宇宙システム部の「売りの技術」
宇宙システム部では、国立研究開発法人宇宙航め、地上で実験を行った場合は自然対流の影響を空研究開発機構（JAXA）の協力の下、国際宇宙ス大きく受けてしまう。軌道上の恒常的で良質な微テーション（以下、ISS）日本実験棟きぼうでは初の小重力環境を用いれば、自然対流の影響を受けな燃焼実験装置となる GCEM（液滴群燃焼実験装置：

い液滴群の燃え広がり現象を観察することができGroup Combustion Experiment Module）を開発し、地る。

球の軌道上で運用されることにより、噴霧燃焼現象

本実験装置は、3 種類の実験が実施できる。

（1）（2）に対する貴重な成果を収めた。ここでは GCEM

（1）実験 1の装置概要およびその成果について紹介する。

液滴群要素（5 個液滴）およびランダム分散液滴群（最大 152 個液滴）の燃え広がりを観察す

1. 装置開発の背景る。

噴霧燃焼は、液体燃料を微細な液滴に霧化した（2）実験 2上で燃焼させる一般的な方式であるが、相変化お直線状に配置され、その直線方向に移動可能よび化学反応が混在する非常に複雑な現象であるな状態の液滴群について、燃え広がりおよび液ため、噴霧燃焼機器の開発は依然として経験則に滴自体の移動挙動を観察する。

よるところが大きい。

（3）実験 3

液滴群燃え広がり現象の詳細な観察・解析には、2 ～ 5 個の液滴から成る液滴クラスタ間の燃実際の噴霧における液滴よりも大きなスケールのえ広がりを観察する。

液滴（直径 1mm 程度）を対象とする必要があるた

2. 本実験装置の開発コンセプト
本実験装置に対する特に重要な必要条件を以下に示す。以降に各項目の詳細を述べる。
（1）火災安全性設計（2）軌道上運用での使いやすさ（3）高精度な液滴径の再現
2.1 火災安全性設計
ISS での運用を行う実験装置は、ミッションに対する機能的な要求を実現するだけでなく、安全審査を受審し、各種安全性を立証しなければならない。本実験装置はその成り立ち上、「火」を扱うことが避けられないため、とりわけ火災安全性につ図1

GCEM 外観

いては慎重な設計が必要とされた。
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2.2 軌道上運用での使いやすさ

燃焼実験以外のフェーズにおいては、意図しない発火が生じないよう 2 故障許容設計としている。

ISS には複数のクルーが常駐しており、実験にか例として、着火信号が誤発出されたとしても、燃かわる各種作業を依頼可能ではある。しかしなが料を吐出するためのガラス管ニードルが退避カバー

ら軌道上クルーの作業時間は、ISS 内で実施される内に退避・隔離されていれば発火に至らない。ささまざまな実験等との間で共有しなければならならに、この退避を検知するリミットスイッチが退いため、極めて貴重な時間である。したがって、軌避を誤検出した場合であっても、もう 1 つの検知道上クルーに依頼する作業は必要最低限に抑える方法であるカメラ画像による検知がこれをカバーことが必要である。

する。

本実験装置においても、軌道上クルーに依頼す

一方で、燃焼実験フェーズにおける燃焼現象は、る作業は、実験装置の組立・分解、雰囲気ガス充意図的に発生させなければならない「火」である。

填用空気ボンベおよび燃料シリンジの交換等に抑この「火」の発生が許容できる領域は燃焼容器のえており、燃焼実験については、地上からの遠隔みに制限し、封入可能な設計とすることで、燃焼操作のみで運用が可能な設計としている。

現象は制御下にある「火」として取り扱いを可能

例えば、実験条件数としては合計 200 近くが計にした。

画されているため、各条件における実験装置の動作シーケンスは、実験条件数分の「実験シーケンスファイル」で定義している。地上からのコマンド発行により、当該ファイルを読み込み、実行すれば、1 つの実験条件が自動的に完了する。
さらに、実験条件の主要パラメータである液滴配置等、液滴生成に関する設定は「液滴生成パターンファイル」として定義し、前述の「実験シーケンスファイル」の中から呼び出す構造とした。頻繁に変更することが予想される部分を別ファイル化することにより、ファイル更新範囲を限定することができるため、急な液滴配置変更の必要性が生じた場合においても、変更箇所の把握が容易であり、変更ミスの低減効果も期待できる。
2.3 高精度な液滴径の再現液滴を精度良く生成することは、燃焼開始時の初期条件を整えるために非常に重要である。実験における要求液滴径精度は、「目標径 ±5％」となっている（目標径は標準で 1mm）。

