Ground Experiment for Development of Liquid Propellant Acquisition Devices under Microgravity

Abstract

For future space transportation system development, efficient liquid propellant acquisition technologies under microgravity could be required to realize long-term missions in orbit. Microgravity environment is generally established through drop tower, parabolic flight by airplane or orbital/suborbital experiment. These methods are large-scale or not flexible so that compact and simple method is needed for the efficient development. To respond to such request, we propose a static experiment on the ground to realize the similar static free surface under microgravity. The ground experimental result was compared with the results of two types of two-phase flow simulation codes for the verification of the methodology and discuss the characteristics of these numerical codes. We also simulated the free surface under the actual flight condition by using the same simulation method and result showed the validity of the experimental method. 記 号 の 説 明 a: 加速度, m/s 2 Bo: Bond 数,-g: 重力加速度, m/s 2 D: 容器直径, m : 流体密度, kg/m 3 : 界面張力, N/m 1. は じ め に ロケットの能力向上には，エンジン比推力の向上，機体 軽量化のみならず，上段エンジンの多数回着火，コーステ ィング（エンジン停止状態での慣性飛行）といった機能が 要求される．H2A ロケットの上段はコースティング後のエ ンジン再着火機能をすでに有しているが，2013 年現在，更 なる上段性能の向上を目指し，より長時間のコースティン グ機能，再々着火（第 3 回着火）機能の開発等を進めてい る 1) ． 上段のコースティング中，H2A ロケットでは小型の一液 スラスタを機体後方に噴射することにより，微小加速度を 発生させ，液体推進剤（液体酸素・液体水素）の推薬タン ク底部での静定を図っている．しかし，将来的な惑星間航 行，軌道間輸送，軌道上推薬補給等のより長時間に及ぶミ ッションの実現に向けては，この方式はスラスタの推薬消 費量が甚大となり適切とは言い難い 2) ．また，タンク内の 推薬の液位が低く，かつ微小重力でのエンジン着火に際し ては，推薬の揺動に伴う推薬供給配管へのガス混入，すな わちエンジンのターボポンプのガス吸い込みの危険性が高 まる．このような状況下においても確実にタンクから液体 推薬をエンジンへ導入することが求められる． 液 体 静 定 ・捕 獲 の 手 段 とし て ， 推 薬 管理 デ バ イ ス （Propellant Management Device，PMD）と呼ばれる装置を タンク内部に配し，液体を主に表面張力を利用して捕獲す る方式が挙げられ，人工衛星のヒドラジン等の推薬タンク 用としてはすでに広く実用化されている 3) ．一般にロケッ トに使用される極低温推薬（液体水素，液体酸素，液体メ タン等）の PMD については実用化の例はないが，高性能 の極低温推進薬の長期軌道上利用および保管の必要性が叫 ばれるにつれ，近年，各国において研究開発が活発化して いる 4~6) ． PMD による液体捕獲技術の開発に向けては， 微小重力環 境における液面挙動の把握が必須である．微小重力環境の 実現は，落下塔実験，航空機実験，軌道上実験等にて行わ れるが，いずれも大規模であったり，実験時間が限られ柔 軟性に乏しいなどの課題があり 7) ，これらの実験の前段階 として小規模で簡易な実験手法の確立が求められている． この要望に応えるため，本稿では微小重力環境における 静止液面形状を，地上静止環境で再現する簡易実験手法を 提案し，ロケット上段を想定した模擬実験を行った．本手 法は研究開発の効率化に資するものであり，ロケット上段 のみならず，人工衛星，将来の軌道間輸送機等の液体推薬 タンクの開発にも応用可能である． 開発においては実験の援用として解析による検証も必要 ＊1 ©2013 日本航空宇宙学会 平成 25 年 2 月 20 日原稿受付 ＊2 宇宙航空研究開発機構 宇宙輸送ミッション本部 ＊3 東京大学大学院工学系研究科 航空宇宙工学専攻 航空宇宙技術