低 毒 性 一・液 式 推 進 剤 の 放 電 プ ラ ズ マ に よ る 反 応 誘 起 機 構 の 研 究

平 成28年 度(2016年 度) 博 士(工 学)学 位 論 文

低 毒 性 一・液 式 推 進 剤 の 放 電 プ ラ ズ マ に よ る 反 応 誘 起 機 構 の 研 究

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

進藤 崇央

指導教員:竹 ヶ原春貴

StudyonGreenMonopropellantReactionSystem withDischargePlasma

DepartmentofAerospaceEngineering,

GraduateSchoolofSystemDesign,TokyoMetropolitanUniversity

ByTakahiroShindo

Supervisor:HarukiTakegahara

目次

第1章 序 論

Ll姿 勢 制 御 ス ラス タ の 開 発 L2低 毒 性 一 液 推 進 剤 の 開 発 L3既 存 触 媒 の 損 耗

L4各 機 関 で の 反 応 機 構 の研 究 開 発 1.4.1角 虫媒

1.4.2放 電 を用 い た 反 応 機 構 1.5研 究 目的

第2章 プラズマ化学反応

第3章 実 験 装 置 お よ び 計 測 装 置 3.1真 空 排 気 系

3.2電 源 系

3.2.1直 流 電 源 系 3.2.2高 周 波 電 源 系 3.3計 測 系

3.3.1放 電 波 形 測 定 系 3.3.2推 力 測 定 系 3.3.3圧 力 測 定 系 3.3.4デ ー タ 収 集 系

第4章 プ ラ ズ マ 生 成 の 評 価 4.1液 中 プ ラ ズ マ 生 成

4.1.1液 中 プ ラ ズ マ

4.1.2実 験 装 置 お よ び 実 験 手 順 4.1.3実 験 結 果 お よ び 考 察 4.2推 進 剤 供 給 下 で の プ ラ ズ マ 生 成 維 持

4.2.1実 験 装 置 お よ び 実 験 手 順 4.2.2実 験 結 果 お よ び 考 察

(∠6つ4.︽﹂︽﹂rO9

・13

・14

・15

・15

〆0〆0弓181111

・・20

・・20

・・22

・・25

・・27

第5章 実 験 計 画 法 に よ る 因 子 評 価 5.1実 験 計 画 法

5.1.1実 験 計 画 法 概 略

5.1.2直 交 配 列 表 を 用 い た 実 験 5.2評 価 手 法

5.2.1要 因 効 果 の 算 出 5.2.2分 散 分 析 5.2.3誤 差 要 因 の 決 定

5.3評 価 因 子 の 選 定 お よ び 因 子 の 割 り 当 て 5.3.1因 子 の 選 定

5.3.2直 交 配 列 表 へ の 割 り付 け 5.4実 験 装 置 お よ び 実 験 手 順

55実 験 結 果 お よ び 考 察 5.5.1欠 測 値 の 予 測

5.5.2推 力 に 影 響 を 与 え る 要 因 の 評 価 5.5.3推 力 電 力 比 に 影 響 を 与 え る 要 因 の 評 価 5.6最 適 条 件 で の 実 験

5.7考 察

5.7.1要 因 効 果 に つ い て 5.7.2DCへ の 遷 移 に つ い て

6章 放 電 形 態 お よ び 放 電 室 材 料 の 影 響 評 価

6.1プ ラ ズ マ の 熱 平 衡 状 態 に よ る化 学 反 応

6.2グ ラ イ デ ィ ン グ ア ー ク に お け る非 平 衡二へ の 遷 移 条 件 6.3反 応 機 構 内 で の 熱 プ ラ ズ マ の 発 生

6.4実 験 条 件 65実 験 結 果 6.6考 察

第7章 パ ル ス 放 電 に よ る燃 焼 室 圧 力 上 昇 7.1溶 媒 の 蒸 気 圧

7.2大 電 流 パ ル ス 放 電 の 適 用 検 討 7.3実 験 装 置 お よび 実 験 手 順 7.4実 験 結 果 お よび 考 察

・35

・35

・37

・38

・39

・39

・・41

・・42

・・45

・・46

・・48

・・49

AU(∠︽﹂︽﹂ 80/AU(∠38︽﹂︽﹂/0/0/0/0 (∠33︽﹂弓1弓1弓1弓1

第8章 結論

謝辞

自著論文一覧

・・80

翻へ面へ亀恥瑳瑞匙馬馬f殉﹂た㎏Z娩冤ひれP恥縣%瑞輪恥飾脳̀T   面岡随随圓圏    NNNA[[[[ 悶岡岡圓岡 ーーーー司ーmmmW畑m側側[[[[[[[[  団K[[

記 号 表

Wagner定 数 頻 度 因 子 Ayrton定 数 ノ ズ ル 出 口面 積 電 離 度

静 電 容 量(因 子 と して の) 放 電 室 内 径

電 極 サ イ ズ 活 性 化 エ ネ ル ギ 電 気 素 量

任 意 の 要 因 効 果Xの 分 散 比 圧 力 ス ラ ス ト

平 滑 後 の 推 力 因 子 の 自由 度

ロー ドセ ル よ り出 力 され る推 力 の 瞬 時 値 電 流

反 応 速 度 定数 ボ ル ツ マ ン 定 数 ア ー ク 長 臨 界 ア ー ク 長 電 極 軸 方 向 ギ ャ ッ プ 燃 焼 室 特 性 長 さ

Ayrton式 の 電 流 項 補 正 係 数 ガ ス の圧 力

背 圧 臨 界 圧 消 費 電 力

目標 燃 焼 室圧 力 蒸 気 圧

外 部 抵 抗 プ ラ ズ マ 抵 抗

任 意 の 第)c列 にお け る 列 平 方 和 時 間

温 度

乃v%桃M職W    KVV[[[

[V]

[W/m]

臨界温度

反応機構(プ ラズマ)に 印加 されている電圧 電源 の出力電圧

誤差平方和 電離電圧

任意の要因効果Xの 平均平方和

アーク柱の単位長 さあた りにおけるエネル ギ損失量

第1章 序 論

本 章 で は本 研 究 に お け る背 景 や 他 機 関 にお け る競 合研 究 につ い て述 べ,本 研 究 の 目的 を示 す 。

1.1姿 勢 制 御 ス ラス タ の 開発 1.2低 毒 性 一 液 推 進 剤 の 開発 1.3既 存 触 媒 の損 耗

1.4各 機 関 で の反 応 機 構 の研 究 開発 1.4.1角 虫媒

1.4.2放 電 1.5研 究 目的

第1章 序論

1.1姿 勢 制 御 ス ラ ス タ の 開 発

1957年 に ソ ビエ ト連 邦 よ りス プ ー トニ ク1号 が 軌 道 上 に 打 ち 上 げ られ て 以 降,こ れ ま で 多 く の ロ ケ ッ トや 宇 宙 機 が 軌 道 に 投 入 され て き た 。 ス プ ー トニ ク1号 自体 に は 姿 勢 制 御 装 置 は搭 載 され て い な か っ た が,通 信 や 観 測 な どの ミ ッ シ ョ ン に 衛 星 を 用 い る 上 で は 姿 勢 の 制 御 が 必 要 と な り,以 降 種 々 の 姿 勢 制 御 装 置 が 搭 載 され て き た 。 そ の 中 の 一 つ と して 姿 勢 制 御 ス ラ ス タ(ReactionControlSystemThmster:RCSthmster)が 挙 げ られ る。 ス ラ ス タ は 推 進 剤 を 噴 射 し運 動 量 を衛 星 外 部 へ と放 出 で き る こ とか ら,初 期 の 頃 は 専 ら リア ク シ ョン ホ イ ー ル の ア ン ロ ー デ ィ ン グ に使 用 され て い た が,現 在 で は ス ラ ス タ 自体 に よ る衛 星 の 姿 勢 制 御 や 軌 道 保 持 お よび 軌 道 遷 移 に も用 い られ て い る。RCSス ラ ス タ の推 力 は 目的 に 応 じて 大 き く変 化 し,打 ち 上 げ ロ ケ ッ トの 姿 勢 制 御 な ど に はkNク ラ ス の ス ラ ス タ が 用 い られ,衛 星 の 姿 勢 制 御 に は1‑22Nが 多 用 され る。[1]

