放射加熱下におけるハイブリッドロケット用PMMAおよびワックス燃料の燃料後退速度特性

摘要

昨今深宇宙探査が盛hに検討されており，それに伴いミッション要求も厳しくなっている．重力天体の表面探査においては，比較的大きな推力を必要とするため着陸機のエンジンとして使用する化学推進系についても革新させることが必要である．特に，深宇宙では推進剤の凍結を防ぐためヒーターの消費電力が大きくなることが問題で，その点固体燃料を用いるハイブリッドロケットは推進剤の温度管理がその分軽減されるという利点がある．また，ハイブリッドロケットは推力をコントロールするために酸化剤の流量制御が一般的に行われているが，着陸の際の衝撃を緩和するための，応答性が速く細やかな推力制御には向いていない．これに対して燃料に放射熱を加えて燃料後退速度を増加させ推力を変化させる方法は，燃焼室内の燃料に直接作用するため応答が速く，さらに放射熱流束を細かく変化させことで精密な推力発生が可能になる．また，ハイブリッドロケットには破壊的ではないものの，ある程度の強度の振動燃焼が発生する場合があり，その際上記の手法は応答性が高いため振動燃焼の能動制御にも使える可能性がある．加熱手段についても近年，半導体レーザーの進展により軽量・低消費電力で高出力を発生するものが現れており，内燃機関の点火器としての利用も検討されている．このような応用の可能性がありながら，放射加熱によるハイブリッドロケットの燃料後退速度の制御に関する研究はこれまでにあまり行われてこなかった．そこで，著者らはまず定常燃焼中の燃料表面に一定の放射熱流束を加えて燃料後退速度特性を測定した1-3)．その際，レーザーでは広範囲に亘って一様に高熱流束を照射することは難しいため，赤外線放射加熱装置を使った．しかしながら，それでも熱流束分布は十分に均一ではなかったため，今回は照射領域を狭めて実験を行った．その分，消費燃料が少なくなるため燃料後退速度の値に誤差が生じるが，質量測定の精度向上によりそれを補った．燃焼中の固体燃料表面上には多少なりとも溶融層が存在すると考えられるが，燃焼面に平行な重力加速度の成分によりこの溶融層の流れが変化し，燃料後退速度に影響を及ぼすことが分かっている3)．今回は燃焼器の勾配の範囲を拡大して流れに沿う加速度を変化させ，その影響を定量的に調べた．なお，酸化剤として気体酸素（GOX），燃料には合成ワックス， またはPMMA （ polymethylmethacrylate）を用いた．