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No.266 |
<研究紹介> ISASニュース 2003.5 No.266 |
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![]() ![]() 宇宙開発事業団 長 島 隆 一私は,普段マネージメント的な仕事に明け暮れていますが,大学にも席があるため,研究の真似事も息抜き(?)を兼ねてしています。この研究は,今までのロケット屋のアプローチとは異なり,「安全性」を第一とした大学教育用を目指したものでしたが,結果として,性能(比推力:自動車の燃費に相当)は固体ロケットの約1/4にもなり,安全性のみでなく,エンジン部の冷却が不必要な簡単な機構の安価な液体ロケットになることがわかり,実用にも使えそうです。 このロケットは,燃焼反応をいっさい用いない「二液(LN2/H2O)式コールドガス・ロケット」すなわち,液体窒素(LN2)と高温高圧に予め加熱した水(H2O:液相状態)とを混合室(通常の燃焼室に相当)に噴射・混合することにより,水の熱容量により蒸発された窒素ガス(含:水の液滴)がノズルより噴射し推力を発生するメカニズムをもっています。この新しいロケットを面白がる方も多く,また,二,三の大学で試作を試みようとの動きもありますので,紹介いたします。
1. 研究の動機宇宙教育プログラムの一環として,従来から「小型衛星」はとり入れられている例が多いのですが,ロケットとしては,「水ロケット」や「モデル・ロケット」が主流を占めており,玩具の域を出ないものが多く,大学レベルのものがほとんどないのが現状です。これは,次のことがネックとなっているためと思われます。
私は,これらの活動にメンバーの一人として参加していますが,手作りロケットを試作するのであれば,「安全性」を最も重要視し,性能的には従来のものより劣っていても大学研究レベルに耐えられ,環境への配慮もなされ,研究室レベルの費用で製作可能な安いロケットが,特にプログラムの初期の研究では必要ではないかと思っています。 以下に,このような視点に立ち,最適なロケットへの選択過程を述べ,結果として,「二液(LN2/H2O)式コールドガス・ロケット」が適することを示します。
2.教育プログラム用として必要な条件教育用として必要な条件を以下の様に想定しました。
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3.ロケットの選定過程3.1適合する推進薬の候補上記の条件に適応可能な推進薬候補としては,次の理由により,「窒素(N2)」と「水(H2O)」の2種類しか残りませんでした。
3.2窒素ガスによる推進ロケットとして成立しうる性能(比推力)を得るためには,次の理由から,「LN2」を加熱しガス化したものを噴出する方法が優れています。
3.3LN2加熱方式の検討LN2を加熱する方法としては,次の理由により,熱容量が大きいH2Oをヒータにより高温高圧の液相状態に予め加熱しておき,これとLN2とを混合室に噴射・混合し,水の熱容量によりLN2を蒸発させるメカニズムが適しています。
3.4冷却が不要になる混合室/ノズル混合室(内部温度:約320K)/ノズルには,高温の燃焼過程に起因する「冷却問題」がありません。そのため,ノズルのガス剥離を避け,効率を高める方式の「プラグノズル」や「Dual-Bellノズル」(従来は,冷却問題等がありました)などが容易に採用可能となります。また,剥離問題が解決することから,従来の燃焼圧力に相当する混合室圧力を高くする必要性がなくなります。
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4.二液(LN2/H2O)式コールドガス・ロケットのシステム系統の一例![]() 本システム系統の構想の一例を図1に示します。今回は,最もシステムが簡便な「ガス圧送方式」とし,ノズルは高膨張比が可能なプラグノズルを想定しました。 打ち上げ直前には,LN2は77.4K/1atm(沸点)に,またH2Oはヒータで加熱が行われ,473K/1.5MPa(沸点)に設定し,万が一,規定を越えた場合には,安全弁を機能させます。 混合室圧力:Pcは極力低くし1[MPa]程度に設定しています。これは,通常のガス圧送方式の液体エンジンの燃焼圧力と同等です。それ故,作動中のタンク圧力は,約1.5[MPa](=1[MPa]×1.5)レベルにする必要があります。なお,H2O側は打上げ直前から1.5[MPa]ですので,簡便な運用に好都合な圧力となっています。 気蓄器内の駆動ガスとしては,低コスト化を考え,GN2を用いることにしています。気蓄器圧力は,通常約20[Mpa]で,調圧弁により減圧(1.5[MPa])されます。 なお,LN2/H2Oの平均比重は約0.9なので,タンク容量は小さく収まり,ロケットの小型化に寄与します。これは,タンク容量が大きくなるLOX/LH2(液体水素)ロケットなどと比べ,大きなメリットと言えます。
5.性能(比推力)推定混合室/ノズル内を,窒素ガスと水粒子は混合された二相流の状態で流れますが,粒子径は十分小さく,ガスと粒子の速度は同一で,両者は熱平衡状態にあるなどの簡単な仮定をして,性能計算を試みました。粒子含有率:β(全質量に対する水粒子質量の比)或いは混合室温度:Tc(燃焼温度に相当)との関係で図2〜図3が得られます。ただし,混合前のH2O温度は473K(200℃),LN2温度は77.4Kとし,ノズル面積比は,プラグノズルを用いることを前提とし,100と仮定しています。これらから次のことが解ります。
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6.実用ロケットへの発展の可能性本システムは,次の理由により実用ロケット,特にブースタ(第一段ロケット)への発展性が望めます。
(ながしま・りゅういち) |
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