打 ち 上 げ ロケ ッ トで は,古 く は 後 部 に 取 り付 け た フ ィ ン に よ り姿 勢 の 安 定 化 を 図 り,ま た ロ ケ ッ トエ ン ジ ン の ノ ズ ル 出 口付 近 に 取 り付 け られ た ジ ェ ッ トベ ー ン に よ り排 気 の 噴 射 方 向 を 変 え る こ と で 姿 勢 の 制 御 が 行 な わ れ て い た 。 しか しな が ら こ の 方 法 で は べ 一 ン が 排 気 に干 渉 す るた め エ ン ジ ン の パ フ ォ ー マ ン ス が 低 下 す る こ と,長 時 間 作 動 させ た 場 合 に は べ 一 ン が 排 気 の熱 に よ り損 傷 す る こ と等 が 問題 とな っ た 。 これ を解決 す るた め にR‑7弾 道 ミサ イ ル の エ ン ジ ン(RD‑107,108)に 姿 勢 制 御 を 目的 と した 小 型 エ ン ジ ン(バ ー ニ ア ス ラ ス タ)を 追 加 した こ とが,ス ラ ス タ を 姿 勢 制 御 に 用 い る こ とに な っ た 始 ま りで あ っ た 。[2]

こ の ス ラ ス タ は1軸 周 りに 回 転 す る こ とが で き,こ れ に よ り ロー ル ・ピ ッチ ・ヨー の 制 御 が 可 能 と な っ て い る。こ の 世 界 初 のRCSス ラ ス タ は 開 発 か ら60年 を 経 た今 日で も ソユ ー ズ ロ ケ ッ トに使 用 され,宇 宙 船 や 補 給 物 資 を 軌 道 上 に 送 り届 け て い る。 一 方,宇 宙 機 に お い て 姿 勢 制 御 に ス ラ ス タ が 用 い られ た の は,1958年 頃 に ア メ リカ で リア ク シ ョ ン ホ イ ー ル の ア ン ロー デ ィ ン グ に ス ラ ス タ を 用 い た の が 始 ま りで あ り,現 在 で も この 方 法 が 衛 星 の 主 要 な 姿 勢 制 御 方 法 と して 使 用 され て い る。[3]

現 在 使 用 され て い るRCSス ラ ス タ で は,高 圧 の ガ ス を噴 射 す る コー ル ドガ ス,過 酸 化 水 素 や ヒ ドラ ジ ン を触 媒 で 分 解 した 際 に 生 成 され る高 温 の ガ ス を 噴 射 す る 一 液 式,接 触 させ る の み で 燃 焼 反 応 を 引 き 起 こす 燃 料 と酸 化 剤 の 組 み 合 わ せ を用 い た 二 液 式 が 主 で あ る。

初 期 の 姿 勢 制 御 用 ス ラ ス タ に は コー ル ドガ ス が 用 い られ た 。 こ の 方 式 は 安 価 で 信 頼 性 が 高 く,ま た 極 低 温 推 進 剤 も 用 い ず 燃 焼 ガ ス も発 生 しな い た め 熱 設 計 が 容 易 で あ る とい う利 点 を有 す る が,高 圧 の ガ ス を 充 填 す るた め に タ ン ク が 重 くな る,比 推 力 が 低 い 等 の 問 題 か ら徐 々 に 一 液 ・二 液 に 置 き 換 え られ て い っ た 。 し か しな が ら前 述 の 利 点 か ら現 在 で も使 用 され て い る 。

一 液 式 で は 初 め 過 酸 化 水 素 が 推 進 剤 と して 用 い られ た。 古 くは 大 戦 中 の ドイ ツ に ま で 遡 り,当 時 は80%濃 度 の 過 酸 化 水 素 が使 用 され て い た が,そ の後 各 国 で90%濃 度 の 物 が使 用

され る よ うに な っ た 。 こ の 過 酸 化 水 素 ス ラ ス タ は 現 在 で も ソユ ー ズ 宇 宙 船 に 用 い られ る な どの 活 躍 を 見 せ て い る が,過 酸 化 水 素 が 時 間 経 過 と と も に 自然 に 分 解 して しま うこ と,比 推 力 が150秒 程 度 と低 い こ と とい う理 由 か ら徐 々 に ヒ ドラ ジ ン に 置 き換 え られ て い っ た 。

ヒ ドラ ジ ン を ス ラ ス タ に 用 い る とい う動 き は1960年 頃 の ア メ リカ と ソ連 で そ れ ぞ れ 独 自 に 始 ま っ た 。 ア メ リカ で は 初 期 の 頃 は 触 媒 が ま だ 無 か っ た た め に 四 酸 化 二 窒 素(nitrogen tetroxide:NTO)と 混 合 して 着 火 す る 手 法 が と られ て い た が,そ の 後 イ リジ ウ ム を用 い た触 媒 が 開 発 され,現 在 に 見 る よ うな 一 液 式 ヒ ドラ ジ ン ス ラ ス タ が 完 成 した 。 一 方 ソ連 で は コバ ル トを べ 一 ス と した 触 媒 が 初 期 に 開 発 され た 。 し か しな が ら コバ ル トを用 い た 場 合 で は 触 媒 の 予 熱 が 必 要 不 可 欠 で あ っ た た め,後 に 予 熱 不 要 な イ リジ ウ ム 触 媒 の 開 発 へ と移 行 した 。

ヒ ドラ ジ ン を用 い た ス ラ ス タ の比 推 力 は200秒 以 上 と高 い こ とか ら,長 き に わ た り一 液 式 ス ラ ス タ の 主 役 と な っ て い る 。[2'3]

上 述 の 一 液 式 ス ラ ス タ よ り も高 い 比 推 力 を 発 生 させ られ る の が 二 液 式 で あ る。 こ の 方 式 は 酸 化 剤 お よび 燃 料 とな る 二 種 類 の 推 進 剤 を燃 焼 室 で 混 合 させ る も の で あ る が,接 触 させ る の み で燃 焼 反 応 を 開 始 す る よ うな 組 み 合 わ せ の 推 進 剤(ハ イ パ ー ゴ リ ッ ク推 進 剤)を 用 い る の が 一 般 的 で あ る。 一 液 式 と比 較 して タ ン ク お よ び 配 管 の 数 が 増 え 構 造 が複 雑 化 す る な ど の 問 題 も あ る が,燃 焼 温 度 が 高 い こ とか ら比 推 力 が300秒 を超 え,ま た 点 火 に 必 要 な 機 構 も排 す る こ と が で き る た め 高 い 信 頼 性 も有 す る。

1.2低 毒 性 一 液 推 進 剤 の 開 発

上 述 の 特 徴 か ら宇 宙 機 に お け るRCSス ラ ス タ の 多 くは ヒ ドラ ジ ン ー 液 式 お よ び 二 液 式 ス ラ ス タ が 担 っ て き た 。 し か しな が ら ヒ ドラ ジ ン お よ び そ の他 の ハ イ パ ー ゴ リ ッ ク 推 進 剤 は 毒 性 が 高 い こ とか ら,取 り扱 い の 際 に は 特 殊 な 施 設 内 で 防 護 服 を 着 用 しな が らの 作 業 に な る こ と,充 填 後 は 常 時 監 視 が 必 要 と な る こ とか ら運 用 コス トが 高 く な る 等 の 問題 を 抱 え て い る。 こ の た め ヒ ドラ ジ ン に 代 わ る低 毒 性 一 液 推 進 剤 の 開発 が 要 求 され て き た 。

