低毒性 推進剤 を用 いた二液 式推進 系の 性能 向上 に向 けた研究

平 成29年 度(2017年 度)学 位 論 文(修 士)

低毒性 推進剤 を用 いた二液 式推進 系の 性能 向上 に向 けた研究

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首 都 大 学 東 京 大 学 院

シ ステムデ ザ イ ン研 究科 システ ムデ ザイ ン専攻 航 空宇 宙 システ ム工学域 博 士前期 課程

学修 番号16891535

氏 名 松 島 純

指導教員 佐原 宏典 教授

平 成30年(2018年)1月26日

摘 要

超 小 型 衛 星 で の 実 現 が 期 待 さ れ る ミ ッ シ ョ ン の 中 に は コ ン ス テ レ ー シ ョ ン や ラ ン デ プ ー ド ッ キ ン グ な ど が あ る.こ れ ら の ミ ッ シ ョ ン を 遂 行 す る た め の 技 術 的 な 裸 題 と し て 衛 星 の 位 相 ず ら しや 軌 道 補 償 が 挙 げ られ る.そ し て,こ れ ら を 達 成 す る た め に 推 進 系 の 搭 載 が 必 要 で あ る が,大 型 衛 畢 で 使 用 され て い ろ 推 進 剤 で あ る ヒ ドラ ジ ン は 発 が ん 性 を 有 し て 厳 重 な 取 り扱 い が 必 要 に な る た め,低 コ ス ト開 発 をli指 す 超 小 型 衛 星 に は 不 向 き で あ る.

本研 究 で は,低 毒性 推 進 剤 で あ る60wt%過 酸 化 水 素 水 に 注 臼 し た.60wt%過 酸 化 水 素 水 は 加 速 的 な 自 己 分 解 を 起 こ さず,民 生 品 と して 入 手 可 能 で 取 り扱 い 性 が 良 い.当 研 究 室 で は60wt%過 酉憂化 水 素 水 の み の ・液 式 推 進 系 と ・液 式 推 進 系 か ら性 能 向 上 を 目 指 して60%過 酸 化 水 素 水 と エ タ ノ ー ル を 用 い た 二液 式 推 進 系 の 閥 発 研 究 を 行 っ て き た.二 液 式 推 進 系 は 燃 焼 室 圧 力 がi=昇 せ ず,点 火 し な い と い う 課 題 が あ る,そ こ で,こ れ ら の 課 題 を 解 決 す る た め,触 媒 の 数 を 増 や し,60wt%過 酸 化 水 素 水 の 分 解 効 率L昇 を 達 成 す る こ と,燃 焼 室 圧 力 の1=界 を 解 決 す る た め に 従 来 と 比 較 して 燃 焼 室 の 直 径,体 積 を 小 さ く した 燃 焼 室 を 新 た に 開 発 す る こ と の2点 を 二 液 式 推 進 系 の 性 能 向iを 日的 と し て 行 っ た.

ガ ス ジ ェ ネ レ ー タ を 新 規 設 計 し 】器 に つ き 触 媒2個 を 封 人 で き る よ う に し,そ の ガ ス ジ ェ ネ レ ー タ を 用 い て 燃 焼 実 験 をh:.一,た,燃 焼 室 圧 力 が300kPaAま でL昇 し,推 力 がLO8N,比 推 力47.9秒 を 真 空 中 換 算 で 算 出 し た,ま た,燃 焼 室 を 新 規 設 計 開 発 し,そ の 実 現 性 を 確 認 した,

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図 目次

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HTVとISSの ラ ン デ ブ ー ド ッ キ ン グLl),̲.̲,̲.,...̲.̲.,...一.̲̲̲,̲.一...̲.T.,̲、̲̲.̲.̲...2

GPSの コ ン ス テ レ ー シ ョ ン イ メ ー ジ14)̲.̲̲̲.̲̲̲̲...̲.̲̲̲̲̲...̲̲..̲̲̲̲,̲̲̲2

各 捕{.進 系 の/一 ヒ1難 力 と1『 盤 ノ」 密 度Ls)̲̲...̲̲̲,̲̲̲..,̲,...̲̲,̲̲̲̲..̲̲.̲̲̲̲̲̲....̲̲2

ヒ ド ラ ジ ンtNス ラ ス タ(MT.‑9)lh.,..̲..一...,.,.̲.̲..̲....̲...̲.̲̲̲..,...̲,,.̲.̲,̲,̲.3

ヒ ド ラ ジ ン 充 填 ・作'業 ユ〔,:̲.,̲.̲..̲..囑..t̲.̲.̲..,,.̲̲..,..,..̲...̲,̲̲.,.,,...̲...,...,、.̲.,̲,̲,̲3

HPGPス ラ ス タ ユ「'}̲̲̲̲,..,,.̲̲̲̲..̲..̲̲...,̲̲..̲̲̲...̲.̲̲̲̲̲..̲...̲.̲,̲̲.̲.4

」」墨 酉安 ずヒ.水 素 バ 、くの 濃 月芝{こ1よ る づ)'角 皐 禦 〜 と 蒸{発i汀 毫i:禦 〜..̲̲̲.̲̲̲...̲̲.̲̲,̲.̲̲...̲̲̲̲̲噛̲.、,4 TMU‑SSLO3の 外 観.̲̲̲̲̲,̲̲̲..̲̲.̲̲̲̲..̲....̲...̲̲̲、̲̲....̲...、..̲̲̲̲̲6

