アルミ粉末混合水アークジェット推進機の開発○浅沼和貴，人見亮輔（東海大・院），堀澤秀之（東海大・工），船木一幸（JAXA/ISAS）

Development of Water and Aluminum Powder Fed Arcjet
Kazuki Asanuma,Hitomi Ryosuke,Hideyuki Horisawa（Department of Aerospace Engineering, Tokai University）
Funaki Ikkoh（JAXA/ISAS）

Key Word: Arcjet, Water and Aluminum Powder Fed Arcjet, chemical equilibrium computation

Abstract
In this study, development of water-Al fed arcjet, for which water and aluminium were fed to the thruster as the propellant, wasconducted. As the first step, chemical equilibrium computation of a water-Al fed arcjet was performed, plenum temperature,chemical composition specific impulse, etc, were obtained. From the results, it was shown that thrust performance of thewater-Al fed arcjet was as well as that of hydrazine arcjet.

1.

はじめにない．

近年，宇宙開発技術の発展に伴って，大型衛星の他にこれらの理由から，本研究ではアークジェット推進機もマイクロサット，ナノサットのように呼ばれる小型衛の推進剤としてアルミニウムを添加した水を用いること星開発も活発に行われるようになった．さらに，宇宙利を提案する．本報告では，化学平衡計算を利用し，アル用のシーンは増え，民間利用も徐々に拡大しはじめた事

ミニウムを添加した水（以後，WAAL 推進剤）を推進剤も相まって，人工衛星に課せられるミッションは多様化として用いた際の反応や，スラスタの性能予測を行った．

する傾向にあるといえるだろう．このミッションの多様本論ではそれらの結果について報告する．

化は即ち衛星に搭載する推進機への要求の多様化に結び付くと考えられ，この様々な要求に応えられるように多2.

化学平衡計算原理および方法種のスラスタの可能性を探求していく必要がある．

2.1

化学平衡計算本研究では，新たな推進剤の可能性を研究するための本研究で行った化学平衡計算における断熱火炎温度・対象としてアークジェット推進機を選択した．この推進化学平衡組成決定までのフローチャートを図 1 に示す．

機は電熱加速型推進機の一種であり，アーク放電によって供給される熱エネルギーを受けた推進剤が，ノズルによって気体力学的に加速され高速で噴射することにより推力を発生する．一般的な特徴として，構造が簡単で化学推進より高い比推力が得られ，推力電力比が高いことが挙げられる．しかし，現在アークジェット推進機の推進剤として広く用いられるヒドラジンは強い毒性・化学的不安定性を持つため，取り扱いが困難であり，安全性

本方法のような等エンタルピを仮定したエネルギーバラに大きなリスクが生じる．またそれによる管理コストのンス法増加などの問題もあるため，容易に利用できるものでは

図 1 化学平衡計算フローチャート

を用いた計算では，まず燃焼前の貯気漕状態での化学組4000成と温度を指定することにより，燃焼前のエンタルピを3000を仮定し，その時の化学組成からエンタルピを算出し，燃焼前のエンタルピと比較する．これが一致したと見な

Tp [K]決定する．その後，燃焼時（温度・組成変化時）の温度せる温度に十分に収束するまで繰り返し計算を行い，こH2OAr
N2H4N220001000

質量流量: 108 [mg/s]の時の温度を断熱火炎温度，組成を化学平衡組成とした．
0

なお，燃焼時の化学組成は JANAF の熱化学データ表に記05001000P [W]

載された平衡定数を元に計算する．さらに，推進性能を15002000計算する場合は，ノズル開口比や圧力比等を指定し，得図 2 投入電力(P)とプレナム温度(Tp)の関係られた断熱火炎温度から準一次元ノズル解析によって比推力等を予測する．

30

Gordon and B. J. McBride により開発された NASA-CEA1)を利用した．このコードには前述した一連の計算を行うプログラムがまとめられており，GUI 版を用いることでCp [kJ/kg・K]

本研究においては，NASA-Glenn Research Center の S.

H2O
Ar
N2H4N22010

比較的容易に利用可能である．本研究では電熱加熱の過程が含まれるため，投入電力を生成エンタルピに加える0ことにより計算に含めた．

500

1000

水を推進剤に用いるメリット

水は自然界に多く存在し，常温で化学的に安定な物質
0.20

4000

推進剤として多く用いられる安定な希ガス推進剤の貯蔵

モル比H2AlOH
OO20.15には高圧ガスタンクが必要であるが，水はその必要がな不安定で毒性がある．従って，水は推進剤として入手性

2000

図 3 投入電力 P と定圧比熱 cp の関係である．また，人体に対して無害である．電気推進機のい．アークジェットで使用されるヒドラジンは化学的に1500

P [W]