低 毒 性 一 液 推 進 剤 の 開 発 に お い て 酸 化 剤 と燃 料 を 予 め 混 合 す る とい う手 法 が 取 られ る。

こ の 場 合 酸 化 剤 と燃 料 が 燃 焼 す る た め に ガ ス の 温 度 が 高 くな り,一 液 で あ りな が ら二 液 の よ うな 高 い 比 推 力 を 得 る こ とが 可 能 とな る 。 この よ うな 混 合 推 進 剤 開 発 の 歴 史 自体 は 古 く, ドイ ツ で も大 戦 中 に 過 酸 化 水 素 とア ル コ ー ル を混 ぜ た 一 液 推 進 剤 が 開 発 され た が,試 験 中 に爆 発 し実 験 者 が 死 亡 す る 事 故 を 起 こ して い る。 ま た ソ連 で もい く つ か の 混 合 推 進 剤 の 開 発 が 試 み られ た が 頻 繁 に爆 発 事 故 を起 こ した た め に 開 発 は 中止 と な っ た。[4]この よ うな 経 緯 か ら比 較 的 安 全 に 取 り扱 え る一 液 推 進 剤 は 長 年 過 酸 化 水 素 と ヒ ドラ ジ ン に 限 られ て き た が, Hydroxylammoniumnitrate:HANお よびAmmoniumdinitramide:ADNが 混 合 腋 推 進 剤 の 酸 化 剤 と して 適 切 で あ る こ とが 判 明 して 以 降,1990年 代 よ り新 た な 低 毒 性 一 液 推 進 剤 の研 究 が進 め られ た 。[5'6]

密 度 は ヒ ドラ ジ ン(1.004g/cm3)と 比 べ て 高 くな る。 加 え て燃 料 成 分 と の燃 焼 反 応 も誘 起 す る た め 火 炎 温 度 が 高 くな る こ とか ら,従 来 の 一 液 式 ス ラス タ で は 達 成 し得 な か っ た 高 密 度 比 推 力 を発 生 させ る こ とが 期 待 で き る。HANは 単 体 で は100。Cで 分 解 す る こ と が 報 告 され て お り[7],水 溶 液 の 状 態 で は混 合 物 の種 類 に も よ る が170。C程 度 で 分 解 を 開 始 す る。[8'9]分 解 の 初 期 段 階 で は ヒ ドロキ シ ル ア ミ ン と硝 酸 が 生 成 され,[lo]最 終 的 に は 酸 素 やNOx等 の 酸 化 剤 が 生 成 され る た め,こ れ を 用 い て燃 料 との 燃 焼 反 応 を誘 起 す る こ とが 可 能 と な る。 以 下 にHAN水 溶 液 の 各 分 解 反 応 を示 す 。[9]

NH、OHNO、(・q)→2H,0(1)+N,(9)+0,(9)+227.7kJ/m・l

NH、OHNO、(・q)→2H,0(1)+05N,(9)+2NO,(9・ ・aq)+193.S・cJ/m・l

NH,OHNO,(・q)→2H、0(1)+2N(X9)+45.Ilk珈 ・l

NH,OHNO,(・q)→2H、0(1)+N,0(9)+0.50,(9)+146.lkJ/m・1

(1‑1) (1‑2) (1‑3) (1‑4)

ア メ リカ で は 初 めHANを 弾 丸 の 推 進 薬 に 適 用 す る 目的 で研 究 が 行 わ れ て い た が,そ の 後 ロ ケ ッ トの 推 進 剤 へ の 適 用 性 が 認 め られ る と グ リシ ンや メ タ ノー ル な どの燃 料 を 添 加 した 推 進 剤 が 作 製 され,以 降燃 料 成 分 を 変 化 させ る等 し な が らHAN系 推 進 剤 の 開 発 を継 続 して き た 。 日本 にお い て はHAN/硝 酸 ア ン モ ニ ウ ム/水/メ タ ノ ー ル を 質 量 比73.6/3.9/6.2/

16.3で 混 合 したSHPI63等 が 開発 され た 。近 年 各 国 で 用 い られ て い る低 毒 性 推 進 剤 の 一 覧 を 表1‑1に 示 す 。

表1‑1低 毒 性 一 液 推 進 剤 一 覧

推進剤 Hydrazine LMP.103S[ll・12] AF‑M315E[ll・12] SHPI63[13]

60‑65%ADN 73.6%HAN

組成 ^100%N2H4 15‑20%methanol

9‑22%water N/A** 3.9%a㎜oniumnitrate 6.2%water

3‑6%ammonia 16.3%methanol

密度 ^{1.0049/cm3 1.241g/cm3 1.4659/cm3 1.411g/cm3}

理 論 比推 力* ^{233s 252s 266s 273s}

火炎温度 ^{1228K 1881K 2173K 2353K}

融点 2。C ^一7。C <‑220C <‑32。C

*燃 焼 室 圧 力:2 .07MPa,開 口 比:50,真 空 中

**類 似 名 称 のAF ‑315Eの 組 成 はHAN/HEHN/water‑44 .5/44.5/ll[14]

1.3既 存 触 媒 の 損 耗

表1‑1に 示 した よ うにHANやADNを 用 い た 低 毒 性 推 進 剤 は ヒ ドラ ジ ン に 比 べ 高 い火 炎 温 度 を 有 して い る。 これ に 加 え ヒ ドラ ジ ン は還 元 作 用 を 持 つ が,HANお よびADNは 酸 化

剤 を放 出 す る こ と か ら酸 化 作 用 を 有 して い る 。 こ の た め 従 来 の ヒ ドラ ジ ン ス ラ ス タ に 用 い られ て き た 触 媒 を これ ら低 毒 性 推 進 剤 に適 用 した 場 合,そ の 高 温 ・酸 化 環 境 に耐 え られ ず に 劣 化 して し ま い,運 用 中 に推 進 性 能 が 大 幅 に低 下 して しま う とい う問 題 を 抱 え て い る 。 [15'16]この た め低 毒 性 推 進 剤 を ス ラ ス タ に 適 用 す るた め に は

,高 温 酸 化 環 境 に耐 え得 る触 媒, ま た は 触 媒 以 外 の 反 応 機構 の 開発 が 必 要 と な る。

1.4各 機 関 で の 反 応 機 構 の 研 究 開 発 1.4.1触 媒

低 毒 性 一 液 推 進 剤 の ス ラ ス タ 適 用 に 向 け て 各 国 で 最 も取 り組 ま れ て い る も の が 新 し い 触 媒 の 開 発 で あ る。 欧 州 で はADN系 推 進 剤 に 適 合 した 触 媒 を 開 発 し,こ れ を搭 載 した 衛 星 を 用 い て ス ラ ス タ の 軌 道 実 証 を 行 っ た 。[17]触媒 の加 熱 に要 す る ヒー タ ー 電 力 は9.25Wで あ り, 10‑12分 の 予 熱 時 間 を経 て 約350QCま で 触 媒 層 を 昇 温 す る こ とで ス ラ ス タ を 作 動 させ る。

[18]また ア メ リカ で はHAN系 推 進 剤 に適 合 したLCH ‑240と い う触 媒 を 開発 し,現 在 地 上 で の 実 証 試 験 を行 っ て い る 。 ヒー タ ー の 消 費 電 力 は10Wで あ り,作 動 時 に は3150Cま で 昇 温 す る。[1'19]日本 に お い て も現 在 触 媒 が研 究 され て お り,基 本 特 性 の評 価 を 行 っ て い る。[20]

1.4.2放 電 を 用 い た 反 応 機 構

欧 州 で は 低 毒 性 一 液 推 進 剤 ス ラ ス タ 開 発 初 期 の 段 階 で 検 討 され た こ と が あ る が,[21]そ の 後 触 媒 へ と舵 を切 っ た た め研 究 は 中 断 され た 。 ア メ リカ で は ペ ン シ ル バ ニ ア 州 立 大 学 に お い て ヘ リ ウ ム を 素 と した マ イ ク ロ 波 プ ラ ズ マ に よ る 反 応 機 構 の 研 究 が 行 わ れ て い る。 この 研 究 で は500Wの マ イ ク ロ波 電 力 で2‑6ml/minの 推 進 剤 を 反 応 させ て い る。[22]また マ レー シ ア で はHAN系 推 進 剤 を 電 気 分 解 す る こ と に よ っ て 作 動 す るマ イ ク ロ ス ラ ス タ の研 究 が 行 わ れ て お り,瞬 間 的 に200mNの 推 力 を 発 生 す る こ とが 報 告 され て い る。[23]日本 に お い て は 本 研 究 室 が プ ラ ズ マ に よ る反 応 機 構 の 研 究 に 取 り組 ん で い る。[24]これ ま で に 開発 した 機 構 は 図1‑1に 示 す よ うに ア ル ゴ ン ガ ス を 種 と して プ ラ ズ マ を 生 成 し,こ れ に推 進 剤 を 接 触 させ る こ とで 反 応 を誘 起 す る も の で あ る 。 ア ル ゴ ン ガ ス を 旋 回 させ て 放 電 室 に 導 入 す る こ と

