宇宙推進システムに用いるグリーンプロペラントの基本特性に関する研究
メタデータ

言語: Japanese
出版者:
公開日: 2017-05-19
キーワード (Ja):
キーワード (En):作成者: 東, 伸幸
メールアドレス:
所属:URLhttps://doi.org/10.15118/00009190

アズマ氏

名

学 位 論 文 題 目東ノブユキ

伸幸

宇宙推進システムに用いるグリーンプロペラントの基本特性に関する研究

論 文 審 査 委 員主査

教授

今井良

二教授

樋口

健

教授

齋

藤務

特任教授

東野

和幸

名誉教授

杉岡正敏

論文内容の要旨
バイオエタノールのサルファアタックとコーキング現象について次のような知見を得た．まず，バイオエタノールに含有する全硫黄の実力値を示した．さらに，通常のバイオエタノールを用いる場合，有意なサルファアタックの影響はないことを示した．また，Inconel はコーキングによる表面粗さの増加があることを示した．そして，熱伝達係数への影響評価から，バイオエタノールは 500K 付近を超えると分解が始まり，熱伝達係数が減少するためエンジン燃焼室の設計において考慮が必要であることを示した．エンジンシステム計算結果から，再使用回 数の評定が熱サイクル疲労ではなくコーキングが評定になることを示すとともに，再使用予想回数を定量的に示した．以上より，バイオエタノールを用いる再生冷却エンジンの設計上有益な研究成果を得た．

HAN/AN/メタノール/水の混合溶液の安全性評価に関する基本特性を取得し，次のような知見を得た．毒性に関するリスクアセスメントから，推薬充填作業はヒドラジンよりリスクレベルが低いこと，及び他のグリーンプロペラント候補と同じリスクレベルであることを示した．衝撃感度試験から SHP163 の衝撃感度は他の高エネルギー物質と比べ低いことを示した．熱分解温度計測から，熱分解温度の低下要因と熱分解下限温度の目安を示した．燃焼速度計測から，HAN/AN/メタノール/水の混合溶液の組成中の各成分が燃焼速度に及ぼす影響を示した．以上より，HAN/AN/メ
タ ノ ー ル /水 の 混 合 溶 液 を 用 い る モ ノ プ ロ ペ ラ ン ト の 安 全 性 評 価 に お い て 実 用 上 有
益な研究成果を得た．

ABSTRACT
Sulfur attack and coking problem for bio -ethanol have been examined. We obtained fielddata of total sulfur concentration in bio -ethanol produced in normal process in bio -ethanol
plant and found that normal bio-ethanol will not cause the sulfur attack problem. However,
we observed the increase of surface roughness because of coking when In conel was used.
Furthermore, we found that a temperature of approximately 500K have to be taken into
account for designing a combustion chamber, because bio -ethanol starts to decompose andheat transfer coefficient starts to decrease at around 500K. From t he engine system
calculation taking into account the effect of coking, we found that the driving factor of thenumber of times of reusability is not the material cycle fatigue but coking and obtained
estimated number of times of reusability. From this stud y, we obtained beneficial resultsfor designing the regenerative cooled rocket engines by use of bio -ethanol.

Basic properties of HAN/AN/methanol/water mixture solutions were examined forevaluating the safety of the propellant. The risk assessment proved the risk level of thepropellant loading operation of HAN is lower than that of hydrazine and as same level asother green propellant candidates. From the large scale gap test (LSGT), we found that
SHP163 has low sensitivity compared to other high energetic materials. From themeasurement of thermal decomposition temperature, we found the contributing factors fordecreasing the thermal decomposition temperature and suggested a rough standard oflower limit of decomposition temperature. From burning rate measurement, the effect ofeach component in HAN/AN/Methanol/Water mixture onto the burning rate became clear.
From this study, we obtained beneficial results for evaluating the safety of thismonopropellant.