TMU‑SSLO4の 外 観̲̲̲.̲...̲̲,̲̲...̲̲.̲..̲,.,̲̲̲̲.̲.̲』.̲̲̲、̲̲̲...6

TMU.SSLOSの 外1観̲..̲̲̲̲̲...一.̲̲̲̲̲̲...̲̲̲̲.̲..̲̲̲..̲..̲..̲̲̲̲̲̲̲7

TMU.SSLO2の 外 観̲̲.̲̲.̲...̲.,̲̲̲...̲̲..̲.̲̲.̲̲̲̲̲.̲.̲̲.̲̲̲̲..̲̲.,7

TMU‑SSLO5の 外 観....̲..̲̲.̲̲.̲̲..̲..̲..̲̲̲."̲̲....̲...̲̲̲̲.,.̲̲̲...̲.̲̲̲̲̲8

BP‑04の 外 観̲..̲..̲̲̲̲̲.̲.̲̲̲̲.̲̲.̲̲...̲̲.̲̲.̲..̲̲.̲̲,̲̲̲...8

BP.20内 部 モ デ ル 断 面 図̲.,...̲.̲̲̲.、.̲̲...̲.̲̲.̲̲̲,̲...̲̲̲,̲̲̲.̲.,8

i寸{!力 発 ノ:1.三(ハf・・i=糸且 み...̲̲̲..̲̲̲...̲.̲̲̲̲̲.̲...̲...̲.,....̲.̲.̲̲...̲̲、,̲.̲̲̲.̲....9

BP‑04燃 焼 実 験 の ・供 給 系 系 統 図̲...̲..̲̲̲̲̲...̲̲̲̲.̲、̲̲̲..̲.̲,..̲̲̲̲̲̲..10

本 研 究 で 使 用 す るr.液 式 推 進 系 の 供 給 系 系 統 図̲̲̲̲...̲̲̲̲..,...̲̲..̲.̲̲̲̲1⑪ 304L‑HDF4.400の 外 観̲̲̲.̲̲̲...̲̲̲̲...̲.̲...̲̲̲̲,.̲.̲̲̲̲..̲̲...̲...̲..̲̲̲ll 304L‑HDF4‑75の 外 観..̲̲̲.̲̲.,.̲..̲̲̲̲̲.̲̲...̲.̲..̲̲̲̲̲̲.̲...̲̲̲̲..̲̲...ll USB3.6‑1‑Mの 外 観̲̲̲̲̲̲.̲̲̲̲.̲̲.̲.̲̲.̲..̲,...̲̲̲.̲̲...̲̲̲..̲̲.̲̲̲.12

AG31一 ⑪1‑1く ノ)タ ト・観..,.̲,.,,.,,..,,.̲..,,..̲....̲..̲,.,.,..,,̲.,,..̲.̲,...噛 咽.̲.,.,.,,..,...,.,̲..響,̲..̲̲.董2 SS̲2C̲1(ノ)タ ト崔 見,̲..,̲....̲...̲̲,̲̲̲̲̲̲,...̲̲,,.̲̲̲...,...̲̲.,、.,̲̲̲...̲̲.̲̲.̲̲̲.!2

SS,2F.05の 外 観....̲.̲̲̲.̲,̲̲̲̲....̲̲...̲̲̲,.̲̲...̲.̲̲...̲̲̲.̲̲...̲̲..̲、.̲̲13

SS‑2MG‑MHの 外 観...̲.,.̲̲̲....̲...̲̲̲̲̲̲..,̲̲,.̲.̲̲.、 、̲..̲̲̲...̲T̲̲̲̲̲̲̲13 ス パ ー ク ブ ラ グ の 外 観 、̲..̲.̲̲.,...,...̲...,.,...,̲̲̲.,̲..̲...̲,.,,.̲̲.,...̲...,̲,̲,̲、̲,13

FD‑SSO2{力 外 循見.̲..̲.̲,̲̲̲̲̲..̲̲̲.̲,̲...̲̲̲̲̲̲...̲̲̲̲.̲.̲̲..̲̲̲̲,̲̲̲目 ・ AP‑13sa)外 観....̲̲.̲̲̲̲̲̲.̲..̲.̲..̲,.̲̲̲.̲...̲̲̲̲.,̲...̲̲.̲..̲̲、̲̲̲14

1.剰2.25ガ ス ジ ニLネ レ ー タ の 外 観 図 AP‑V80の 外 観...̲̲̲̲,̲̲̲̲.̲.̲...̲....̲̲̲.̲̲...̲..̲..̲..̲̲̲.̲..̲̲̲.̲̲̲.̲14

K型 熱 電 対 の 外 観̲̲̲̲̲̲...̲....̲.̲.̲̲..̲̲...,....̲̲̲̲..̲,..̲̲̲̲..̲̲̲....15

R型 熱'FkJ対 の タ ト,観̲.̲.,̲̲̲̲.̲̲..̲.̲.̲̲̲..,...̲..̲.̲.̲..̲̲̲...̲.̲̲.̲̲̲̲....』̲15

「NR ‑500の タ ト ・観35し.̲̲.̲....̲.,..̲.̲̲̲̲̲...,.̲..̲̲̲̲、̲̲.̲̲....̲..̲̲̲̲...,̲.̲,.̲̲̲.15

