宇宙機タンク内部の液体推進薬挙動
東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学専攻 姫野 武洋 様
宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部 野中 聡 様
宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部 成尾 芳博 様
宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部 稲谷 芳文 様
東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学専攻 渡辺 紀徳 様

はじめに

飛行中の航空機やロケットは、機体の姿勢変更やエンジンの始動停止および推力変動に伴って、様々な加速度変化を経験します。この時、機体内部のタンクに貯蔵された液体燃料や液体酸化剤(液体推進薬)が大きく揺れ動いてしまうと、機体の姿勢制御やエンジンへの推進薬供給に悪影響を与えると懸念されます。
我々の研究室[1]では、様々な加速度環境に置かれた液体の挙動を実験と数値解析によって詳しく調べ、航空機やロケットの設計と運用に役立つ予測手法の確立に取り組んでいます。ここでは、図1に示すような小型ロケット(宇宙航空研究開発機構で研究されている再使用ロケット実験機[2])が比較的低高度の大気中でエンジンを停止して弾道飛行をする場合を想定し、計算から予測されるタンク内部の液体推進薬挙動を、対応する実験結果と比較した研究例を紹介します。


図1 : 再使用ロケット実験機の試験風景(2003年10月);
宇宙航空研究開発機構(JAXA)提供

液面の観察実験

弾道飛行をする小型ロケットの内部は完全な無重力環境ではなく、空力抵抗に伴って0.02G程度の加速度が機体垂直方向に加わると予想されています。運悪く、この秒時に機体が突風を受けると、水平方向にも同程度の抵抗を受けてしまい、加速度の向きが機体軸から傾き、タンク内部の液体推進薬が大きく揺動する心配があります。
このような、縦横の加速度が同程度となる環境を実験的に再現するため、まず、図2に示す加振装置に実機タンクの縮小模型を搭載し、水平加速度を図3のように時間変化させ、内部の液体挙動を高速度カメラで撮影しました。結果、図4に示すように、急激な加減速に伴う液体揺動と、勢い余ってタンク上部に達する波、それに続く砕波が観察されました。


[an error occurred while processing this directive]