燃焼温度 [K]

0.10

3000

2000

OH

Tb [K]

2.20Hに富み，貯蔵コストが安く，取り扱いが非常にしやすい

0.05

Al2O3(a)1000

Al2O3(L)といった特性をもつ．
0.00

図 2 に圧力 0.1 MPa，質量 108 mg/s の水，ヒドラジン，

01000

2000

3000

4000

05000

Th [K]

アルゴン，窒素に対して電力 P [W]を投入した場合のプレナム温度の変化を示す．この図より，水の電力投入による温度変化は他に比べ小さいことが分かる．これは特図 4 加熱温度(Th)と化学平衡組成と燃焼温度(Tb)の変化にアルゴン，窒素と比べると水の定圧比熱 cp が比較的大きいためで，この様子は図 3 に示す．また，水を用いたガスを利用した場合に比べ熱効率が高いとする報告 2)もプラズマジェットは投入電力すなわちエンタルピを増大ある．

してもアルゴン，窒素の場合と比べ，プレナム温度の上2.3

水-Al の反応昇を抑制することが可能である．このことから，推進機

前項で述べた内容は，高温な水が非常に大きなエン本体への熱損失を抑えることが可能で，アルゴンや窒素タルピを持つことを示す．つまり高温・高エンタルピ状態の水を作るためにはその分大きなエネルギーを投入する必要がある．

果的な影響を及ぼすといったことが予測できる．

600

600500500400

Isp [s]Isp [s]

本研究では水を高エンタルピ状態にするために，水にH2O
Ar
N2H4H2O-Al φ=1300

質量流量: 108 [mg/s]

500

1000

1500

φ=0.5
φ=1.0
φ=1.5300
200

200

0400

2000

02500

500

1000

1500

2000

P [W]

P [W]

図 5 投入電力と比推力の関係

図 6 当量比ごとの投入電力(P)と比推力(Isp)の関係

アルミニウム粉末を添加し，Al の酸化熱によってエネル

また図 6 には WAAL 推進剤の当量比を 0.5，1.0，1.5ギーを発生する方法を取った．水と Al の反応を表わす統ごとの投入電力 P に対する比推力 Isp の変化を表わす．

括反応式を式(1)に示す．この反応によって水を更に加熱

図より，との比推力は同程度であるがする事が Al を添加する主な目的となる．の場合がわずかに大きいことがわかる．

2Al + 3H2O = Al2O3(cr) + 3H2 + 945.5 kJ

(1)
4.

3.

結果および考察まとめ
本研究では，NASA-CEA を用いた化学平衡計算によっ

図 4 に重量比で 水：Al = 9：1 として貯気漕を加熱して水と Al の反応や，それを水－Al 推進剤を用いたアー

つつ水と Al を混合した場合の，燃焼生成物モル比の変化

クジェットスラスタの性能予測を行った．これによって，を示す．図中では 2000 K を超えた辺りから多くの化学種水と Al の反応がアークジェットによって現実的に達成が発生しており，現実的にはこの程度の温度から活発なしうる温度で起こる事を確認できた．また WAAL 推進剤反応が起こると考えられる．なお，低温時にもアルミナを用いたスラスタの性能（比推力）は他の推進剤と比較が発生する反応がある事がわかる．

しても劣るものでは無いと考えられる．これによって，WAAL 推進剤を用いた際の投入電力による比推力の変化を図 4 に示す．図中にはヒドラジン，アルゴン，水を取り扱いの容易さなども考慮に入れれば，WAAL 推進剤の利用には十分なメリットがあると考えられる．

推進剤とした際の比推力をプロットし，比較を行った．
質量流量は 108 mg/s，ノズル開口比 100，プレナム圧力

今後，実験によって WAAL 推進剤を用いたアークジェットスラスタの性能計測を行う予定である．

0.1 MPa を想定し，計算を行った．電力 P の範囲は 2000 Wまでとした．
この電力の範囲ではヒドラジンと比較して WAAL 推進

参考文献
1)

S. Gordon and B. J. McBride, "Computer Program for剤の比推力での差は最大でも 8 %程度であり，大きな差Calculation of Complex Chemical Equilibriumとはいえない．また特に投入電力が 200 W 程度以下の低Compositions and Applications," NASA Reference

電力領域および 2000 W 以上の高電力領域においてはヒPublication 1311 (1996)

ドラジンを用いる場合と同程度以上の比推力が得られる． 2)

光田章一，“水プラズマ溶射法”，金属表面技術，更に水と WAAL 推進剤を比較すると，水に Al の添加すVol.36 , No.3(1985) , p.88-95

ることにより比推力が向上しており，水と Al の反応が効

3)

水谷幸夫，燃焼工学，第 3 版 (2002，森北出版)