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JP7329242B2 - Fuel device, manufacturing method thereof, and hybrid rocket engine - Google Patents

Fuel device, manufacturing method thereof, and hybrid rocket engine Download PDF

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JP7329242B2
JP7329242B2 JP2019190285A JP2019190285A JP7329242B2 JP 7329242 B2 JP7329242 B2 JP 7329242B2 JP 2019190285 A JP2019190285 A JP 2019190285A JP 2019190285 A JP2019190285 A JP 2019190285A JP 7329242 B2 JP7329242 B2 JP 7329242B2
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晃平 小澤
カンイ オウ
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Description

本発明は、固体燃料が流体の酸化剤を供給されて燃焼する燃料装置、及びその製造方法、並びに、ハイブリッドロケットエンジンに関する。 The present invention relates to a fuel system in which a solid fuel is combusted by being supplied with a fluid oxidant, a manufacturing method thereof, and a hybrid rocket engine.

ハイブリッドロケットエンジンには、固体燃料及び液体酸化剤を基に固体燃料の表面近傍のみで拡散火炎を生じさせる境界層燃焼が採用されている(特許文献1参照)。この境界層燃焼は、非火薬であるため、宇宙開発における意図せぬ着火や爆発のリスクに由来した設計、製造及び運用制約を緩和することが期待できる。また、ハイブリッドロケットエンジンは、推力制御も可能であり、液体ロケットよりも構造が簡素である。
そのため、ハイブリッドロケットエンジンは、近年、特にSpaceShipTwo等に代表される有人宇宙機に適用され、超小型衛星の推進系等にも応用が検討されている。
A hybrid rocket engine employs boundary layer combustion in which a diffusion flame is generated only near the surface of a solid fuel based on a solid fuel and a liquid oxidant (see Patent Document 1). Since this boundary layer combustion is non-explosive, it can be expected to alleviate design, manufacturing, and operational restrictions due to the risks of unintended ignition and explosion in space development. The hybrid rocket engine is also capable of thrust control and has a simpler structure than the liquid rocket.
Therefore, in recent years, hybrid rocket engines have been applied to manned spacecraft such as the SpaceShipTwo, and are being studied for application to propulsion systems for microsatellites and the like.

特開2012-87716号公報JP 2012-87716 A

しかしながら、推力、燃焼効率が依然として低く、推進剤残渣(燃え残り)が多い等の問題から、ハイブリッドロケットエンジンを搭載した衛星が軌道上に投入された実績は未だにない。推力の増大、燃焼効率については近年大幅な改善の兆しがあるが、固体燃料の消費速度を精度良く計測することが困難で、推進剤残渣の問題についてはあまり改善されていない。また、固体燃料の消費速度を精度良く計測できないと、ハイブリッドロケットエンジンの燃焼中の性能をリアルタイム測定できず、性能の安定化や複雑な推力制御を図ることができない。 However, due to problems such as low thrust and combustion efficiency and a large amount of propellant residue (unburned residue), there is still no track record of a satellite equipped with a hybrid rocket engine being put into orbit. In recent years, there are signs of significant improvement in thrust increase and combustion efficiency. In addition, if the solid fuel consumption rate cannot be measured accurately, the performance of the hybrid rocket engine during combustion cannot be measured in real time, and performance stabilization and complicated thrust control cannot be achieved.

このような状況下において、固体燃料の消費速度をリアルタイムで計測する技術が提案されているが、いずれの技術も確立しているとは言えず、新しい技術が求められている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、固体燃料の消費速度を新しい技術で計測可能な燃料装置及びその製造方法、並びに、ハイブリッドロケットエンジンを提供することを目的とする。
Under such circumstances, techniques for measuring the consumption rate of solid fuel in real time have been proposed, but none of the techniques have been established, and new techniques are required.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a fuel device, a manufacturing method thereof, and a hybrid rocket engine that are capable of measuring the consumption rate of solid fuel using a new technique.

前記目的に沿う第1の発明に係る燃料装置は、固体燃料を有し、該固体燃料が、流体の酸化剤を与えられて燃焼し、発熱反応を生じさせる燃料装置において、前記固体燃料は非導電性であり、導電性材料によって形成され、前記固体燃料の燃焼に伴って縮小する電極ネットワークと、前記電極ネットワークの物理量を計測する計測手段と、前記計測手段の計測値の変化を基に前記固体燃料の消費速度を導出する消費速度算出手段とを備え、前記電極ネットワークは、それぞれ導電性樹脂によって形成された複数の棒状部を具備する格子構造体を有し、該格子構造体は、前記固体燃料の燃焼に伴って前記棒状部の数が減少し、電気的な物理量が変化する。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel system for achieving the above object, which includes a solid fuel, which is combusted by being given a fluid oxidant to generate an exothermic reaction, wherein the solid fuel is non-toxic. an electrode network that is conductive and made of a conductive material and shrinks as the solid fuel burns; measuring means for measuring a physical quantity of the electrode network; consumption rate calculation means for deriving the consumption rate of the solid fuel, wherein the electrode network has a lattice structure having a plurality of rod-shaped portions each formed of a conductive resin; As the solid fuel burns, the number of rod-shaped portions decreases, and the electrical physical quantity changes .