畢P・ ・P・ll・nt

Swirlinjector ^Ar

Plasma

に よ り推 進 剤 の 点 火 確 率 が 向 上 す る た め,本 機 構 は 上 流 部 に ア ル ゴ ン ガ ス の 旋 回 イ ン ジ ェ ク タ を 有 して い る。 加 え て こ の他 に 九 州 工 業 大 学 がN2を 素 と し て 生 成 した ア ー ク ジ ェ ッ ト を 用 い てHAN系 推 進 剤 の 反 応 を行 っ て お り

力 を発 生 させ た。[25]

1.5‑2kWの 消 費 電 力 に て お よ そ0.7Nの 推

1.5研 究 目 的

本 研 究 室 で は これ ま で 触 媒 に 代 わ る反 応 機 構 と して プ ラ ズ マ に着 目 し研 究 を 行 っ て き た 。 プ ラ ズ マ の 生 成 お よび 消 滅 は 電 源 操 作 に よ り瞬 時 に行 うこ と が で き る た め,プ ラズ マ を 用 い た 反 応 機 構 で は 触 媒 の よ うな 余 熱 時 間 は 不 要 と な り,ま た 良 好 な 推 力 の 立 下 りも期 待 で き る。

前 述 の プ ラ ズ マ を 用 い た反 応 機 構 で は,推 進 剤 の他 に プ ラ ズ マ の 種 とな る ガ ス を 外 部 か ら供 給 す る手 法 を用 い て い た 。 こ れ を 宇 宙 機 に搭 載 す る こ と を 想 定 した 場 合,推 進 剤 タ ン ク の 他 に プ ラズ マ を 生 成 す る た め の ガ ス タ ン ク お よ び 配 管 を追 加 で 搭 載 し な けれ ば な らず, 構 造 が 簡 素 で あ る とい う一 液 式 ス ラ ス タ が 本 来 有 す る利 点 が 損 な わ れ て し ま う。 これ を 避 け る た め,本 研 究 で は 外 部 か らガ ス を 供 給 す る こ とな くプ ラ ズ マ を 生 成 し推 進 剤 を反 応 さ せ る機 構 を研 究 ・開 発 し,そ の性 能 を 評 価 す る こ と を 目的 とす る。

第1章 参 考 文 献

[1]R.A.Spores,R.Masse,S.KimbrelandC.McLean"GPIMAF‑M315EPropulsionSystem"

49thAIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConferenceandExhibit,AIAA2013‑3849, 2013.

[2]富 田 信 之 著 「ロ シ ア 宇 宙 開 発 史 気 球 か ら ヴ ォ ス ト ー ク ま で 」 東 京 大 学 出 版 会,初 版

pp.174‑332,2012.

[3]G.P.Suttoǹ̀HISTORYOFLIQUIDPROPELLANTROCKETENGINES"AmeγicanInstitute ofAeγonautic∫andAstγonautic∫,PP.148,2006.

[4]G.P.Suttoǹ̀HISTORYOFLIQuIDPROPELLANTRoCKETENGrNEs"AmeγicanIn∫ti亡ute ofAeγonautic∫andAstγonautic∫,P.46,2006.

[5]R.S.Jankovsky"HAN‑BasedMonopropellantAssesmentforSpacecraft"32ndAIAA/ASME/

SAE/ASEEJointPropulsionConference&Exhibit,AIAA96‑2863,1996.

[6]EditedbyJasonHall̀̀AdvancesinSpacecraftTechnologies"InTech,p.140,2011.

http://www.intechopen.com/books/advances‑in‑spacecraft‑technologies

[7]L.Bretherick原 著 吉 田 忠 雄,田 村 昌 三 監 訳 「危 険 物 ハ ン ド ブ ッ ク 」 丸 善 出 版,第2

届Up.473,1987.

[8]DanAmariei,LaurenceCourth60ux,SylvieRossignol,YannBatonneau,CharlesKappenstein, MarkFord,andNicolasPillet."lnfluenceofFuelonThermalandCatalyticDecompositionsof IonicLiquidMonopropellants",41stAIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConference andExhibit,AIAA2005‑3980,2005.

[9]LaurenceCourth60ux,DanAmariei,SylvieRossignol,CharlesKappenstein"Thermaland catalyticdecompositionofHNFandHANliquidionicaspropellant"陶)pliedCatalysisB:

En(viγonmental,62(2006)217‑225.

[10]B.Reed"HAN‑BasedMonopropellantTechnologyDevelopment"PropulsionEngineering ResearchCenterl4thAnnualSymposiumonPropulsion,2002.

[ll]F.Valencia‑BelandM.Smith"ReplacementofConventionalSpacecraftPropellantswith GreenPropellants"SpacePropulsion2014.

[12]A.Brand"ReducedToxicityHighPerformanceMonopropellant"AFRL‑RZ‑ED‑VG‑2011‑326 [13]T.Katsumi,T.Inoue,J.Nakatsuka,K.Hasegawa,K.Kobayashi,Sh.SawaiandK.Hori

"HAN ‑BasedGreenPropellant

,Application,andItsCombustionMechanism"Comわu∫tion, E)cpLo∫ion,andShockVVaves,Vol.48,No.5,pp.536‑543,2012.

[14]̀̀Self‑A(ljustingCatalystfbrPropellantDecomposition"USPatent,Pub.No.:US 2008/0064913Al

[15]D.Meinhardt,S.Christofferson,E.Wucherer,andB.Reed"PerformanceandLifeTestingof

[16]R.Amrousse,T.Katsumi,YNiboshi,N.Azuma,A.BacharandK.Hori"Performanceand

deactivationofIr‑basedcatalystduringhydroxylammoniumnitratecatalyticdecomposition"

/¥)pliedCαtaLジsisA:Geneγal,452(2013)64‑68.

[17]K.Anflo,G.Bergman,T.Hasanof,L.Kuzavas,P.Thormahlen.andB.Astrand"Flight DemonstrationofNewThrusterandGreenPropellantTechnologyonthePRISMASatellite"

ActaAstγonautica,Vbl.65,Issue9‑10,pp.1238‑1249,2009.

[18]K.Neff,P.King,K.AnfloandR.M611erberg"HighPerformanceGreenPropellantforSatellite Applications"45̀hJointPropulsionConference,AIAA2009‑4878.

[19]R.K.Masse,M.Allen,E.Driscoll,T.E.Spores,L.A.Arrington,S.J.Schneider,T.E.Vasek

"AF ‑M315EPropulsionSystemAdvances&Improvements"52ndAIAA/ASME/SAE/ASEE

JointPropulsionConference,AIAA2016‑4577,2016.

[20]R.Amrousse,T.Katsumi,N.Itouyama,N.Azuma,H.Kagawa,K.Hatai,H.IkedaandK.Hori

̀̀NewHANbasedmixturesfbrreactioncontrolsystemandlowtoxicspacecraftpropulsion

subsystem:Thermaldecompositionandpossiblethrusterapplications"CombustionandFlame l62(2015)2686‑2692.

[21]A.Larsson,N.Wingborg,M.ElfsbergandP.Appelgren"ElectricalIgnitionofNew

Environmental‑FriendlyPropellantsfbrRocketsandSpacecrafts"PulsedPowerConference, 20051EEE.

[22]B.P.Lani"MicrowaveIgnitionofGreenMonopropellants"Masterthesis,ThePennsylvania StateUniversity,2014.