図2

燃料である正デカンは比較的揮発性が低いもの

大西宇宙飛行士による GCEM の組立（©JAXA）の、150 個程度の多数液滴群を生成するためには—82—

30 分程度を要することから、蒸発の影響は無視で

3. GCEM の概要

きない。単純に 1mm 径の液滴を生成し続けたので
3.1 全体概要

は、30 分後には序盤と終盤に生成した液滴の大きさに差が生じてしまう。本実験装置では、燃料の本実験装置は以下の主なサブシステムから構成

吐出量制御に液滴の蒸発予測を盛り込むことにされており、「きぼう」内の多目的実験ラックに搭よって、目標径に揃った多数液滴群を生成するこ載された状態で運用する（図 4 参照）。とができる。

（1）燃焼容器

例えば、軌道上初期検証時の液滴生成精度確認

本容器内で燃焼現象を発生させる。詳細を
3.2 節に示す。

において、ランダム分散液滴群（97 個液滴）を生成した結果、液滴径 1mm±5％の達成率は 95％以上（2）観察系となった（図 3 参照）。

高解像度デジタルカメラおよび高速度カメラ（実験 2 専用）から構成され、現象を撮影する。
（3）燃料供給系
正デカンが充填されたシリンジユニットとシリンジを定量押しするための燃料供給機構から構成され、燃焼容器内に燃料を供給する。
（4）給排気系
雰囲気ガスが充填されたボンベからの空気供給、ISS からの窒素供給および燃焼容器内雰囲気の排気を制御する。

図3

97 個液滴群の生成結果画像（©JAXA）

図4

GCEM 装置構成—

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（5）電源・通信制御系

る。また、バックライトも設置されており、液多目的実験ラックから電源供給を受け、各機滴の直径計測を目的としたバックライト撮影に器へ分配する。また、地上と通信（テレメトリ用いられる。

送信、コマンド受信等）を行いつつ本実験装置（3）燃料吐出部を統括制御する。

ガラス管ニードル（外径 50mm 程度）から燃料を吐出し、液滴支持装置に液滴を生成する。

3.2 燃焼容器概要（4）着火線

燃焼容器内には以下の機器が設置されており、電熱線方式の着火線が、4 式設置（バックアッ

この内部で燃料液滴群を生成し、着火する（図 5プ用含む）されており、これらへ通電すること参照）。

により液滴の燃え広がりが開始する。

（1）液滴支持装置

4. 軌道上運用における成果

SiC ファイバ（直径 14mm）が縦横に 4mm 間隔で 30 本ずつ格子状に張られており、その交点

2017 年 2 月 17 日、GCEM の軌道上での初期検証に直径 1mm 前後の液滴を支持する。さらにもう中、世界で初めて微小重力環境下においてランダ1 本、直径 78mm の SiC ファイバも張られており、ム分散液滴群（97 個液滴）を生成し、その燃え広実験 2 における移動可能液滴の支持に使用する。

がり現象観察に成功した。この様子を時系列順に
図 6 に示す。

（2）3 軸トラバース機構
液滴支持装置の所定位置に液滴を 1 つずつ生

その後、2017 年 7 月初旬にかけ、GCEM は約 5 ヶ成するため、燃料吐出部を 3 軸方向に移動させ月弱の軌道上実験に用いられた。その間、JAXA、

図5

燃焼容器概要—84—

研究者の諸先生方のご尽力のもと、150 回以上の軌道上実験を実施することに成功し、実験 1 ～ 3 に対する貴重なデータを得た。
得られたデータは現在、研究者の手により詳細解析中である。
文責
制御システム事業部（a）1/4

宇宙システム部

次長

石川 知良
参考文献

（1） 株式会社 IHI 検査計測：宇宙ステーション「きぼう」初の燃焼実験に成功、IHI 技報、第 57
巻、第 3 号、2017、pp.18-21（2） JAXA ホームページ：http://iss.jaxa.jp/kiboexp/（b）2/4equipment/pm/mspr/gcem/（c）3/4（d）4/4

図6

97 個液滴群の燃焼（©JAXA）—85—

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