前記目的に沿う第2の発明に係るハイブリッドロケットエンジンは、インジェクタが設けられたエンジンケースと、前記インジェクタ経由で前記エンジンケース内に流体の酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを有するハイブリッドロケットエンジンにおいて、前記エンジンケース内に設けられた、非導電性の固体燃料と、導電性材料によって形成され、前記固体燃料の燃焼に伴って縮小する電極ネットワークと、前記電極ネットワークの物理量を計測する計測手段と、前記計測手段の計測値の変化を基に前記固体燃料の消費速度を導出する消費速度算出手段とを備え、前記電極ネットワークは、それぞれ導電性樹脂によって形成された複数の棒状部を具備する格子構造体を有し、該格子構造体は、前記固体燃料の燃焼に伴って前記棒状部の数が減少し、電気的な物理量が変化する。 A hybrid rocket engine according to a second aspect of the invention that meets the above object has an engine case provided with an injector, and an oxidant supply means for supplying a fluid oxidant into the engine case via the injector. In the above, provided in the engine case, a non-conductive solid fuel, an electrode network formed of a conductive material and shrinking as the solid fuel burns, and a measuring means for measuring a physical quantity of the electrode network and consumption rate calculation means for deriving the consumption rate of the solid fuel based on changes in the measured values of the measurement means , wherein the electrode network comprises a plurality of rod-shaped portions each formed of a conductive resin. It has a lattice structure, and the number of rod-like portions of the lattice structure decreases as the solid fuel burns, and the electrical physical quantity changes.

前記目的に沿う第3の発明に係る燃料装置の製造方法は、3次元プリンタを用いて、絶縁性複合フィラメント材料及び導電性フィラメント材料を基に、固体燃料及び該固体燃料の燃焼に伴って縮小する電極ネットワークの領域をそれぞれ形成する工程を経て、前記固体燃料が、流体の酸化剤を与えられて燃焼し、前記電極ネットワークが前記固体燃料の燃焼に伴って縮小し、しかも、前記電極ネットワークが、それぞれ導電性樹脂によって形成された複数の棒状部を具備する格子構造体を有し、該格子構造体が、前記固体燃料の燃焼に伴って前記棒状部の数が減少し、電気的な物理量が変化する燃料装置を得る。 A method of manufacturing a fuel device according to a third aspect of the present invention, which meets the above object, uses a three-dimensional printer to produce a solid fuel based on an insulating composite filament material and a conductive filament material, and shrinks as the solid fuel burns. the solid fuel is combusted with a fluid oxidizer, the electrode network shrinks as the solid fuel burns, and the electrode network shrinks as the solid fuel burns, and and a grid structure having a plurality of rod-shaped portions each formed of a conductive resin, wherein the grid structure reduces the number of rod-shaped portions as the solid fuel burns, and the electrical physical quantity obtain a variable fuel system.

第1の発明に係る燃料装置及び第2の発明に係るハイブリッドロケットエンジンは、導電性材料によって形成され、非導電性の固体燃料の燃焼に伴って縮小する電極ネットワークと、電極ネットワークの物理量を計測する計測手段と、計測手段の計測値の変化を基に固体燃料の消費速度を導出する消費速度算出手段とを備えるので、それぞれ固体燃料の消費速度を計測可能な従来にない燃料装置及びハイブリッドロケットエンジンである。
また、第3の発明に係る燃料装置の製造方法は、3次元プリンタを用いて、絶縁性複合フィラメント材料及び導電性フィラメント材料を基に、固体燃料及び該固体燃料の燃焼に伴って縮小する電極ネットワークの領域をそれぞれ形成する工程を経て、固体燃料が、流体の酸化剤を与えられて燃焼し、電極ネットワークが固体燃料の燃焼に伴って縮小する燃料装置を得るので、固体燃料の消費速度を計測可能な従来にない燃料装置の製造に適している。
A fuel device according to a first invention and a hybrid rocket engine according to a second invention are an electrode network formed of a conductive material and shrinking as a non-conductive solid fuel burns, and a physical quantity of the electrode network is measured. and a consumption speed calculation means for deriving the solid fuel consumption speed based on the change in the measurement value of the measurement means, so that the solid fuel consumption speed can be measured. is the engine.
A method for manufacturing a fuel device according to a third aspect of the present invention uses a three-dimensional printer to produce a solid fuel and an electrode that shrinks as the solid fuel burns, based on an insulating composite filament material and a conductive filament material. Through the step of forming each region of the network, the solid fuel is combusted given the fluid oxidant, resulting in a fuel system in which the electrode network shrinks with the combustion of the solid fuel, thus increasing the consumption rate of the solid fuel. Suitable for manufacturing non-traditional fuel systems that can be scaled.

