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再使用型ロケットエンジンの再生冷却に影響する冷却材の化学的挙動に関する研究 Study on chemical behavior effect of the coolant on regenerative cooling of the clean rocket engine

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著者

    • 笹山, 容資 ササヤマ, ヨウスケ

書誌事項

タイトル

再使用型ロケットエンジンの再生冷却に影響する冷却材の化学的挙動に関する研究

タイトル別名

Study on chemical behavior effect of the coolant on regenerative cooling of the clean rocket engine

著者名

笹山, 容資

著者別名

ササヤマ, ヨウスケ

学位授与大学

室蘭工業大学

取得学位

博士 (工学)

学位授与番号

甲第324号

学位授与年月日

2012-03-23

注記・抄録

博士論文

従来の宇宙輸送システムはコストが高く,十分な信頼性が得られていないことから民間による需要が少なく,宇宙開発の発展を妨げる要因になっている。また,環境負荷の低減から,宇宙輸送システムに対しても再使用化やクリーン推進剤の使用が求められている。クリーン推進剤として,液化天然ガス(LNG)やバイオエタノール(BE)燃料が注目されている。LNG及びBEを燃料とするロケットでは,燃焼ガス中に煤の発生が少なく,ロケットの再使用化に適している。また,LNGは製造段階を含めてCO2排出量が少なく,BEはカーボンニュートラルであり,環境負荷の低減に効果がある。一方,これらの燃料を用いたロケットの性能も比較的高く,従来のケロシン(RP-1)燃料ロケットの性能と比較して遜色はない。ロケットエンジンの再使用化においては,再生冷却における冷却材の挙動が重要である。LNGやBEを冷却材として用いた場合,ロケットの高性能化(高燃焼圧化)に伴う冷却材の高温化によって再生冷却溝表面へのコーキング(熱分解に伴う煤の析出)が生じ,冷却材と再生冷却溝表面間の熱伝達率の低下や再生冷却流路の下流に位置する推進剤噴射器流路の閉塞を招く。また,再生冷却溝にサルファアタック(含有硫黄成分による腐食)が発生し,その金属材料の構造強度を低下させる。これらが原因となって再使用性(耐久性)や信頼性が低下する。本研究ではLNG及びBE燃料を用いてコーキングやサルファアタックが再生冷却に与える影響を解明することを目的としている。更に,両現象を抑制する手法を提案し,その有効性を実証した。コーキングに関する研究の結果,LNG,BE共に熱分解に伴う炭素の析出が再生冷却性能の低下と推進剤噴射器流路の閉塞に繋がる危険性を示した。再生冷却溝金属には触媒効果があるため,熱分解が生じない冷却材温度はLNGでは約600[K],BEでは約550[K]であった。また,再生冷却溝金属表面にグラファイトコーティングしてコーキングを抑制する手法を提案し,熱分解が生じない温度を約100[K]上昇できた。サルファアタックに関する研究の結果,LNGでは腐食による再生冷却溝金属表面の組成変化と引張強度の低下が確認でき,再生冷却性能や構造強度の低下に繋がる恐れを示した。更に400[K]でも金属硫化物を確認でき,サルファアタックは低温でも進展する可能性を示した。BEでは,再生冷却溝金属表面への硫黄の付着を確認し,腐食反応への進展を示した。また,再生冷却溝壁に金メッキしてサルファアタックを抑制する手法を提案し,サルファアタックを抑制する効果を実証した。本研究成果に基づいて,コーキング,サルファアタックが影響しない冷却材最大温度に対する燃焼ガス圧力はLNG 1ton級エンジンでは約36[MPaA],BE 600kg級エンジンでは約26[MPaA]まで上昇可能と予測され,信頼性,再使用性を維持した上で高性能化が可能であることを示した。また,本研究成果はジェットエンジンや多様なパワープラントの再生冷却にも広く適用できる。

8アクセス

各種コード

  • NII論文ID(NAID)
    500000560821
  • NII著者ID(NRID)
    • 8000000563032
  • 本文言語コード
    • jpn
  • NDL書誌ID
    • 023898029
  • データ提供元
    • 機関リポジトリ
    • NDL-OPAC
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