博士論文要録

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解明に関する研究
坂野 文菜
学位授与：千葉工業大学（2022 年 3 月 22 日）

ハイブリッドロケットは，高頻度な打上需要が見込まれる観測ロケット，そして新宇宙探査機や有人飛行用ロ要求事項を満たす LT 燃料の特徴を説明した．
第3章

熱分析と発生気体分析

では，燃焼中の燃ケットに対応する次世代型推進機として注目されてい料表面近傍で発生する溶融，ガス化，そして燃焼に至るる．パラフィン等に代表される低融点ポリマーを固体燃相変化プロセスの解明を目的として，熱分析，発生気体料に用いることで従来の熱硬化性樹脂燃料と比較して優分析および速度論解析を実施した．試料観察技術やダイれた燃料後退速度（燃料の消費速度）を獲得したが，いレクトな質量分析手法を用いて，多成分系燃料かつ熱可まだ実運用に耐える十分な燃料後退速度が得られていな塑性樹脂である LT 燃料の相変化挙動と発生ガス挙動をいこと，そして推進剤性能を左右する燃焼効率の低さが明らかにした．LT 燃料は大気圧・不活性雰囲気下にお現在の課題である．それゆえ，固体燃料のガス化に着目いて「固相→溶融層→気液二相→気相」に至る熱可塑性した燃料組成の改善の観点から，熱分解挙動の解明およ樹脂特有の相変化挙動を有すると結論付けた．また発生び燃焼機構の確立は必須である．そこで本研究では，パガスの挙動から，気液二相で観察された気泡は LT 燃料

ラフィンを主成分とし，燃料の大型化に求められる十分の構成成分であるポリスチレン系エラストマやキシレンな機械的物性と接着性を有する低融点熱可塑性樹脂樹脂由来の熱分解生成物であることが示された．

（low-melting-point thermoplastic, LT）燃料の熱分解挙動

第4章

LT 燃料の温度場・火炎温度測定

では，に着目し，境界層拡散火炎の燃焼機構にかかわる相変ラボスケールのモータ内部で燃焼する固体燃料の燃料表化・熱分解プロセスの解明を目的とした．多成分系熱可面近傍の温度プロファイルを測定し，境界層拡散火炎を

塑性樹脂の熱分析は複数の現象が同時に発生することで形成する燃料表面は最大 1.4×104 k s－1 で急速に昇温さ解析を困難にさせるため，一般的な手法に視覚的計測をれることを明らかにした．また複数の測定手法を用いる

取り入れ，形状や色の変化など直接的な情報から相変化ことで，燃焼室圧力 2.0 MPa の高圧条件下では断熱火反応の詳細な評価を実施した．さらに，高温環境で急速炎温度 3200 K に対して 17 ％ 低い火炎温度を持つことに加熱される固体燃料表面の熱分解生成物は反応活性がを明らかにし，推進剤性能の低下を招く一因であると結非常に高いことが予想されるため，イオン付着イオン化論付けた．

質量分析法を用いて熱分解ガスをダイレクトに測定する

第5章

LT 燃料の急速加熱実験

では，第 4 章で発生気体分析を実施した．これらの実験から気泡発生を明らかとなった急速加熱環境を模擬した熱分解実験を実含む相構造と急速加熱環境特有の芳香族炭化水素を含む施し，LT 燃料のメイン成分であるパラフィンオイルの熱分解生成物の存在を明らかにし，LT 燃料表面の相変急速熱分解プロセスについて考察した．第 3 章に示す化・熱分解プロセスを議論した．以下に各章の概要を述

従来の加熱環境における発生気体分析では m/z 200 以上の MS ピークが検出されていたが，5.0×103 K s－1 以べる．
では，ハイブリッドロケットに用い上の急速加熱環境では m/z 100 前後の炭化水素のガスられる固体燃料の特徴および現在の課題を概説し，本研発生が認められた．これは，パラフィン系の燃料表面で第1章