論文審査結果の要旨
本研究では、環境や人体に優しい燃料としてロケットや宇宙推進機への適用が有望視されている、バイオエタノールおよびＨＡＮ（硝酸ヒドロキシルアミン）の化学的特性、熱流動特性が明確にされた。バイオエタノールに関しては再生冷却ロケットエンジンへの適用を想定した冷却流路材料に対するサルファアタックおよびコーキング特性を明確にされ、これらによる熱流動特性の変化を考慮した再生冷却エンジンのシステム検討を行なった。ＨＡＮについては、ＨＡＮ／メタノール／水混合溶液について毒性に関するリスクアセスメント、および衝撃感度特性、熱分解下限温度、燃焼速度に関する実験的計測を実施した。これらの計測結果は、一液式推進器への適用に向けた安全性評価の基礎となるものである。
上記より環境および人体に優しい燃料として、バイオエタノール、ＨＡＮをロケットエンジン、一液式推進器に対し、適用可能であることを示すことができた。本論文の構成と内容は以下のとおりである。
第１章では序論として、宇宙輸送システムと現状、グリーンプロペラントの現状について述べている。
第２章では研究概要および研究目的を述べている。
第３章では、バイオエタノールの高圧環境下でのサルファアタックおよびコーキング特性の解明につき、述べている。
バイオエタノールのサルファアタックとコーキング現象について次のような 知見を得た。まず、バイオエタノールに含有する全硫黄の実力値を示した。さらに、通常のバイオエタノールを用いる場合、有意なサルファアタックの影響はないことを示した。また，Inconel はコーキングによる表 面 粗 さ の 増加 が あ るこ と を 示 し た 。
そして、熱伝達係数への影響評価から、バイオエタノールは 500K 付近を超えると分解が始まり、熱伝達係数が減少するためエンジン燃焼室の設計において考慮が必要であることを示した。エンジンシステム計算結果から、再使用回数の評定が熱サイクル疲労ではなくコーキングが評定になることを示すととも に、再使用予想回数を定量的に示した。以上より、バイオエタノールを用いる再生冷却エンジンの設計上有益な研究成果を得た。
第４章においては、硝酸ヒドロキシルアミン（ＨＡＮ）の基本特性の解明について述べている。
Ｈ Ａ Ｎ /硝 酸 ア ン モ ニ ウ ム （ Ａ Ｎ ） /メ タ ノ ー ル /水 の 混 合 溶 液 の 安 全 性 評 価に関する基本特性を取得し、次のような知見を得た。毒性に関するリスクアセスメントから、推薬充填作業はヒドラジンよりリスクレベルが低いこと、及び他のグリーンプロペラント候補と同じリスクレベルであることを示した。
衝撃感度試験からＳＨＰ１６３の衝撃感度は他の高エネルギー物質と比べ低いことを示した。熱分解温度計測から、熱分解温度の低下要因と熱分解下限
温 度 の 目 安 を 示 し た 。 燃 焼 速 度 計 測 か ら 、 Ｈ Ａ Ｎ /Ａ Ｎ /メ タ ノ ー ル /水 の 混 合
溶 液 の 組 成 中 の 各 成 分 が 燃 焼 速 度 に 及 ぼ す 影 響 を 示 し た 。以 上 よ り ，Ｈ Ａ Ｎ /Ａ Ｎ /メ タ ノ ー ル / 水 の 混 合 溶 液 を 用 い る モ ノ プ ロ ペ ラ ン ト の 安 全 性 評 価 に おいて実用上有益な研究成果を得た。
第５章においては、各章で得られた結果に基づいて、本研究の結論をまとめている。

バイオエタノールの高圧環境下でのサルファアタックおよびコーキング特性の解明においては、高濃度硫黄含有時はサルファアタックにより表面粗さが 増 加 す る こ と 、 ま た Incone lを 用 い た 際 に は コ ー キ ン グ に よ り 表 面 粗 さ が 増加することが解明されたことから、今後エンジン設計指針を決定するには、硫黄分の最大許容含有量の設定やコーティングなどによるコーキング抑制方法の検討など、更なる試験と評価が今後の課題であるとした。
硝酸ヒドロキシルアミン（ＨＡＮ）の基本特性の解明においては、熱分解温度低下についての詳細メカニズムを同定するためにはさらなる検討が必要であること、線燃焼速度は溶液の成分構成比、圧力、温度、境界面の不安定性など様々な要因により影響を受けるため、線燃焼速度の予測や更に低燃焼速度の溶液を見つけるにはさらなる検討が必要であるとした。
上記成果は、バイエタノール、ＨＡＮの化学的、熱流動特性を明確にしただけでなく、これらを燃料とした将来型宇宙機の成立性、課題を明らかにしたもので、宇宙推進工学の発展に寄与する部分が大きい。これにより、本提出論文は、学位論文として認められると判断した。