NR̲HAO8U)々 ト観 ヌ句,̲̲̲.̲.,̲̲.一̲.̲̲.̲.̲.̲.̲..̲..̲̲̲̲..̲...̲̲̲̲̲,̲.̲.̲..̲̲」6

NR‑THO8の 外 観3フ1̲,̲...,...̲..̲,.̲.̲̲̲̲.̲̲..̲̲̲̲̲̲...̲̲̲̲.̲̲̲....̲.̲..̲16

KX‑IOOLの 外 観.̲..,̲̲...̲..̲..̲̲̲̲̲...̲̲̲,̲̲.、...̲..̲...、̲.̲̲..̲,̲...̲̲̲16

メ タ ル ハ ニ カ ム 白 金 触 媒 の 外:観̲.̲̲..̲...̲̲...̲̲.̲̲̲...̲̲.̲.̲̲̲.̲.̲..̲̲̲17

ア ト マ イ ザ に1に る1噴 霧 罰̲...̲̲̲̲̲̲,̲̲̲̲.̲̲、̲̲.̲....̲̲.̲̲...̲̲̲...̲̲̲̲,17

・f翼ミ糸 含1・E/J Iと11̀'窒'1穿 半㍍f「 旨 の 「}IJ係ss}...層 層層.,...、..、..̲.,...噛.響 、噛噛.̲̲,̲...,̲...層 層.̲̲...̲幽 『...18

流 埴 抵 抗 別 の 供 糸合 圧 力 と 噴 霧 流litの 関 係:,s)..̲̲̲.̲̲...̲..̲.,...̲̲̲.、̲..̲̲̲.̲.̲18

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目次

第1章 序 論

1.1背1罫 ・

L2低 毒性 推 進 剤

1.2.1HAN系 推 進 剤 L2.2ADN系 推i進 剤 L2,3過 酸 化 水 素 水(Hユ0ユ}

L2,4エ タ ノ ー ル(CユH50H)

1.2,5ジ メ チ ル エ ー一一テ ル(CH3‑O‑CHr,)26}

1.3宇 宙 シ ス テ ム 研 究 室 の 研 究 開 発 と 課 題 L4Lil白 勺

墓133445558

第2章 二 液 式 推 進 系 概 要 2.】 惟 力 発 生 の 仕 組 み 2,2供 給 系 と 実 験 装 置 2,3触 媒

0/0ノ

2,4推 進 削 噴 霧 器(ア トマ イ ザ) 2,5ガ ス ジ コ=ネ レ ー タ

2.6BP‑20ト ー チ 設 計 2.7BP一 ⑪2ス ラ ス タ1没 詩

0ド07'Q'9rDlーー11,一

第3章BP‑20ト ー チ 燃 焼 実 験 3.1BP‑20卜 一 チ 燃 焼 実 験 概 要 3.2BP‑20ト ー チ 燃 焼 実 験 成 、lt:性確 認 3.3BP‑20ト ー チ 燃 焼 実 験 荊土1果

0∩U15■JOj(﹂り﹂

第4章BP‑02燃 焼 実 験 4.lBP‑02燃 焼 実 験 概 要 4.2BP‑02燃 焼 実 験 成{五 性 確 認

9Ω'9,4直可4

第5章 考察

5.iBP‑20ト ー チ 燃 焼 実 験 考 察 5.2BP‑20ト ー チ の 比 椎 力 算 出

11ー﹁}fJく﹂

第6章 結 論

6孕1結 論 6.2今 後 の 課 題

4且'﹂〒=﹂月う月﹂コ

参考文献 55

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ヵ ス ン 」一ネ レ ー タ σ)断1血1刈...

ス ラ ス タJl多 羽L.t....̲̲̲.

ノ ス ル 闘 口 比 と ノ ス ル 出 口 ∫r力 ・ 比 捻 力 の 閉 係...

ノ ス ル 開 口 比 と ノ ス ル 川 口Jl・ カ ・ 比 推 力 の1臭1係(1」 月tl比1‑20).

BP‑20ト ー・一一チ の 外 観 図 BP‑20ト ー チ 断1田 図

で夜 工に牲1,些 系(ノ)n貞 導j〔1)様 ゴ 混 合 比 と 比 錐 力 の 関 係 証底 合.Lヒ と'},J1'圭非JI矢L趣 凡とび)膜 」係.

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BP‑20ト ー チ 燃 焼 実 験 外 観 図 BP‑20卜 一 チ 燃 焼 実 験 ス ラ ス タ 周 辺 BP‑20卜 一一

JL7Jと ず品 ノ.曳(ノ)イ貝ll巧ご恥㌔果(#1)

=[タ ノ ー一 ルtitも{,L(/){りil疋示占果{#D ..■ ■..

圧 力 と 温 度 の 測 定 箱 果(#2) ユ タ ノ ー ル 流 雛 の 測 定 績 果(#2) J1:ノ 」と 論tlj乏び)洩U7圭ii,iiSilt(#3) エ タ ノ ー ・ノレピ希二㍉曳び)}則 ㌦乞i『IL1耳キ(#3)

ILカ とtll晶度 の 測 定 イ11果(#4}

エ タ ノ ー ル 流 量 σ)測 定 結 果(桝) 圧 力 と 温 度 の 測 定 名卦果{#5)

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チ1然1尭 実 験hk・ 「'!生百存己91共≠合系 系 統 「周

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」1阯珪重プfl」f∫琵r直 とf盤11皇.の,則 冠=イb占果(#8)

∫1カ の 測̀定 佑11果{#9)...

据王進fiil̀荒f直 とfl,VSと の 担lj,i」予占果(#9).

汗 力 の 測 走 結 果(#lo)...̲̲̲.

打ト進 善lh病 壌 と ぬt度 の 測 庄 イ吉果(#10) i1/J{ノ)tlli」'圭二斥占Aミ(#11),

折1通工プ〒1]1允量罫 とf品圭'愛(ノ)慣lj・」ご示占 果(#ID tigの 火 炎 σ)鳳 ∫.

1t一力 の 測 定 結 果(#12)..