[23]M.H.Wu,R.A.YatterandV.Yang"DevelopmentandCharacterizationofCeramicMicro ChemicalPropulsionandCombustionSystem"46thAIAAAerospaceScienceMeetingand Exhibit,AIAA2008‑966,2008.

[24]飯 塚 俊 明,和 田 明 哲,進 藤 崇 央,河 端 駿 典,渡 邊 裕 樹,竹 ヶ 原 春 貴,青 柳 潤 一 郎 「低

毒 性 推 進 剤 の た め の 放 電 プ ラ ズ マ 点 火 シ ス テ ム の 基 本 特 性 お よ び ガ ス 種 が 点 火 特 性 に

与 え る 影 響 」 プ ラ ズ マ 席 揮 ・党Vb.22No.1,2014.

[25]A.Kakami,N.Yamamoto,K.IdetaandT.Tachibana"DesignandexperimentsofaHAN‑based

monopropellantthrusterusingarc‑dischargeassistedcombustion"Tran∫action∫of亡heJapan Societyf̀)γAeγonauticalandSpaceScience,SpaceTechnologツ1apan,10(ists28),PP.13‑17, 2012.

第2章

プ ラズマ化 学反 応

本 章 で はプ ラ ズ マ を用 い た 化 学 反 応 につ い て の実 用 例 と共 に述 べ,本 研 究 で 触 媒 に代 わ りプ ラズ マ を適 用 す る こ との有 効 性 を示 す 。

第2章 プ ラ ズ マ 化 学 反 応

プ ラ ズ マ は 一 般 に 電 離 気 体 と呼 称 され て お り,以 下 の よ うな 定 義 が あ る。[1]

1(∠6つ4.

正 負 の 電 荷 粒 子 群 を 同 時 に含 む 媒 質 で あ る こ と

空 間 の ど の 部 分 を とっ て も,平 均 的 に は負 電 荷(電 子)と 正 電 荷(イ オ ン)の 密 度(単 位 体 積 当 た りの 総 電 荷 数)が 等 し く,巨 視 的 な 電 気 的 中性 が 保 た れ る こ と

正 負 電 荷 群 の 少 な く と も一 方(多 くは 両 方 と も)が 不 規 則 な 熱 運 動 を行 っ て い る こ と デ バ イ 長 と呼 ぶ 特 性 長 よ り十 分 大 き な 媒 質 空 間 で あ る こ と

こ の プ ラ ズ マ 中 に 含 ま れ る 電 子 や イ オ ン お よ び ラ ジ カ ル は 常 温 ガ ス の粒 子 に 比 べ 高 い エ ネ ル ギ(数eV)や 反 応 性 を 有 し て お り,こ れ を化 学 反 応 の プ ロセ ス に 取 り込 ん だ もの を プ ラ ズ マ 化 学 反 応 と呼 称 す る 。

プ ラ ズ マ 中 に 含 ま れ る 電 子,イ オ ン,中 性 粒 子 の 温 度 を そ れ ぞ れ π,τ,兀 とす る と,そ れ ぞ れ の 温 度 が π ≒τ≒鑑 と ほ ぼ 等 し く熱 的 な 平 衡二状 態 に あ る も の を熱 平 衡 プ ラ ズ マ(ま た は 熱 プ ラ ズ マ 等)と 呼 び,そ の 温 度 は一 般 に 数 千K以 上 に ま で 達 す る。 一 方,電 離 度 や 圧 力 が 低 い プ ラ ズ マ で は 電 子 密 度 が 中 性 粒 子 密 度 に 比 べ5‑10桁 程 低 い こ と,電 子 とイ オ ン ・ 中性 粒 子 の 衝 突 頻 度 が 少 な い た め,電 子 とイ オ ン ・中性 粒 子 間 の 衝 突 に よ る 運 動 エ ネ ル ギ の 交 換 が 十 分 に行 わ れ ず,Te>>Ti≒Tnの よ うな 偏 っ た 温 度 状 態 と な る。 こ の よ うな プ ラ ズ マ は 非 平 衡 プ ラズ マ と呼 称 され,電 子 温 度 は 高 い も の の,全 体 と して の 温 度 は 大 部 分 を 占 め る 中性 粒 子 温 度 に よ り決 定 され る た め,熱 平 衡 プ ラ ズ マ と比 較 して 温 度 が 十 分 低 い こ とか ら低 温 プ ラ ズ マ と も呼 ば れ る。 こ れ らの プ ラ ズ マ は そ れ ぞ れ の 特 徴 を 生 か し種 々 の 化 学 反 応 に用 い られ る。

化 学 反 応 の 速 度 定 数 たは ア レニ ウス の 式 よ り以 下 の よ うに表 され る。

k一凧 舞 〕(2‑1)

こ こ で へ は頻 度 因 子 で あ り,E、 は 活 性 化 エ ネ ル ギ で あ る。反 応 系 に対 しE、超 え る エ ネ ル ギ を 与 え る こ とに よ り化 学 反 応 が 進 行 す る。 一 般 的 な 化 学 反 応 で はE、 を超 え る エ ネ ル ギ を得 る た め に 系 の 温 度 を 上 昇 させ る。 プ ラ ズ マ に お い て は,熱 平 衡 プ ラ ズ マ で は 系 全 体 の 温 度 を数 千K以 上 ま で 上 昇 させ る こ とが 可 能 で あ るた め,非 常 に高 い エ ネ ル ギ を 重 粒 子 も得 ら れ る こ とか ら反 応 が 解 離 ま で 進 行 す る。 こ の た め 分 解 能 力 が 非 常 に 高 く,有 害 物 質 の 分 解 処 理 等 に用 い られ る。[2'4]一方 非 平 衡 プ ラ ズ マ で は,全 体 と して は 室 温 ま た は そ れ よ り も幾 分 か 高 い 程 度 の 温 度 で あ る に も か か わ らず,電 子 が数eVと 高 い エ ネ ル ギ を 有 して い る た め, 低 温 下 で あ っ て も化 学 反 応 を 進 行 させ る こ とが 可 能 とな る。こ の こ とか ら有 害 物 質 の 分 解[4]

に加 え,モ ノ マ ー を 重 合 させ る,熱 に 弱 い 物 質 の 表 面 処 理 をす る な どの 反 応 も 可 能 と な る。

[5]以 下 に 代 表 的 な プ ラ ズ マ 化 学 反 応 の 工 業 的 利 用 に つ い て 示 す 。

【有 害 物 質 の 分 解 】

環 境 に 有 害 な 物 質 の 処 理 方 法 と して プ ラ ズ マ に よ る処 理 が 実 用 化 され て い る。 分 解 処 理 に は熱 平 衡 プ ラ ズ マ お よび 非 平 衡 プ ラ ズ マ の 両 方 が 用 い られ て お り,ポ リ塩 化 ビ フ ェ ニ ル (polychlorinatedbiphenyl:PCB)を 熱 プ ラ ズ マ の 高 温 を利 用 し て容 器 ご と溶 融 分 解 す る 手 法[2]

や,非 平 衡 プ ラ ズ マ に よ る揮 発 性 有 機 物 質 やNOxを 分 解 す る手 法 等 が あ る。 ま た 非 平衡 プ ラ ズ マ で は 温 度 が 低 い と い う特 徴 か ら既 存 の 触 媒 と組 み 合 わ せ る こ と も 可 能 で あ り,こ れ に よ りプ ラ ズ マ ・触 媒 そ れ ぞ れ を 単 体 で 使 用 した 場 合 よ り も高 い 分 解 能 力 を発 揮 す る こ と が 可 能 と な る。[6]

【薄 膜 の 合 成 】[7]