序章生成が予想される C1 種や C2 種と比較して高い m/z で究の目的と意義について述べた．
第2章

ハイブリッドロケット燃料

では，実用的あった．さらに，ベンゼンやスチレンなどの芳香族炭化な固体燃料に求められる事項を述べたうえで，それらの水素を含む熱分解ガスが発生することを本実験から明らかにした．

E-mail：banno.ayana@nihon-u.ac.jp
現連絡先の機関 日本大学理工学部航空宇宙工学科：274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1
学会受付

32

2022 年 8 月 31 日

第6章

LT 燃料の相変化・熱分解プロセスの考察

では，第 3 章から第 5 章の成果を踏まえて，LT 燃料表
面の相変化・熱分解プロセスを考察した．熱可塑性樹脂である LT 燃料は，従来の固体推進薬の燃焼構造と比較
ぶんせき 2023 1

第7章

して，溶融層を無視できない厚さで形成することが明ら総括

では本論文を総括し，本研究で用いかとなった．さらに気相火炎帯の燃料過多領域で生成さた分析化学的手法が他の炭化水素系を用いたハイブリッ

れる m/z 100 程度の炭化水素と芳香族炭化水素の存在ドロケット燃料の燃焼機構の調査に応用できることを示を明らかにした．さらに，境界層拡散火炎を伴う燃料表

し，急速加熱環境下の発生気体分析が燃焼シミュレー面の分子拡散および乱流拡散の観点，そして低融点系燃ションの精度向上に大きく寄与すると結論を述べた．

料に共通する燃料表面の形状変化の特徴から，ベンゼンを含む熱分解生成物の一部は未燃の状態で燃焼器外部に

公 表 論 文排出される可能性が十分にあると結論付けた．この結果

1） A. Banno, Y. Wada, Y. Mishima, T. Tsugoshi, N Kato, K. Hori,
R. Nagase : Int. J. Energ. Mater. Chem. Propul., 18, 4（2019）.

を踏まえ，推進剤の性能を表す特性排気速度向上にむけた燃料開発の提案を行った．

☆
Digest of Doctoral Dissertation
Combustion Mechanism of Low-Melting-Point-Thermoplastic fuel in Hybrid Rocket
Ayana Banno
E-mail : banno.ayana@nihon-u.ac.jp
Department of Aerospace Engineering, College of Science and Technology, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, Chiba 274-8501（Awarded by Chiba Institute of Technology dated March 22, 2022）

Hybrid rocket is considered the next-generation propulsion system for sounding rockets, new space probes, andhuman-crewed flight rockets. Paraffin-based multi-component thermoplastic fuel has a higher regression rate thanconventional thermosetting fuel. However, its suitable regression rate for real operation has not been determined andits combustion efficiency, which affects propellant performance, is still low. Therefore, in this study, we focused on thepyrolysis of paraffin-based low-melting-point thermoplastic (LT) fuel to elucidate its phase changes and pyrolysis
processes. To analyze the multiple phenomena that occur when heating multi-component thermoplastics, a detailed
evaluation of the phase changes was conducted by incorporating visual observation into the conventional method. It
was found that LT fuel has the phase-structure characteristics of thermoplastics, forming a melted layer of non-negligible
thickness under an inert environment at atmospheric pressure. Furthermore, since the pyrolysis products on rapidly
heated surfaces are sensitive to secondary reactions, the analysis of evolved gases was conducted using ion attachmentmass spectrometry, which analyzes gases non-destructively. The pyrolysis gases detected included benzene and styrene
under rapid heating conditions. This paper discusses the phase changes and pyrolysis processes occurring on the surfaceof LT fuel based on thermal analysis, evolved-gas analysis, and flame-temperature measurements.
（Received August 31, 2022）
Keywords : Hybrid rocket; LT fuel; Flash pyrolysis; TG-DSC; Py-IA/MS.

ぶんせき 2023 1

33