棺1旦 荊 流 肌 とtt。1度 の ぜ員綻'示ll1果(#12) 1}カ の 調 定 結 果(#13)

牛栴 進 メ〒llf允:1:と 盛置1.S'とび)≧Vil定f'1果(#13).

月 ノJの 測 定 糺 果(#14).

1で1巡 弄 彗f脳tと 温 度c.,)測 定 イ「1課(#14>

エ タ ノ ー ル 流 娯 の 測 定 結 果(#5)

#sの 火 炎 の 様 ∫

#5σ)火 炎 び)様 一∫...

圧 力 の 測 定 結 果(#6)..̲̲.

推.直 剤f充 堪 と{温 ノ隻 の}則 知̲イ占果(#6) lt/Ja)がlj瑳 二奉ll、井ξ(#7)...

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図3.35 図3.36 図3,37 図3.38 図339  .刈3.40 11爵3.4}

図3.42 図3.43 図3.44 図3.45 図3,46 図3.47 図3.48

図 曙,】

図4.2 図4.3 図4.4

圧 力 の 測 定 結 果(#15)

推 進 剤 流 量 と温 度 の 測 定 結 果(#15)

∫1三ノ」び)i旦{i王'定辛k'果(#t6)

推i進剤 流 壁 と 温 度 の 測 定 結 果(#16) 月≡ノ」の 灘 定 結 果(#17)

推 進 剤 流 ・量 と 温 度 の 測 定 宗吉果(#17) S1{プフび)i貝1」定 牽占果(#】8)

推 進 剤 流 賦 と 温 穫 の 潰1定結 果(#監8)

1'妊ノ](ノ){貝1」7i三帝1ヤ」》1ミこ(#19)

推 進 剤 流 最 と温 度 の 測 定 結 果(#19)

1土三ノ」(わ芋貝胡珪芸辛吉果(#20)

推 進 剤 流 埴 と瀦 度 の 測 定 結 果(#20) 圧 力 の 測 定結 果(#2D

推 進 斉ll流縫 と 温 度 の 演1定結 果(#21) BP‑02燃 焼 実 験 の 供 給 系 系 統 図 BP‑02燃 焼 実 験 成 、=1=性確 認 の 様 ・子 BP‑02燃 焼 実 験 成 、1/1性確 認 の 流 量 樵 移 BP,⑪2燃 焼 実 験 成 、1滑緒三確 認 の 温 度 月三力 椎 移

IIl‑22334444559900444444444444444455

表 目次

表表表表表炎表表表表表表表麦長長表表長表表表表表長長表表表表表麦炎表長表表表表表 O123456789⑪1234567123456123456789‑1‑1111ーー璽22222222‑2345678

             ののの      も           の の のぐぐ111111つ一つ一つ一つ一つ一つ一つ],一,白つ一つ﹄う一,一つ一う岬う一(∠つ・﹂う・佃う均,葡つ薗{ノ葡{ノ鞠う一う・歯つ一﹁,﹁,﹁﹂内,﹁﹂﹁,丙﹂﹁﹂

60wt{}もi趙 酸fヒ 刀く素 」・(の4勿'1生f直 工 ・タ ノ ー ル の 物 性 値

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ジ メ チ.IVエ ー一テ ル の 物 性1直

イ'佐」雄 斉1」(ノン'生 育旨歩ヒ41交 ユハ,

宇1、i.iシ.ス テ ム ・研 究 室 の 過 去 の ス ラ ス.タ 研 究 開 発 ユ91ユql3̀胴 〕32曲 油 [)e号Ei)・k果 と̀1果 題29)2C)).:O)31)3ユ133,341̲.̲̲,̲̲.̲̲、̲̲̲̲̲̲..、̲̲一̲̲̲̲.̲.、̲̲̲̲̲,..̲̲̲、...7 304L‑HDF4‑4・O⑪ の で.:様̲̲.,̲.,̲.̲、..,̲̲̲.̲,.̲̲.̲̲̲̲.̲̲.̲.̲.,.̲.̲..̲̲.̲,,響ll

304L‑HDF4‑75のti':・ 様̲.,.̲.、̲̲̲̲...̲̲.,̲.̲̲.̲,.̲̲̲̲̲.『.̲̲.̲,̲̲.̲..,̲̲̲.日 USB3‑6‑1‑Mの 仕 様̲̲...̲..̲̲.̲̲、̲̲̲̲.̲.̲̲.̲̲̲,̲̲.̲̲̲..̲.̲̲̲̲̲12 AG31‑OHの 仕 様̲̲..̲̲̲̲̲,̲̲̲̲̲̲.,̲̲̲.̲̲.̲.̲.̲̲̲̲.̲幽̲̲̲.̲.̲̲.̲̲̲】2 SS‑2C‑1の 仕 様..̲̲...̲.̲̲̲.̲.,..̲.̲.,̲.̲̲̲̲.̲.̲̲,̲̲̲..̲̲.̲.̲̲、̲̲12 SS‑2F‑05V)・ 仕 二.ぢ長.̲,...̲』̲.̲̲̲..,.,、..̲.̲̲̲、̲̲̲̲̲̲̲.̲̲.̲,̲̲̲...̲̲̲̲̲,.,13 SS‑2MG‑MHの1 .'[様 一̲..̲̲̲̲.̲̲.̲.̲̲̲.̲̲̲̲̲̲̲̲̲̲̲̲̲̲..̲̲̲̲̲̲】3

.ス ハ ー ク プ ラ グ の 取 り 付 け 部 ・f.i'1様̲̲̲̲...̲̲...̲̲.̲..̲̲̲̲̲̲̲̲̲.̲.,13 FD‑SSO2のli..:様...,、.,,.,̲..̲̲...̲.̲̲、̲、14