物 体 表 面 に 薄 膜 を 形 成 す る 手 法 と して 化 学 蒸 着 法(chemicalvapordeposition:CVD)が 挙 げ られ る。CVDに は 熱CVDと プ ラ ズ マCVDと が あ り,プ ラ ズ マCVDで は 非 平 衡 プ ラ ズ マ が 用 い られ る。 熱CVDは 約10000Cに 加 熱 され た 高 温 炉 内 に 置 か れ た被 覆 材 に原 料 と な る ガ ス を 吹 き 付 け,高 温 下 で 進 行 す る分 解 や 化 学 反 応 を 用 い て 表 面 に 薄 膜 を 形 成 す る 手 法 で あ り,膜 の密 着 性 が優 れ て い る とい う利 点 を有 す る。TiN被 膜 の 製 膜 を例 に と る と反 応 は 次 の よ うに な る。

TiC14(9)+0.5N2(9)+2H、(9)→TiN(・)+4HCK9) (2‑1)

上 記 反 応 は850‑1000。Cで 進 行 す る。こ の た め熱CVD法 で は 被 覆 材 の 耐 熱 温 度 や 熱 変 形 等 が 問 題 と な る。 一 方 プ ラ ズ マCVDで は 高 温 下 で進 行 す る反 応 を,非 平 衡 プ ラ ズ マ を 用 い る こ とに よ り低 温 下 で も誘 起 す る こ と が で き る た め,低 温 で の 薄 膜 形 成 が 可 能 と な る 。 膜 の 密 着 性 は 熱CVD法 に 多 少 劣 る もの の,こ れ に よ り被 覆 材 の 熱 変 形 を起 こ さず,ま た 有 機 物 な ど の 熱 に 弱 い 物 質 を被 覆 材 や 成 膜 材 料 に 用 い る こ とが 可 能 とな る。

本 研 究 で は こ の よ うに 物 質 を 分 解 ・反 応 させ る プ ラ ズ マ の 特 性 に 着 目 し,こ れ を触 媒 の 代 替 と して 用 い る こ と で 推 進 剤 の 反 応 を誘 起 す る。

第2章 参 考 文 献

[1]電 気 学 会 編 「プ ラ ズ マ 工 学 」 電 気 学 会,初 版p.1,1997.

[2]村 田 光 也,長 田 守 弘,高 橋 正 光,田 頭 成 能 「PCB汚 染 物 等 の プ ラ ズ マ 溶 融 分 解 処 理 技 術 」 新 日 鉄 技 報 第382号,pp.28‑32,2005.

[3]沖 野 晃 俊,佐 々 木 良 太,永 田 洋 一,重 田 香 織,岩 井 貴 弘,宮 原 秀 一 「大 気 圧 マ ル チ ガ ス プ ラ ズ マ 源 の 開 発 と 産 業 応 用 」プ ラ ズ マ 核 融 合 学 会 誌,Vbl.86No.1,pp.40‑42,2010.

[4]堤 井 信 力,小 野 茂 著 「プ ラ ズ マ 気 相 反 応 工 学 」 内 田 老 鶴 圃,第1版p.225,2000年.

[5]長 田 義 仁 編 著 「低 温 プ ラ ズ マ 材 料 科 学 」産 業 図 書 株 式 会 社,第2版pp.1‑4,2002年.

[6]A.M.Vandenbroucke,R.Morent,N.D.Geyter,C.Leys"Non‑thermalplasmasfor

non‑catalyticandcatalyticVOCabatement"JoumalofHazardousMaterials,Vol.195,pp.

30‑54,2011.

[7]河 田 一 喜 著 「本 当 に よ く わ か る 窒 化 ・浸 炭 ・プ ラ ズ マCVD」 日 刊 工 業 新 聞 社,初 版 第 1届Upp.255‑273,2012.

第3章

実験 装 置 お よび計 測 装 置

本 章 で は本 研 究 で用 い た 真 空 排 気 系,電 源 系 お よび 計 測 系 に つ い て そ の詳 細 を述 べ る。

3.1真 空 排 気 系 3.2電 源 系

3.2.1直 流 電 源 系 3.2.2高 周 波 電 源 系 3.3計 測 系

3.3.1放 電 波 形 測 定 系 3.3.2推 力 測 定 系 3.3.3圧 力 測 定 系 3.3.4デ ー タ 収 集 系

第3章 実験装置お よび計測装置

3.1真 空 装 置 系

本 研 究 の 一 部 実 験 で は ス ラ ス タ の 実 際 の 作 動 状 況 を模 擬 す る た め 真 空 環 境 下 で の 実 験 を 行 っ て い る 。 使 用 した 真 空 槽 は直 径0.6m,長 さ1.Omの 大 き さで あ り,ロ ー タ リー ポ ン プ (RP)と メ カ ニ カ ル ブ ー ス ター ポ ン プ(MBP)に よ り排 気 され る。 図3‑1に 本 研 究 で 用 い た 真 空 装 置 の概 要 を 示 す 。 作 動 前 後 真 空 槽 内圧 力 は ピ ラ ニ ゲ ー ジ に よ り取 得 し て い る。 本 ピ ラ ニ ゲ ー ジ は 空 気 の 圧 力 を 計 測 す る た め,燃 焼 ガ ス が真 空 槽 内 に 充 満 した 場 合 は ガ ス 種 に よ る 補 正 を 掛 け な けれ ば な らな い が,燃 焼 ガ ス の 成 分 お よび 割 合 が 不 明 な た め補 正 は行 っ て い な い 。 ス ラ ス タ作 動 時 に 噴 射 され るプ ル ー ム に は 硝 酸 やNOx等 が含 ま れ る た め,ス ラ ス タ 作 動 中 に もポ ン プ に よ る排 気 を継 続 した 場 合,ポ ン プ 油 や オ イ ル ミス ト トラ ップ 中 に こ れ ら有 害 物 質 が 蓄 積 して し ま う。 これ を避 け る た め 真 空 環 境 下 で の 作 動 実 験 時 に は,ス ラ ス タ作 動 前 に 真 空 槽 一 ポ ン プ 問 に 設 け られ た ゲ ー トバ ル ブ を 閉 じ,ポ ン プ と真 空 槽 と を切 り離 した 状 態 で ス ラ ス タ の 作 動 を行 う。 こ の 状 態 で は ス ラ ス タ 作 動 と共 に 真 空 槽 内圧 力 が 上 昇 して しま うが,実 験 を通 して 真 空 度 は500Pa以 下 を維 持 して お り,こ れ は 高 度 に 換 算 す る と30‑40kmの 大 気 圧 に相 当 す る。これ は 実 際 の 運 用 高 度 と な る数 百 ㎞ と比 べ る と低 い値 で あ る が,第5章 で 用 い た 目標 燃 焼 室 圧 力550kPa,目 標 推 力lN,開 口比llの ス ラ ス タ の ノズ ル 出 口圧 は 計 算 上 約6kPa(燃 焼 室 圧 力550kPa時)と 真 空 槽 内圧 力 よ り も高 い こ とか ら,過 膨 張 を 起 こ さ な い と考 え る。 ま た 本 ス ラ ス タ の ノ ズ ノレ出 口直 径 は4㎜ で あ る た め,仮 に ノ ズ ル 出 口圧 がOPaま で 低 下 した と して も背 圧 に よ る負 の圧 力 ス ラ ス トは 以 下 に 示 す よ うに 十 分 小 さい 。

F,一 一P、 ヘ ー‑6×10‑3N (3‑1)

Piranigauge

ヨO.O

一 1.Om

図3‑1真 空 装 置 概 略

こ こ でFpは 圧 力 ス ラ ス ト,Pbは 真 空 槽 内 圧 力,へ は ノ ズ ル 出 口面 積 で あ る。 した が っ て 真 空 環 境 を模 擬 す る に あ た り,本 研 究 に お け る真 空 槽 内圧 力 に は 問 題 は な い と考 え る。