(A)、(B)はそれぞれ、本発明の第1の実施の形態に係る燃料装置の説明図である。1A and 1B are explanatory diagrams of a fuel system according to a first embodiment of the present invention; FIG. 同燃料装置の計測手段の接続を示すブロック図である。It is a block diagram showing the connection of the measuring means of the same fuel system. 本発明の第2の実施の形態に係るハイブリッドロケットエンジンの説明図である。It is an explanatory view of a hybrid rocket engine according to a second embodiment of the present invention. 同ハイブリッドロケットエンジンの計測手段及び酸化剤供給手段の接続を示すブロック図である。It is a block diagram showing the connection of the measurement means and the oxidant supply means of the same hybrid rocket engine. 第1の実験で使用した設備の説明図である。It is an explanatory view of equipment used in the first experiment. 第2の実験で使用した設備の説明図である。It is explanatory drawing of the installation used by the 2nd experiment. 第3の実験で使用した設備の説明図である。It is explanatory drawing of the installation used by the 3rd experiment.

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図1(A)、(B)、図2に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る燃料装置10は、固体燃料11を有し、固体燃料11が、流体の酸化剤12を与えられて燃焼し、発熱反応を生じさせる装置であって、導電性材料によって形成され、固体燃料11の燃焼に伴って縮小する電極ネットワーク13と、電極ネットワーク13の物理量を計測する計測手段14と、計測手段14の計測値の変化を基に固体燃料11の消費速度を導出する消費速度算出手段15とを備える装置である。以下、詳細に説明する。
Next, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings for better understanding of the present invention.
As shown in FIGS. 1A, 1B, and 2, a fuel system 10 according to a first embodiment of the present invention has a solid fuel 11 which is a fluid oxidizer 12. A device that burns and causes an exothermic reaction, comprising an electrode network 13 formed of a conductive material and shrinking as the solid fuel 11 burns, and a measuring means 14 that measures the physical quantity of the electrode network 13 and consumption rate calculation means 15 for deriving the consumption rate of the solid fuel 11 based on changes in the measured values of the measurement means 14 . A detailed description will be given below.

固体燃料11は非導電性であり、図1(A)、(B)に示すように、円筒形状に形成されている。固体燃料11には、酸化剤12が流入する貫通孔16が軸心に沿って設けられており、貫通孔16内で境界層燃焼が生じる。本実施の形態において、固体燃料11は、熱可塑性エラストマ、酸化剤粒子及び金属粒子のうち少なくとも1つ(1種類)以上を含んでいる。 The solid fuel 11 is non-conductive and has a cylindrical shape as shown in FIGS. 1(A) and 1(B). A through hole 16 into which the oxidant 12 flows is provided along the axis of the solid fuel 11 , and boundary layer combustion occurs within the through hole 16 . In the present embodiment, the solid fuel 11 contains at least one (one type) of thermoplastic elastomer, oxidant particles, and metal particles.

電極ネットワーク13は、固体燃料11内に配された複数の格子構造体17を有し、直流電源18に接続されている。各格子構造体17は複数の棒状部19を具備し、各格子構造体17において、各棒状部19は、固体燃料11の軸心に平行であり、固体燃料11の径方向に等ピッチに配列した状態で並列接続されている。
固体燃料11の軸心方向の同じ位置に、複数の格子構造体17が放射状に配されてなる格子構造体群が配されており、複数の格子構造体群が固体燃料11の軸心方向の異なる位置に設けられている。
The electrode network 13 has a plurality of grid structures 17 arranged within the solid fuel 11 and is connected to a DC power supply 18 . Each lattice structure 17 has a plurality of rod-shaped portions 19. In each lattice structure 17, each rod-shaped portion 19 is parallel to the axis of the solid fuel 11 and arranged at equal pitches in the radial direction of the solid fuel 11. connected in parallel.
A lattice structure group in which a plurality of lattice structures 17 are radially arranged is arranged at the same position in the axial direction of the solid fuel 11 , and the plurality of lattice structure groups are arranged in the axial direction of the solid fuel 11 . located in different positions.