AP13‑Sび)f.t・ 様.tT.、,..̲..̲.14 AP‑V80σ.)t‑L相 芝...,...,...,,,14 K揖 斐禦W置 対'(/♪ ・f,:i=様.,.̲̲...̲,.,15 RJ、 塑 奔柘1苞 対'〔ノ)'f.:L様....̲̲.̲̲,.,.̲.,..,15 N良 一500の 仕 様̲̲.̲̲.̲.̲...̲̲.̲̲.̲,,.,.̲,̲,̲.̲,.,15 NR‑HAO8のfi:様̲̲.̲̲̲̲,.̲...̲..̲..一̲,...,.̲..̲.̲...、..̲̲.̲̲一.,̲,16

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メ タ ル ハ ニ カ ム 白 金 触 媒4')仕 様̲.̲̲̲.̲̲̲,.̲̲̲̲̲̲、.̲̲̲̲̲̲.̲̲.̲̲̲̲.̲̲̲S7

ア ト マ イ ザIAZAl20011⑪{くU)仕 様.̲̲̲.̲̲,,̲̲̲.,̲..̲.,..̲.̲̲̲.̲̲.,...̲.̲̲...̲̲.̲..,.19 BP‑20ト ー チ 設 計 要 求̲̲̲.̲̲.̲̲̲..̲.̲̲̲̲,.̲̲.̲̲̲.̲.̲̲̲̲...,...,】g

燃 焼 室 内 で の 推 進 ・斉llの 状 態̲̲̲.̲̲̲̲̲..̲̲̲̲̲̲̲t̲̲̲̲̲̲..̲̲̲̲̲.20

各 推 進i荊 に よ る 燃 焼 室 特 性 長 の 推 奨 値,,̲.̲,̲̲̲̲、̲̲̲̲.̲̲.̲̲̲̲..̲̲..̲̲̲̲̲.̲20 ス ラ ス ク 形 状 の ハ ラ メ ー タ 定 義̲̲̲̲,̲̲̲̲̲̲.̲̲̲̲̲̲.̲̲̲.̲̲.̲̲̲̲....21

BP‑20ト ー チ の ノ ズ ル の 諸 誌 と 性 能 の 計 婁算結 果̲̲̲̲̲.̲̲̲̲̲̲.̲̲̲̲̲̲.̲..̲.ユ4 BP‑20ト ー チ の ス ラ ス タ 設 計 パ ラ メ ー タ̲̲̲̲̲̲.̲̲̲̲̲̲、̲̲̲̲̲̲,̲̲.̲̲.̲25 BP・ ・021没 謂'要 斗 ヒ̲.,..̲̲..̲̲̲..,,̲̲̲̲̲̲.̲̲̲.̲̲̲.,..̲̲̲̲̲̲.̲.̲̲̲̲̲..̲̲..̲̲,26

BP‑02の ス ラ ス タr没 計.ハ ラ メ ー タ..2g

BP‑20ト ー チ 燃 焼 実 験 計 測 パ ラ メ ー タ.,...30

BP‑20・ 一 チ 燃 焼 実 験 成 立 性 碓 三認 の パ ラ メ ー タ 新 定 義..,..31

BP‑20ト ー チ 燃 焼 実 験 戒 、7:性 確 認 の 初tv{条 件̲,.̲,,..̲.31 BP‑20・ 一 チ 燃 焼 実 験 成 立 性 確 認 の 諒lll果..,..,34 BP‑20ト ー チ 燃 焼 実 験 の 初 期 条 件(60QkPaA)̲̲....,,,̲..,,35

BP‑20ト ー チ 燃 焼 実 験 の 結 果 ま と め(600kPaA),38 BP‑20ト ー チ 燃 焼 実 験 の 初 期 条 件(700kPaA),39

BP一 ユ0ト ー チ 燃 焼 実 験 の 結 果 ま と め(700kPaA》...,̲.̲.̲̲.̲一 ■̲.̲.̲.、...̲,..̲...̲.斗2

4・,⊃,⊃〜‑{∪

表3.9 表3.IO

表5.1比 推 力 籏 出 パ ラ メ ー タ 表5.2

BP.20ト ー チ 燃 焼 実 験 の 初 期 条 件(800kPaA>

BP.20ト ー チ 燃 焼 実 験 の 結 果 ま と め(800kPaA)

BP‑20ト ー チ 燃 焼 実 験 の 結 果 ま と め(800kPaA)

︻﹂ど﹂,一(﹂4455

第1章

序論

L1背 景

近 年,人 に衛 星(わ 隣・1・発 を1取 り 巻…く 段で」克1土 ノくき な ・変化 のrい に あ る.従 来{ハ 人、1=偉轟 覧1ま人こ厄刮奨 な コ ン ホご一 ネ ン'ト を 搭 載 す る'官・要 が あ り,ま た,打 ちIlげ 機 会 の 制 糸勺の た め,.大 型 衛 星 がil・1'i・で 、V')iC)た,し か し 、 大 型 衛 星 に は,大 き なLつa)短 所 が あ る.一 つ は1剃 発 期1副 が'ド 常 に 長 い,1,ISでSv)る,大 型 ・衛 星 の 隣・1発にIO 年 以Lか か る こ と も 珍 し い こ と で は な い,闘 経 期 閲 が 長 い こ と に よ っ て,開 発 前 に は 最 ウヒ端 で!11粥 解 」な 機 器 や 技 術,ミ ッ シ ョ ン で あ っ て も,打'ちLげ 時 に は 後 発 の 機 器 や 技 術,ミ ッ シ ョ ン に 取 っ て 代 わ る 可 能 性 も あ り,そ の.よ う な"j,i=例穿.,存・fl三す る1).も う ・・つ1ま 開 発 コ ス ト が 高 い 点 で,tbる..ノ く型 衛 星 のlilに ほ

・数 百 億 」リ.視模(ノ)1用発 コ ス トが か か る もの も 痘)り]),資 金 力 の 乏 し い 大"}1:」く♪企'婁 が ノく・型 衛JLI(わ コ ン ホ ー ネ ン トを1射 危 寸'る こ と は あ っ て も 「'),自 ら 大,甲彗菊 星 を 開 発 す る こ と は 非 」児 実 的 で ・あb, ,新 規 参 人 は 難iし か っ た.