3.2電 源 系 3.2.1直 流 電 源 系

本 研 究 の 第4‑7章 で はNISTAC製 直 流 安 定 化 電 源HV‑2KlOを 用 い て い る 。 本 電 源 の 最 大 出 力 電 圧 お よ び 電 流 は そ れ ぞ れ2kV,1.OAと な っ て お り,出 力 方 式 は 定 電 圧(Constant Vbltage:CV)ま た は 定 電 流(ConstantCurrent:CC)と な っ て い る 。 本 電 源 を 反 応 機 構 の 電 極 に 接 続 す る が,プ ラ ズ マ が 生 成 さ れ た 瞬 間 に 流 れ る 突 入 電 流 を 抑 制 す る こ と を 目 的 と し て, 電 源 と 反 応 機 構 の 問 に 抵 抗 を 挿 入 し て い る 。 こ の 抵 抗 に は 第4章 の 実 験 時 に は セ メ ン ト抵 抗 を 繋 ぎ 合 わ せ 抵 抗 値360Ω,許 容 平 均 電 流0.8Aと し た 抵 抗 器 を 用 い て お り,5章 以 降 の 実 験 で はTEConnectivity製 の470Ω メ タ ル ク ラ ッ ド抵 抗CJTIOOO470RJJ(許 容 平 均 電 流1.4A) を 採 用 し て い る 。

3.2.2高 周 波 電 源 系

第4章 で は 上 記 直 流 安 定 化 電 源 に加 え1356MHzの 高 周 波 電 源 も 用 い て プ ラ ズ マ の 生 成 を 行 っ た 。 高 周 波 電 源 に はIonTech製 のRF‑5Sを 用 い て お り,出 力 方 式 は 定 電 力 出 力 (ConstantWatt:CW)で あ り,出 力 イ ン ピ ー ダ ンス は50Ω で あ る。本 電 源 の 最 大 出 力 は500W で あ る が,反 射 電 力 が38W以 上 に な ら な い よ う出 力 を 制 限す る機 能 を有 して い る。

ま た 負 荷 との イ ン ピー ダ ン ス を 整 合 す る た め,高 周 波 電 源 と反 応 機 構 との 問 に はCOMET 製 マ ッチ ン グ ボ ッ ク スAGSI310を 挿 入 して い る。 本 マ ッチ ン グ ボ ッ ク ス は 直 列 容 量 お よび 並 列 容 量 が5‑500pFの 真 空 可 変 コ ンデ ン サ で 構 成 され て い る。 電 源 系 の 概 略 図 を 図3‑2 に 示 す 。

RFgenerator

l3.56MHz Matchingbox

⑦

/ 5‑500pF

o

II

図3‑2高 周 波 電 源 系 概 略 図

3.3計 測 系

3.3.1放 電 波 形 測 定 系

電 源 か ら 反 応 機 構 等 に 流 れ る 電 流 の 計 測 に はTektronix製 電 流 プ ロ ー ブTCP312Aお よ び ア ン プTCPA300を 用 い て お り,反 応 機 構 に 印 加 さ れ る 電 圧 の 測 定 に はTektronix製 高 電 圧 プ ロ ー ブP6015Aを 用 い た。 こ れ ら の 仕 様 を 表3‑1に 示 す 。 加 え て パ ル ス 放 電 を 用 い る 場 合,そ の 電 流 計 測 に は 自 作 し た ロ ゴ ス キ ー コ イ ル を 用 い て い る 。 ロ ゴ ス キ ー コ イ ル か ら の 出 力 は RC積 分 回 路 を 通 し て オ シ ロ ス コ ー プ に 入 力 され る 。 積 分 回 路 は50kΩ の 抵 抗 と10nFの コ ン デ ン サ か ら成 っ て お り,時 定 数 は500μsと な る 。

表3‑1電 流 プ ロ ー ブ お よび 電 圧 プ ロー ブ 特 性 型番 TCP312A/TCPA300 P6015A

帯域幅 最大定格値 出力

DC‑100MHz 5A(低 電 流 感 度)

lA/V

DC‑75MHz 20kV l/1000

3.3.2推 力 測 定 系

推 力 の 測 定 の た め ス ラ ス トス タ ン ドを製 作 し,こ れ を5‑7章 の 実 験 で 用 い た 。概 略 図 を 図 3‑3に 示 す 。 推 力 の 測 定 に は 共 和 電 業 製 ロー ドセ ルLTs‑200GAM2を 用 い て お り,定 格 容 量 2N,単 体 で の 固 有 振 動 数 は667Hz,入 出 力 抵 抗 は そ れ ぞ れ120Ω ±10%で あ る。 ス ラ ス ト ス タ ン ドの 復 元 力 に は 板 バ ネ を用 い て お り,実 験 は オ フ セ ッ トと して ロー ドセ ル を0.3N程 度 の 力 で 押 しっ け た 状 態 で 実 施 して い る。 ス ラ ス タ を取 り付 け た 状 態 で の ス ラ ス トス タ ン

ドの 固 有 振 動 数 は お よそ30Hzで あ る が,そ の 振 幅 が 無 視 で き な い た め,推 力 評 価 の 際 に は ロ ー ドセ ル が 出 力 す る波 形 を 平 滑 化 す る 等 して 固 有 振 動 の影 響 を排 除 す る こ と が 必 要 とな る 。 キ ャ リブ レー シ ョ ン は 各 実 験 直 前 に 錘 を 吊 るす こ と で 行 っ て お り,そ の 結 果 の 一 例 を 図3‑4に 示 す 。

Reactionsystem

Load cell

Jig Thruster

Leaf spring Calibrationweight

図3‑3ス ラ ス トス タ ン ド概 略

2.5

2.0

>

弓

El.5 8

111 .0

ゼ 8 日

0.5

0.0

0.00.20.40.60.81.Ol.2

Calibrationweight,N

図3‑4ス ラ ス ト ス タ ン ド の キ ャ リ ブ レ ー シ ョ ン 結 果 各 点 で そ れ ぞ れ6回 ず つ 計 測 を 実 施

3.3.3圧 力 測 定 系

5章 の 実 験 で は推 進 剤 の供 給 圧 を,6,7章 で は こ れ に加 え燃 焼 室 圧 力 を 測 定 す る の に圧 力 計 を用 い て い る。 本 研 究 で 用 い た 圧 力 計 は 長 野 計 器 製KHI5お よびKEYENCE製 圧 力 計 AP‑13Sの2種 類 で あ る。5章 で はAP‑13Sを 推 進 剤 の 供 給 圧 測 定 に 採 用 し,6,7章 で は放 電 時 の ノイ ズ の 都 合 か ら,推 進 剤 の 供 給 圧 測 定 にKHI5を,燃 焼 室 圧 力 測 定 にAP‑13Sを 採 用

した 。 そ れ ぞ れ の 仕 様 を 表3‑2に 示 す 。

表3‑2圧 力 計 仕 様 一 覧

KH‑15 AP‑13S

測定範囲 測定精度 時定数 出力方式

0‑3.5MPa

<±0.25%ES.

<lms O‑5V

0‑lMPaG

<±0.5%ES.

lms 4‑20mA

3.3.4デ ー タ 収 集 系

前 述 の 計 測 器 の う ち ロ ー ドセ ル の 信 号 は キ ー エ ン ス 製 ひ ず み 計 測 ユ ニ ッ トNR‑STO4で 収 集 し,こ れ 以 外 の 信 号 はNR‑HAO8高 速 ア ナ ロ グ 計 測 ユ ニ ッ トで 収 集 し て い る 。 表3‑3に そ れ ぞ れ の 仕 様 を 示 す 。

表3‑3計 測 ユ ニ ッ ト仕 様 一 覧

ユ ニ ッ ト 高 速 ア ナ ロ グ計 測 ユ ニ ッ ト ひ ず み ゲ ー ジ 計 測 ユ ニ ッ ト

NR‑HAO8 NR‑STO4

±5V(電 圧)

使 用 レ ン ジ ^±5mV

0‑20mA(電 流)

A/D分 解 能 14bit 16bit

最 高 サ ン プ リン グ周 期 1μS 20μs

電 圧:lMΩ ±1%

入 カ イ ン ピー ダ ン ス ^>lMΩ

電 流:350Ω ±1%

入力周波数帯域 DC‑250kHz(‑3dB) DC‑5kHz(‑3dB)