本実施の形態では、各棒状部19が、グラフン、グラファイト、炭素繊維、金属粉末及び金属繊維のうち少なくとも1つ(1種類)を含む導電性樹脂によって形成されている。各格子構造体17は、固体燃料11の燃焼(境界層燃焼)により固体燃料11の内壁が後退(貫通孔16が拡大)するのに伴い(即ち、固体燃料11の燃焼に伴って)、棒状部19の数が減少して、電気抵抗値が反比例的に減少する(即ち、電気的な物理量が変化する)。従って、格子構造体17の電気抵抗値は、固体燃料11の厚み(内壁から外壁までの距離)に対し、反比例の関係にある。 In the present embodiment, each rod-shaped portion 19 is made of a conductive resin containing at least one (one type) of graphene , graphite, carbon fiber, metal powder, and metal fiber. As the inner wall of the solid fuel 11 recedes (the through-hole 16 expands) due to combustion of the solid fuel 11 (boundary layer combustion), each lattice structure 17 is formed into a rod-like shape. As the number of portions 19 decreases, the electrical resistance value decreases in inverse proportion (that is, the electrical physical quantity changes). Therefore, the electrical resistance value of the lattice structure 17 is inversely proportional to the thickness of the solid fuel 11 (the distance from the inner wall to the outer wall).

電極ネットワーク13には、図2に示すように、電極ネットワーク13の電気抵抗値を測定する計測手段14が接続され、計測手段14には、計測手段14から計測手段14の測定値を取得する、CPU及びメモリ等によって構成された消費速度算出手段15が接続されている。
固体燃料11が燃焼している際、計測手段14は、直流電源18から直流電流を供給されている電極ネットワーク13の電気抵抗値を測定し、消費速度算出手段15は、計測手段14の測定値、即ち、電極ネットワーク13の電気抵抗値の単位時間当たりの変化量を基にして固体燃料11の消費速度(減少速度)を導出する。
As shown in FIG. 2, the electrode network 13 is connected to a measuring means 14 for measuring the electrical resistance value of the electrode network 13, and the measuring means 14 acquires the measured value of the measuring means 14 from the measuring means 14. A consumption speed calculation means 15 composed of a CPU, a memory, etc. is connected.
When the solid fuel 11 is burning, the measuring means 14 measures the electrical resistance value of the electrode network 13 supplied with a DC current from the DC power supply 18, and the consumption rate calculating means 15 calculates the measured value of the measuring means 14. That is, the consumption speed (decrease speed) of the solid fuel 11 is derived based on the amount of change per unit time of the electrical resistance value of the electrode network 13 .

格子構造体17は通電によって温度上昇するため、各格子構造体17は、固体燃料11の消費に伴って電極ネットワーク13全体の電気抵抗値を変化させる機能に加えて、固体燃料11を温めるヒータとしての機能も有することとなる。 Since the temperature of the lattice structure 17 rises by energization, each lattice structure 17 functions as a heater for warming the solid fuel 11 in addition to the function of changing the electrical resistance value of the entire electrode network 13 as the solid fuel 11 is consumed. It also has the function of

次に、図3、図4を参酌して、本発明の第2の実施の形態に係るハイブリッドロケットエンジン30について説明する。なお、ハイブリッドロケットエンジン30において、燃料装置10と同様の構成については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する(この点、以下の同様とする)。
ハイブリッドロケットエンジン30は、図3に示すように、インジェクタ31が設けられたエンジンケース32と、インジェクタ31経由でエンジンケース32内に流体の酸化剤12を供給する酸化剤供給手段33とを有している。
Next, a hybrid rocket engine 30 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. In the hybrid rocket engine 30, the same components as those of the fuel system 10 are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted (this point is the same below).
As shown in FIG. 3, the hybrid rocket engine 30 has an engine case 32 provided with an injector 31 and an oxidant supply means 33 for supplying a fluid oxidant 12 into the engine case 32 via the injector 31. ing.