そ こ で,短 期1期 発,低 コ ス ト を 】i指 し た 超 小 川}{身赫 星 に?1三[1がt莫 ま っ た.超 小 型 偉∫星1ま2か ら3年.稚 度 (わ乍1.五期 間 で1}ト1発目】了指 一で あ り,主 た,数 薪 万}・:['1から 数 ・億ii}程1隻イ氏 コ ス トで1用 発,・'rtJ旨一一(r"ある たN}4} 、 資 金 力 ヴ〕乏 し い 尺'了:ペユ企 〕牲で も 不責梅1的{二 偉∫星1嗣 発1こ 参 人 で き る よ う に な っ た.超 小 型1僑 呈義の 黎1粥 期 はti:'』1∫=教 育ll的 でCubeSatと 呼 ば れ る 数kgの 衛1量とが1胴 発 さ 諸した が5】,最 近 で は,コ ン ホ ー ネ ン トの 小 」lli化,高 性 能 化 な.ど に よ り,ビ ジ ネ ス ・や 科 学:日 的 、と し た よ り 高 度 な5⑪kg級 ノ1坦小 型 衛 星 も 開 発 さ れ 打 らLげ ら れ て い る.・1列 と し て,「 ほ1ど よ し{シ}機 」̀')とfUNlFORM‑1」 」)7)がン養げ ら れ.る.そ れ,ぞ'オし,図1.1,図1.2 に 示 す.fほ どkし11」 機 」 は リ モ ー トセ ン シ ン グ を ミ ッ シ ョ ン と す る50kg級 超 小 型 律病1で 東 取 大 学L 導 の も と 株 式 会 ・祉ア ク セ ル ス ペ ー ス と1期 ノW)大 学 で.期i・fjl用発 が1∫ わ れ,2014年 に 打'ちLげ ら れ た.

fUNIFORM‑1 .iは 和{1秋111大 学 を 中 心 にii三1内の8機 関 が 共 同 聞 発 し た50kg角 吸超 小 型 衛111で,熱 赤 外 線 カ メ ラ と1・'1∫視 光 カ メ ラ を 搭 栽 し,森 林 火 災 の 検'X・t1・や 火II‑llii.'t火の 緊 急 撮 影 を 行 っ て い る.2014年 に 打 ち1iげ ら れ た 、 こ れ.ま で に 掴 内 の 入 学 でi}ll発 さ れ,打 ちiLげ ら れ た 超 小 型 衛 星 は2⑪ を 超 えS),田1界 的 に も 超 小 1剰緯f星 の 打'ち1=iデ 翻(1ま今 後 も ・僻1び て い く と ゴ'楚1隻さ れ..てい る̀ハ.

」

ll:十

昨

i刈L匡1,至1ど.よ し1号 ・{幾(・) 図1.2UNIFORMギ1

こ の.よ う に 超 ・・}・ll;ill阜:tJ"が数kgか ら50kgiiVt'‑xとIf〔 墳 化 し,ミ ッ シ ョ ン が 高 度 化 す る にi,れ て'j{宙 ビ ジ ネ ス をi'1的 とu・1『る ベ ン・チ ャ ーfiY?1,.も 積 極 的 に 参 人 す る よ う に な っ た.例 え ば,宇 宙 デ プ リ 除 去 衛 星 を1}目 発 し て い る 株 式 会 社 ア ス ト ロ ス ケ ー ル1山 や 衛 星 か ら 人IL流 れ 星 を 流 す フ1.」ジ ェ ク ト を 進 め る 株 式 会 き1二 AL巳 口げにど が 挙 げ ら オ'Lる.さ ら に,産 業 ・{1」1=新1=縫構 が 株 式 会"11rJ'ス ト ロ ス ケ ー ル・に 最 尺3⑪{意 円 を 出 資 し1ユ},

政 府 が 宇 宙 活 動 法 を 劇 定 す る な ど宇 宙 利 用 を 促 進 す る 動 き も出 て お り,ビ ジ ネ ス を 目 的 と す る50kg級 超 小 型 衛 星 開 発 は 今 後 本 格 化 して い く と 思 わ れ る.

と こ ろ で,超 小 型 衛 星 開 発 が 本 格 化 し て い く 中 で,50kg級 超 小 型 衛 星 で の 実 現 が 期 待 され る ミ ッ シ ョ ン の 中 に は,ラ ン デ ブ ー ド ッ キ ン グや コ ン ス テ レー シ ョ ン な ど が 挙 げ られ る,ラ ン デ ブ ー ド ッ キ・ン グ と は 軌 道 上 で 異 な る2磯 以 上 の 宇 宙 機 をlli二い に 接 近 させ る 操 作 の こ と で,例 え ば,図L3で 示 す よ う に HTV(H‑IITransfヒrVehicle)とjSSが 互 い に 連 結 す る と き に 行 わ れ1る,コ ン ス テ レー シ ョ ン と は い く つ か の 衛 星 を 軌 道t:に 西己羅 し,互 い に 協 調 し な が ら 動 作 さ せ る 操 作 の こ と で,例 え ば,図1.4で 示 す よ う にGPS(GlobalPositloningSystem)で は 衛 星 は こ の 操 作 に よ り運 用 さ れ て い る.