適 用 ゲ ー ジ 抵 抗 ^{■ 4ゲ} ー ジ 法:120‑lkΩ

印加電圧 ^{■ DC2V±0.4%}

第4章

プ ラ ズ マ 生 成 の評 価

本 章 で は外 部 か らの ガ ス 供 給 を排 した 状 態 で プ ラズ マ の生 成,お よび 推 進 剤 の反 応 が 可 能 で あ るか を評 価 す る こ とを 目的 と した 基礎 実 験 につ い て 述 べ る。

4.1節 で は容 器 内 に保 持 され た静 止 状 態 の推 進 剤 中 で プ ラズ マ の 生成 ・推 進 剤 の 反 応 の 可否 を確 認 す る実 験 につ い て述 べ,4.2節 で は推 進 剤 供 給環 境 下 で プ ラズ マ の生 成 ・反 応 を維 持 で き るか の実 験 につ い て述 べ る。

4.1液 中 プ ラ ズ マ 生 成 4.1.1液 中 プ ラ ズ マ

4.1.2実 験 装 置 お よ び 実 験 手 順 4.1.3実 験 結 果 お よ び 考 察

4.2推 進 剤 供 給 下 で の プ ラ ズ マ 生 成 維 持 4.2.1実 験 装 置 お よ び 実 験 手 順

4.2.2実 験 結 果 お よ び 考 察

第4章 プ ラズマ生成 の評価

4.1液 中 プ ラ ズ マ 生 成 4.1.1液 中 プ ラ ズ マ

本 研 究 で は 外 部 か らの ガ ス 供 給 を排 した 状 態 で プ ラ ズ マ を生 成 す る 手 法 と して 液 中 プ ラ ズ マ に 着 目 した 。 液 中 プ ラ ズ マ とは,放 電 を す る こ とに よ る ジ ュ ー ル 加 熱 や 電 気 分 解 に よ り生 成 した ガ ス を素 に液 体 中 で 生 成 され る プ ラ ズ マ で あ る。 この よ うな 環 境 で は,反 応 対 象 で あ る液 体 が プ ラ ズ マ を 包 み 込 ん で い る た め,放 電 室 壁 面 よ りプ ラ ズ マ に 対 し多 量 の 反 応 材 料 が供 給 され て い る状 態 と な る。 こ の た め 大 量 の 反 応 を誘 起 す る こ と が で き る と され る。[1]本研 究 で はSHPl63を ジ ュー ル 加 熱 お よび 電 気 分 解 す る こ と に よ りガ ス を 生 成 し,こ れ を 素 と して プ ラ ズ マ を 生 成 す る。 ジ ュ ー ル 加 熱 に よ る気 化 の 際 に は,沸 点 が 低 く含 有 量 も 多 い メ タ ノー ル が 主 に 気 化 す る も の と考 え られ る。一 方HAN水 溶 液 の 電 気 分 解 の 際 に は Yetterら が 以 下 の様 な反 応 が 起 こ る こ とを 報 告 して い る。[2]

Anode

H,0→0.50,↑+2H++2e‑

(NH,OH)+Nq+H+→NH,OH++HNO,

(4‑1) Cathode

2NH30H++2e‑→2NH20H+H2↑

上 述 の よ うにHANを 電 気 分 解 した 際 に 発 生 す るガ ス は ア ノ ー ド側 で 酸 素,カ ソ ー ド側 で 水 素 とな る。 この た め 本 研 究 に お い て 液 中 プ ラ ズ マ 生 成 初 期 の 段 階 で は 酸 素,水 素,メ タ ノ ー ル を素 と して プ ラ ズ マ が 生 成 され る も の と考 え る 。 一方 推進 剤 が反 応 を開始 した後 は, 発 生 した 燃 焼 ガ ス を 素 と して プ ラズ マ の 生 成 を 維 持 す る も の と考 え る。

4.1.2実 験 装 置 お よ び 実 験 手 順

本 研 究 で は 初 め に,外 部 か ら の ガ ス 供 給 を排 し た状 態 で プ ラ ズ マ の 生 成,お よび そ れ に よ る推 進 剤 の 反 応 が 可 能 で あ る か を評 価 す る。実 験 に は 図4‑1に 示 す 反 応 容 器 を 用 い た 。 中 央 に 開 け られ た φ6㎜ の 穴 は 推 進 剤 を保 持 す る た め の 空 間 で あ り,実 験 時 に1ま0.6gの 推 進 剤 を投 入 して い る。 そ の 下 部 に は 電 極 を 取 り付 け る た め の ポ ー トと して メ ネ ジ を 切 っ て お り,M3のSUS304ネ ジ を 放 電 電 極 と して 取 り付 け る。 液 中 で プ ラ ズ マ を 生 成 す る 際,電 極 の 接 液 面 積 が 広 い 場 合 に は 電 流 が 液 を 介 して 流 れ や す く な り,反 面 電 圧 が 印加 され に く く な る た め プ ラ ズ マ の 生 成 が 困 難 に な る こ とが 報 告 され て い る。[3]この た め 本 実 験 で は 簡 易 的 で は あ る が,図4‑2に 示 す よ うに電 極 側 面 を テ フ ロ ン製 の シ ー ル テ ー プ で覆 い 接 液 面 積 を減 少 させ た 。 電 極 は 片 方 を グ ラ ウ ン ドに 接 続 し,も う一 方 は 電 源 と接 続 し,電 極 間 ギ ャ ップ は 全 て の 実 験 を 通 してlmmと した 。加 え て 反 応 容 器 上 部 に は 簡 易 的 な が らス ラ ス タ の 環 境 を簾 す る こ と を 目的 と し,φ1㎜ の オ リフ ィ ス を取 り付 け て い る 。

プ ラ ズ マ 生 成 に お け る 放 電 形 態 の影 響 を 比 較 す る た め,本 実 験 で は 電 源 にNISTAC製 HVL2KlO直 流 安 定 化 電 源 お よび13.56MHzのIonTech製RF‑5S高 周 波 電 源 を採 用 した。 こ こ で 直 流 安 定 化 電 源 を 用 い る場 合,プ ラ ズ マ が 生 成 され た 際 の 突 入 電 流 を 抑 制 す る こ と を 目的 と して360Ω の 抵 抗 を 電 源 と反 応 容 器 との 間 に挿 入 して い る。ま た 高 周 波 電 源 を用 い る 場 合,イ ン ピー ダ ン ス の 整 合 を 目的 と して 電 源 と反 応 容 器 と の 間 に マ ッ チ ン グ ボ ッ ク ス を 挿 入 して い る。 直 流 お よび 高 周 波 電 源 を 用 い た そ れ ぞ れ の 条 件 で の 実 験 コ ン フ ィ グ レー シ ョ ン を 図4‑3に 示 す 。直 流 安 定 化 電 源 を 用 い る場 合 は 反 応 容 器 に 投 入 され て い る電 力 を 電 流 プ ロ ー ブ お よび 電 圧 プ ロー ブ の 波 形 の 積 と して 算 出 して い る。 一 方 高 周 波 電 源 を用 い る場 合 は,高 周 波 電 源 に 表 示 され る進 行 電 力 と反 射 電 力 の 差 を 取 る こ とに よ り電 力 を評 価 した 。 こ の 方 法 で 算 出 され た 電 力 は マ ッチ ン グ ボ ッ ク ス お よび 反 応 容 器 に 投 入 され る電 力 で あ り, 反 応 容 器 単 体 に 投 入 され る電 力 で は な い こ とに 留 意 され た い 。

高 周 波 電 源 を 用 い る 実 験 の 際 は 電 源 起 動 前 に予 め ネ ッ トワー ク ア ナ ライ ザ を用 い て マ ッ チ ン グ ボ ッ ク ス を操 作 し,イ ン ピー ダ ン ス を50Ω に 整 合 して い る。 電 源 を起 動 させ た 後 は 放 電 に よ る 電 気 分 解 お よび ジ ュー ル 加 熱 に よ り電 極 接 液 部 の 推 進 剤 が ガ ス 化 を 開 始 す る。

35

Orlfice

chargechamber

HPl63≒06g

Electrode

図4‑1液 中 プ ラ ズ マ 生 成 装 置

・噌 蝋

PTFESealTape

q‑

r脚㌧

■卿雪〜魯