固体燃料11及び全ての格子構造体17はエンジンケース32内に設けられている。エンジンケース32には、一端部にインジェクタ31が設けられ、他端部にノズル34が設けられている。CPU及びメモリ等によって構成された酸化剤供給手段33には、図4に示すように、計測手段14が計測する電極ネットワーク13の電気抵抗値の変化を基に固体燃料11の消費速度を導出する消費速度算出手段15が接続されている。酸化剤供給手段33は、消費速度算出手段15が導出する固体燃料11の消費速度を基にして酸化剤12の供給量を調整して固体燃料11の燃焼による発熱反応を制御する。 The solid fuel 11 and all grid structures 17 are provided within the engine case 32 . The engine case 32 has an injector 31 at one end and a nozzle 34 at the other end. As shown in FIG. 4, the oxidant supply means 33 composed of CPU, memory, etc. derives the consumption rate of the solid fuel 11 based on the change in the electrical resistance value of the electrode network 13 measured by the measurement means 14. A consumption rate calculation means 15 is connected. The oxidant supply means 33 adjusts the supply amount of the oxidant 12 based on the consumption rate of the solid fuel 11 derived by the consumption rate calculation means 15 to control the exothermic reaction caused by the combustion of the solid fuel 11 .

また、燃料装置10は、3次元(3D)プリンタを用いて、絶縁性複合フィラメント材料及び導電性フィラメント材料を基に、固体燃料11及び固体燃料11の燃焼に伴って縮小する電極ネットワーク13の領域(本実施の形態では、各格子構造体17)をそれぞれ形成する工程を経て、製造することができる。なお、格子構造体17のみでなく、電極ネットワーク13全体を、グラフン、グラファイト、炭素繊維、金属粉末及び金属繊維のうち少なくとも1つを含む導電性樹脂によって形成してもよい。 The fuel system 10 also uses a three-dimensional (3D) printer to print the solid fuel 11 and the area of the electrode network 13 that shrinks as the solid fuel 11 burns, based on the insulating composite filament material and the conductive filament material. (In the present embodiment, each lattice structure 17) can be manufactured through a step of forming each. Note that not only the grid structure 17 but also the entire electrode network 13 may be made of a conductive resin containing at least one of graphene , graphite, carbon fiber, metal powder, and metal fiber.

上述した実施の形態では、固体燃料11の材料として絶縁性熱可塑性フィラメントが用いられ、電極ネットワーク13の材料として熱可塑性導電性フィラメントが用いられた。更に、熱可塑性バインダや燃料を兼ねるバインダも使用された。熱可塑性材料として熱可塑性エラストマを使用しているが、これに限られるものではなく、例えば、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチレン、ポリサルファイド(PS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリウレタン(PU)、ポリブタジエンアクリル酸アクリロトリル(PBAN)、ポリブタジエンアクリル酸(PBAA)、末端カルボキシル基ポリブタジエン(CTPB)、末端水酸基ポリブタジエン(HTPB)、ニトロセルロース等を使用しても構わない。 In the embodiment described above, insulating thermoplastic filaments are used as the material of the solid fuel 11 and thermoplastic conductive filaments are used as the material of the electrode network 13 . In addition, thermoplastic binders and binders that double as fuel have also been used. Thermoplastic elastomers are used as thermoplastic materials, but are not limited to, for example, polymethyl methacrylate (PMMA), polyethylene, polysulfide (PS), polyvinyl chloride (PVC), polyurethane ( PU ), Polybutadiene acrylonitrile acrylate (PBAN), polybutadiene acrylic acid (PBAA), carboxyl-terminated polybutadiene (CTPB), hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB), nitrocellulose and the like may be used.

酸化剤としては、過塩素酸アンモニウム(AP)、硝酸アンモニウム(AN)、過塩素酸カリウム(KP)、過塩素酸ニトロニウム(NP)を使用しても構わない。 As the oxidizing agent, ammonium perchlorate (AP), ammonium nitrate (AN), potassium perchlorate (KP), nitronium perchlorate (NP) may be used.

金属燃料として、アルミニウム(Al)、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、ボロン(B)を使用することができる。硬化、架橋剤として、トルエン ジイソシアネート(TDI)、パラキノンジオウキシム(PQD)等を使用してもよい。 Aluminum (Al), beryllium (Be), magnesium (Mg), and boron (B) can be used as metal fuels. Toluene diisocyanate (TDI), paraquinonedioxime (PQD), etc. may be used as curing and crosslinking agents.

結合用添加材として、1、2-トリス(2-メチルアデジリニル)スフィンオキサイド等を使用しても構わない。可塑剤として、ジオクチルアジペート、ニトログリセリントリメチロールエタン トリナイトレート(TMETN)、トリエチレン グコールジナイトレート(TEGDN)、ジエチレン グリコール ジナイトレート(DEGDN)、ジエチルフタレート(DEP)、トリアセン(TA)、ポリウレタン(PU)などを使用してもよい。また、燃焼速度触媒として、酸化第二鉄、サリチル酸鉛(PbSa)、サリチル酸銅(CuSa)などを使用しても構わない。 As a binding additive, 1,2-tris(2-methyladezilinyl) phosphine oxide or the like may be used. As plasticizers, dioctyl adipate, nitroglycerin , trimethylolethane trinitrate (TMETN), triethylene glycol dinitrate (TEGDN), diethylene glycol dinitrate (DEGDN), diethyl phthalate (DEP), triacene (TA ), polyurethane (PU), etc. may be used. Further, ferric oxide, lead salicylate (PbSa), copper salicylate (CuSa), etc. may be used as a burning rate catalyst.