図L3HTVと 】SSの ラ ン デ ブ ー ド ッ キ ン グIM

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3●鞘曹 ︑

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、さ 噂 一'""e5〆

図1.4GPSの コ ン ス テ レ ー シ ョ ン イ メ ー ジ14)

これ ら の ミ ッ シ ョ ン を 遂 行 す る た め の 技 術 的 な 課 題 と し て 位 擢 ず ら しや 軌 道 補 償 が 挙 げ ら れ る.そ し て,二 れ ら の 技 術 的1諺1芝題 を 達 成 す る た め に'ド宙 機 用 推 進 系(以 ド,推 進 系)の 搭 載 が 必 要 で あ る.推 進 系 と は 衛 星 に 搭 載 一・1→る 小 型 の ロ ケ ッ トエ ン ジ ン の こ と で,ilに 推 進 剤 タ ン ク や そ の 供 給 経 路,供 給 方 法 な ど をirjる 供 給 シ ス テ ム と 実 際 に 惟 力 を 発 生 す る ス ラ ス タ の2つ の コ ン 木 一 ネ ン トか ら成 り 吃 っ て い る.

これ ら の 技 術 的 課 題 を 達 成 す る た め に 最 適 な 推 進 系 を い く つ か の 候 補 の 申 か ら 考察 す る.

ま ず,図1.5に 推 進 系 の 比 推 力 と推 力 密 度 を 示 し た.人'[衛 星 の 場 合,推 進 系 はfL"}メ:推進 とtlli化学 推 進 に 大 別 され る.化 学 推 進 は 短 時 間 は で あ る が 大 き な 推 力 を 獲 得 で き る.非 化 学 推 進 は 長 時llll推力 を 獲 得 で き る が 推 力 が 小 さ い,位 相 ず ら し・や 軌 道 補 償 は そ の 後 の ミ ッ シ ョ ン 運 用 の た め に 短 時 間 で 完 ゴす る こ と が 求 め られ る た め 大 き な 推 力 が 必 要 で あ る,し た が っ て,位 相 ず ら しや 軌 道 補 償 を 達i成す る た め に は 化 学 推 進 が 有 利 で あ る.

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比 推 力(秒)

図L5各 推 進 系 の 比 推 力 と 推 力 密 度IS】

次 に,化 学 推 進 で 使 用 す る 推 進 剤 を 考 え る.従 来 の 衛 星 で 多 く使 用 さ れ て い る 推 進 剤 は ヒ ドラ ジ ン(化 学 式N2H4)で あ る1fi).ヒ ドラ ジ ン を 推 進 剤 と し て 用 い た ス ラ ス タ の 例 と し て,株 式 会 社iHIxア ロ ス ベ ー ス 社 製 の ・液 式1N級 ス ラ ス タMT・9を 図1 .6に 示 す17}.同 社 は こ の 他 に も4N級,20「N級,50N級 の ヒ ドラ ジ ン'液 式 ス ラ ス タ を 開 発 し て お り,1964年 か ら80⑪ 機 以 上 の ス ラ ス タ を 製 作,供 給 して き た.

困 内 海 外 間 わ ず こ の よ うに ヒ ドラ ジ ン は 推 進 剤 と して 使 わ れ て き た.

ヒ ドラ ジ ン は 毒 性 の あ る 無 色 の 液 体 で 水,ア ル コ ー ル,そ の 他 の 極 性 有 機1ヒ 合 物 に 溶 解 す る.ヒ ド ラ ジ ン はII三の 生 成 熱 を 出 つ一特 徴 が あ り,他 の 通 常 の 燃 料 ・各 種 と比 較 し て ・般 に 良 い 性 能 を 発 揮 す る.ヒ ド ラ ジ ン は 適 当 な 固 体 ま た は1夜体 の 触 媒 で 分 解 され,推 進 に 必 要 な 多 様 な 組 成 と 温 度 の ガ ス を 発 生 す る た め,単 純 簡 単 な 供 給 シ ス テ ム と して 信 頼1生が 極 め て 高 く,優 れ た 一一液 式 推 進 薬 と な る.こ の 分 解 反 応 の 際 に は 触 媒 のr熱 が 必 要 に な る.ま た,四 酸 化 一窒 素 な ど の 酸 化 剤 と 接 触 した 瞬 間 に 燃 焼 を 開 始 す る1'1

己 点 火 性 を 有 して お り,ヒ ドラ ジ ン を 燃 料 と し た 二液 式 推 進 系 の 場 合 は 点 火 機 構 が 必 要 な い と い う利 点 もあ る,純 粋 な 無 水 ヒ ドラ ジ ン は530Kま で 安 全 に 加 熱 で き,安 定 な 液 体 で あ る,モ ノ メ チ ル ヒ ドラ ジ ン{MMH)非 対 称 ジ メ チ ル ヒ ドラ ジ ン も 似 た よ う な 物 理 的,熱 化 学 的 特 性 を 持 つ.し か し,ヒ ド ラ ジ ン は 毒 性 が 高 く,発 が ん 性 を 有 し て お り,図1.7に 示 す よ う に 化 学 防 護 服 を 着 用 す る な ど非 常 に 厳 重 な 取 り扱 い が 求 め られ る,特 に,EUで はREACH法iS)に よ り ヒ ドラ ジ ン の 製 造 ・保 管 ・使 用 は 厳 し く 制 限 さ れ て い る,kた 、ff±け れ ばEU域 内 で の202E年 の 使 用 禁 止 が 叫 ば れ る1',Vsど 法 律 に よ る 規 制 も厳

