界付近でロバストな火炎核を形成するメカニズムを調べている．また，メタンを推進剤とするロケットエンジンへのレーザー点火の応用を行っている．本年度は，基礎研究としてメタン/空気混合気に対して，近接2点レーザー点火によって生じる衝撃波の干渉により形成される流れ場により，サードローブの形成を抑制するのに加え，マッハステム形成の流れ場を用いたロバストな火炎核を形成した．その条件をブラスト波理論や衝撃波前後の関係式により明らかにした．特に，高圧力，希薄限界付近の混合気に対して，単点でのレーザー点火と比較して，最小点火エネルギーを低減するのに加え，火炎伝播に移行する誘導期間を低減することを示した．また，ロケットエンジン燃焼器における高圧力，高温度場における状態量計測手法として，OH*およびCH*化学発光測定の応用を検討した．まず大気圧の平面火炎バーナーを使用し，反応帯近くおよび高温ガスの温度測定手法の検討を行った． OH*の化学発光挙動は強く高温ガスの温度測定に応用することができる可能性を示した．一方で，火炎帯近傍においては，熱平衡の過程から離れる分布が示された．DLRのロケットエンジンモデル燃焼器内において，分光測定を実施することで，本手法の適用可能性が確認されている．

In recent years, ロ ケ ッ ト エ ン ジ ン に お い て vibration combustion 焼 な ど へ の 応 seaborne な ど の open 発 コ ス ト を under げ る た め エ ン ジ ン を ク ラ ス タ ー change し heavy-lift に 応 seaborne す る gimmick が take ら れ て い る. ク ラ ス タ ー エ ン ジ ン を period し て ignition す る こ と が necessary で あ る が, 従 to の electric spark 気 や ト ー チ で は の ignition period が difficult で あ る. Line ignition が ス ム ー ズ に う こ と が out な け れ ば combustion 焼 in mixed に 気 が stranded し big き な pressure ス パ イ ク や unsteady combustion 焼 が じ, burning 焼 apparatus を broken 壊 す る. This study で は year-on-year, highly に が may な ignition technique と し て レ ー ザ ー ignition に with mesh し て い る. Almost meet at 2 o 'clock レ ー ザ ー ブ レ イ ク ダ ウ ン spark ignition technique proposed を し limit pay nearly で ロ バ ス ト な fire inflammation nuclear を form す る メ カ ニ ズ ム を adjustable べ て い る. ま た, メ タ ン を propulsion tonic と す る ロ ケ ッ ト エ ン ジ ン へ の レ ー ザ ー ignition の 応 line with を っ て い る. は this year, the basic research と し て メ タ ン / empty 気 mixed 気 に し seaborne て, almost meet at 2 o 'clock レ ー ザ ー ignition に よ っ て raw じ る blunt shock wave の dry involved に よ り form さ れ る れ field に よ り, サ ー ド ロ ー ブ の form を inhibit す る の に え, マ ッ ハ ス テ ム form の を れ field with い た ロ バ ス ト な fire inflammation nuclear を form し た. Youdaoplaceholder0 <s:1> condition をブラスト wave theory や <s:1> relationship formula before and after the impact wave によ light ら に に た た. に, high pressure, thin margin to pay nearly の mixed 気 に し seaborne て, 単 point で の レ ー ザ ー ignition と compare し て, minimum ignition エ ネ ル ギ ー を low cut す る の に え, fire inflammation 伝 sowing に transitional す る を low reduction during induction す る こ と を shown し た. ま た, ロ ケ ッ ト エ ン ジ 焼 ン combustion apparatus に お け る high pressure, high temperature に お け る state quantity measuring technique と し て, OH * お よ び CH * chemical 発 light の 応 with を beg し 検 た. ま ず big 気 圧 の plane blaze バ ー ナ ー を use し, anti 応 帯 nearly く お よ び high-temperature ガ ス の temperature measurement technique の 検 line for を っ た. OH * strong 挙 move は の chemical 発 light く high-temperature ガ ス の temperature measurement に 応 with す る こ と が で き る possibility を shown し た. On one side, there is で, the flame zone is adjacent to にお て て, and the thermal equilibrium <s:1> process is ら ら away from the れる distribution が shows された. DLR の ロ ケ ッ ト エ ン ジ ン モ デ ル combustion 焼 in に お い て, spectral photometry を be applied す る こ と で, this technique の is possibility が identify さ れ て い る.

项目成果

Hydrodynamic effects of shock interactions on initial flame kernel development of close dual-point laser induced sparks

• DOI: 10.1016/j.proci.2023.01.001
• 发表时间: 2023-02
• 期刊: Proceedings of the Combustion Institute
• 影响因子: 3.4
• 作者: S. Nakaya;Ren Eto;Takuto Yamaguchi;Takahiro Koseki;M. Tsue