導電性材料として、フラーレン、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン、炭素繊維、カーボンナノチューブ、金属フィラーなどを用いることができる。 Fullerene, carbon black, graphite, graphene, carbon fiber, carbon nanotube, metal filler, and the like can be used as the conductive material.

次に、本発明について行った実験について説明する。
第1の実験では、グラフェンを混合した導電性樹脂と絶縁性樹脂とを原材料として、3次元プリンタを利用して、図5に示すように、固体燃料11及び格子構造体17を製作した。当該製作は、固体燃料11の軸心方向の格子構造体17間の寸法(ピッチ)L1及び棒状部19の長さL2を検証した後に行った。そして、インジェクタ31やノズル34等、ハイブリッドロケットエンジンを構成するその他の部品を試作した。これによって、3次元プリンタによって、固体燃料及び格子構造体を製作でき、その他の部品についても製造できることを確認した。
Next, experiments conducted on the present invention will be described.
In the first experiment, the solid fuel 11 and the grid structure 17 were fabricated as shown in FIG. 5 using a conductive resin mixed with graphene and an insulating resin as raw materials and using a three-dimensional printer. The fabrication was performed after verifying the dimension (pitch) L1 between the lattice structures 17 in the axial direction of the solid fuel 11 and the length L2 of the rod-like portions 19 . Then, the injector 31, the nozzle 34, and other parts constituting the hybrid rocket engine were prototyped. This confirms that a three-dimensional printer can be used to fabricate solid fuels and lattice structures, as well as other parts.

第2の実験では、図6に示すように、固体燃料11の貫通孔16を中心に貫通孔16の両側に格子構造体17が配置された燃料装置40について、固体燃料11の消費速度が計測できるかを検証した。
固体燃料11の燃焼中に一方の格子構造体17の電圧を電圧計41で計測し、他方の格子構造体17が設けられた領域の固体燃料11の厚みを、超音波厚さ計42を用いて計測した。電圧計41及び超音波厚さ計42をデータロガー43経由でコンピュータ44に接続し、一方の格子構造体17の電圧値と超音波厚さ計42の計測値とを比較して、固体燃料11の消費速度の測定が目標とする精度を確保できるかを確認した。
In the second experiment, as shown in FIG. 6, the consumption rate of the solid fuel 11 was measured for the fuel device 40 in which the lattice structures 17 were arranged on both sides of the through-hole 16 centering on the through-hole 16 of the solid fuel 11. verified that it is possible.
While the solid fuel 11 is burning, the voltage of one grid structure 17 is measured with a voltmeter 41, and the thickness of the solid fuel 11 in the region where the other grid structure 17 is provided is measured using an ultrasonic thickness gauge 42. measured. A voltmeter 41 and an ultrasonic thickness gauge 42 are connected to a computer 44 via a data logger 43, and the voltage value of one lattice structure 17 is compared with the measurement value of the ultrasonic thickness gauge 42 to determine whether the solid fuel 11 It was confirmed whether the measurement of the consumption rate of

第3の実験では、図7に示すように、固体燃料11の軸心方向の異なる位置に、格子構造体群が設けられた燃料装置50について、固体燃料11を燃焼させた状態で、固体燃料11の軸心方向全体に渡って格子構造体17の電圧を電圧計41で計測して固体燃料11の消費速度のリアルタイム測定を行った。本実験では、各格子構造体17に対応した電圧計41に加え、インジェクタ31経由で貫通孔16にガス状の酸化剤を供給する導入管52に装着した流量計53と、導入管52内の温度を計測する温度計54と、インジェクタ31のガス吹出し側の圧力を計測する圧力計55とを設けた。各電圧計41、流量計53、温度計54及び圧力計55それぞれの計測値は、データロガー43経由でコンピュータ44に収集できるようにした。 In the third experiment, as shown in FIG. 7, in a fuel device 50 having lattice structure groups provided at different positions in the axial direction of the solid fuel 11, the solid fuel 11 was combusted. The consumption rate of the solid fuel 11 was measured in real time by measuring the voltage of the grid structure 17 with the voltmeter 41 over the entire axial direction of the solid fuel 11 . In this experiment, in addition to the voltmeter 41 corresponding to each lattice structure 17, a flow meter 53 attached to an introduction pipe 52 for supplying a gaseous oxidant to the through-hole 16 via an injector 31, A thermometer 54 for measuring temperature and a pressure gauge 55 for measuring pressure on the gas blowing side of the injector 31 are provided. The measured values of each voltmeter 41 , flow meter 53 , thermometer 54 and pressure gauge 55 were collected by computer 44 via data logger 43 .