し く な る と 野想 さ れ る,

こ の よ うに ヒ ドラ ジ ン は 高 い 毒 性 に よ っ て 厳 格 な 取 り扱 い が 求 め られ,様 々 な 規 制 に よ り入 手 の 難 易 度 が 高 い た め コ ス ト負 担 は 大 き く な る.し た が っ て,ヒ ドラ ジ ン は 低 コ ス ト開 発 を 目 指 す 超 小 型 衛 星 に は イく向 き な 推 進 剤 で あ る,そ こで,ヒ ドラ ジ ン に 代 わ る低 毒 性 推 進 剤 が 注 口 され て い る.

図1.6ヒ ド ラ ジ ンINス ラ ス タ(MT‑9)17) 図L7ヒ ド ラ ジ ン 充 填1乍Xl2e)

1.2低 毒 性 推 進 剤

ヒ ドラ ジ ンに 代 わ る低 毒性 推 進 剤 は 衛 星 開 発 の低 コ ス ト化 に 繋 が る た め,世 界 的 に 企 業,大 学,公 的 機 関 で研 究 が 進 め られ て お η,低 毒性 推 進 剤 と も呼 ば れ て い る.い くつ か 代 表的 な 低 毒性 推 進 剤 と して HAN系 推 進 剤,AND系 推 進 剤,過 酸 化 水素 水 を 挙げ る.

1.2.lHAN系 推 進 剤

HAN(HydroxylAmmoniumNitrate,NH30HNOr)系 推 進 剤 は 低 劇 生推 進 荊 の ・つ で あ り,HAN系 推 進 剤 の 中 で もHANと 硝 酸 ア ン モ ニ ウ ム,水 、 メ タ ノ ー ル で 構 成 され るSHPI63が 有 名 で あ る.SHP163 の 特 徴 は 高 理 論 比 推 力 で,低 凝 固 点 で あ り,推 進 剤 と して 優 れ て い る,し か し,断 熱 火 炎 温 度 が 高 く, 分 解 に 従 装 の 個 体 触 媒 を 使 ∫月す る と触 媒 が 摩 耗 して し ま い,点 火 応 答 性 が 悪 い2".ま た,HAN白 身 は 爆 轟 性 を 有 して お り,精 製 過 程 で 爆 発'」敬 が 起 き た'飼 列22)も 存 白三す る た め,安 翁性 に 問 題 が あ り,こ れ

ら を 改 簿 す る た め の 研 究 が お 二 な わ れ て い る 、

1.2.2ADN系 推 進 剤

ADN(AminoniumDiNitrainide,NH4N(NOユ)2)系 推 進 剤 は 低 毒 性 推 進 剤 の ・つ で あ り 、ADNを 酸 化 剤 と し て 使 用 す る.ADN系 推 進 剤 の 中 で も,ADNと メ タ ノー ル,ア ン モ ニ ア,水 で 構 成 さ れ る ス ウ ェ ー デ ン のECAPSが 開 発 し たLMP‑】03が 有 名 で あ る.LMP・‑iO3Sは ス ウ ェ ー デ ン 宇 宙 公 社(SSC)に よ っ て 閤 発 さ れ た ラ ン デ ブ ー ド ッ キ ン グ の 技 術 実 証 衛 星Prismaに 搭 載 さ れ,2⑪IO年6月 に 打 ちy.げ ら れ た.

な お,LMP‑103Sを 推 進 剤 と し た ス ラ ス タ をHjghPerfbrmance低 毒 性 推 進 剤(HPGP)ス ラ ス タ と 呼 び, i翼il.81こ 〜1≒一弓一,

¶● .﹁﹁'﹁r

一﹂

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採11.8HPGPス ラ ス タ23}

1.2.3過 酸 化 水 素 水(H202>

過 酸 化 水 素 水 はV‑2ロ ケ ッ トな ど{・li一く か ら推 進 斉llとし て 使 わ れ て い る.推 進 剤 と し て 使 用 され る 際 は 85wt%〜98w1%が 典 型[杓な 濃 度 」或 で あ る ユ:1).過酸 化 水 素 は 触 媒 に よ っ て,式{1‑Dの よ う に 分 解 さ れ る.

分 解 さ れ た 後 に 生 成 され る 物 質 が 水 と酸 素 で あ り,環 境 負 荷 が 極 め て 小 さ い こ と で 近 年ll丁び 注 目 され る よ うに な っ た.図].9に 過 酸 化 水 素 水 の 質llヒ濃 度 と 分 解 熱,蒸 発 潜 熱 の 関 係 を 示 し,爽1,1に60W{%

過 酸 化 水 素 水 のLな 物 性 値 を 示 す,過 酸 化 水 素 水 の 質 鼓 濃 度 が65WtO/e以 ドで あ れ ば 分 解 熱 よ り も蒸 発 潜 熱 の 方 が 大 き く 加 速 的 な 白 己 分 解 を 起 こ さ な い こ と が 分 か る,60wt%過 酸 化 水 素 水 は 民 生 品 で あ り 人 手 性 も 良 く,加 速 的 な 自 己 分 解 を 起 こ さ な い の で 取 り扱 い 性 も 良 い.

1

H・0・ →H・0÷ 互0・ _(1‑】)

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