そして、固体燃料11の燃焼処理後に、レーザー距離計を用いた水位計測による形状測定手法によって固体燃料11の形状を測定して、燃焼処理後の固体燃料11の厚み(内壁から外壁までの距離)を導出し、固体燃料11の消費速度のリアルタイム測定を基に固体燃料11の厚みが正確に測定できているかを確認した。 Then, after the combustion treatment of the solid fuel 11, the shape of the solid fuel 11 is measured by a shape measurement method based on water level measurement using a laser rangefinder, and the thickness of the solid fuel 11 after combustion treatment (distance from the inner wall to the outer wall) was derived, and based on the real-time measurement of the consumption rate of the solid fuel 11, it was confirmed whether the thickness of the solid fuel 11 was accurately measured.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、電極ネットワークは、固体燃料の燃焼に伴って縮小すればよく、格子構造体を有さなくてもよい。
また、計測手段が計測する電極ネットワークの物理量は、電気抵抗値に限定されず、例えば、電圧値であってもよい。
更に、格子構造体の棒状部を形成する導電性樹脂は、グラフン、グラファイト、炭素繊維、金属粉末又は金属繊維を含まなくても良く、固体燃料は、熱可塑性エラストマ、酸化剤粒子又は金属粒子を含まなくても良い。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and all modifications of conditions that do not deviate from the gist of the present invention are within the scope of the present invention.
For example, the electrode network may shrink as the solid fuel burns and may not have a grid structure.
Moreover, the physical quantity of the electrode network measured by the measuring means is not limited to the electrical resistance value, and may be, for example, the voltage value.
Furthermore, the conductive resin forming the rod-shaped portions of the grid structure may not contain graphene , graphite, carbon fiber, metal powder or metal fiber, and the solid fuel may be thermoplastic elastomer, oxidant particles or metal It does not have to contain particles.

本発明によって、ロケットの機体に搭載可能な簡便な燃料流量計測システムを実現できる。本手法は単純円筒の固体燃料だけでなく、ラダー抵抗構造の形状を工夫することで、CAMUI型ハイブリッドロケット、端面燃焼型ハイブリッドロケット等、複雑な固体燃料形状のハイブリッドロケットに適用することも可能である。この計測システムをハイブリッドロケットの推力、酸燃比制御技術や再着火技術と組み合わせることで、高い安全性を持ち、高度な制御が可能なハイブリッドロケットエンジンシステムが実現する。これによってロケット打ち上げや超小型衛星等、宇宙開発の様々な場面で保安に関するリスクを大きく緩和し、時間、人、技術及び機体コストを劇的に削減することが可能となり、宇宙開発の発展や基盤技術の維持コスト低減に貢献できる。
より具体的には、高効率のまま推力を自動制御でき、爆発性も低い垂直離着陸ハイブリッドロケットの研究開発が可能となる。また、高度な制御が可能な相乗り超小型衛星用のハイブリッドロケットスラスタへと応用することも可能である。コースティング時の固体燃料形状を把握できるようになるため、軌道面の変更など、複数回の消炎再着火を要求するミッションなどでは、推進系の質量特性を把握することに繋がるため、特に有用であると考えられる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a simple fuel flow measurement system that can be mounted on a rocket body can be realized. This method can be applied not only to simple cylindrical solid fuel, but also to hybrid rockets with complex solid fuel shapes, such as CAMUI hybrid rockets and end-burning hybrid rockets, by devising the shape of the rudder resistance structure. be. Combining this measurement system with hybrid rocket thrust, acid-fuel ratio control technology, and reignition technology will realize a hybrid rocket engine system that is highly safe and capable of advanced control. This will greatly reduce security risks in various aspects of space development, such as rocket launches and microsatellites, and dramatically reduce the time, manpower, technology, and aircraft costs. It can contribute to the reduction of technology maintenance costs.
More specifically, it will be possible to research and develop a vertical take-off and landing hybrid rocket that can automatically control thrust while maintaining high efficiency and has low explosiveness. It can also be applied to hybrid rocket thrusters for piggyback micro-satellites that are capable of advanced control. Since it becomes possible to grasp the shape of the solid fuel during coasting, it is particularly useful for missions that require multiple flame-extinguishing and re-ignition, such as changing the orbital surface, as it will lead to grasping the mass characteristics of the propulsion system. It is believed that there is.

10:燃料装置、11:固体燃料、12:酸化剤、13:電極ネットワーク、14:計測手段、15:消費速度算出手段、16:貫通孔、17:格子構造体、18:直流電源、19:棒状部、30:ハイブリッドロケットエンジン、31:インジェクタ、32:エンジンケース、33:酸化剤供給手段、34:ノズル、40:燃料装置、41:電圧計、42:超音波厚さ計、43:データロガー、44:コンピュータ、50:燃料装置、52:導入管、53:流量計、54:温度計、55:圧力計 10: Fuel device, 11: Solid fuel, 12: Oxidant, 13: Electrode network, 14: Measuring means, 15: Consumption rate calculating means, 16: Through hole, 17: Grid structure, 18: DC power supply, 19: Rod-shaped part 30: Hybrid rocket engine 31: Injector 32: Engine case 33: Oxidant supply means 34: Nozzle 40: Fuel device 41: Voltmeter 42: Ultrasonic thickness gauge 43: Data Logger, 44: Computer, 50: Fuel device, 52: Introduction pipe, 53: Flow meter, 54: Thermometer, 55: Pressure gauge

Claims (9)

固体燃料を有し、該固体燃料が、流体の酸化剤を与えられて燃焼し、発熱反応を生じさせる燃料装置において、
前記固体燃料は非導電性であり、
導電性材料によって形成され、前記固体燃料の燃焼に伴って縮小する電極ネットワークと、
前記電極ネットワークの物理量を計測する計測手段と、
前記計測手段の計測値の変化を基に前記固体燃料の消費速度を導出する消費速度算出手段とを備え
前記電極ネットワークは、それぞれ導電性樹脂によって形成された複数の棒状部を具備する格子構造体を有し、該格子構造体は、前記固体燃料の燃焼に伴って前記棒状部の数が減少し、電気的な物理量が変化することを特徴とする燃料装置。
In a fuel system having a solid fuel that is combusted by a fluid oxidant to produce an exothermic reaction,
the solid fuel is non-conductive,
an electrode network formed of an electrically conductive material and shrinking as the solid fuel burns;
a measuring means for measuring a physical quantity of the electrode network;
Consumption speed calculation means for deriving the consumption speed of the solid fuel based on changes in the measured values of the measurement means ,
The electrode network has a lattice structure having a plurality of rod-shaped portions each formed of a conductive resin, and the number of the rod-shaped portions of the lattice structure decreases as the solid fuel burns, A fuel device characterized by a change in electrical physical quantity .
請求項記載の燃料装置において、前記導電性樹脂は、グラフン、グラファイト、炭素繊維、金属粉末及び金属繊維のうち少なくとも1つを含むことを特徴とする燃料装置。 2. A fuel system according to claim 1 , wherein said conductive resin comprises at least one of graphene , graphite, carbon fiber, metal powder and metal fiber. 請求項1又は2に記載の燃料装置において、前記固体燃料は、熱可塑性エラストマ、酸化剤粒子及び金属粒子のうち少なくとも1つを含むことを特徴とする燃料装置。 3. A fuel system according to claim 1 or 2 , wherein the solid fuel comprises at least one of thermoplastic elastomer, oxidant particles and metal particles. インジェクタが設けられたエンジンケースと、前記インジェクタ経由で前記エンジンケース内に流体の酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを有するハイブリッドロケットエンジンにおいて、
前記エンジンケース内に設けられた、非導電性の固体燃料と、
導電性材料によって形成され、前記固体燃料の燃焼に伴って縮小する電極ネットワークと、
前記電極ネットワークの物理量を計測する計測手段と、
前記計測手段の計測値の変化を基に前記固体燃料の消費速度を導出する消費速度算出手段とを備え
前記電極ネットワークは、それぞれ導電性樹脂によって形成された複数の棒状部を具備する格子構造体を有し、該格子構造体は、前記固体燃料の燃焼に伴って前記棒状部の数が減少し、電気的な物理量が変化することを特徴とするハイブリッドロケットエンジン。
In a hybrid rocket engine having an engine case provided with an injector and an oxidant supplying means for supplying an oxidant of a fluid into the engine case via the injector,
a non-conductive solid fuel provided within the engine case;
an electrode network formed of an electrically conductive material and shrinking as the solid fuel burns;
a measuring means for measuring a physical quantity of the electrode network;
Consumption speed calculation means for deriving the consumption speed of the solid fuel based on changes in the measured values of the measurement means ,
The electrode network has a lattice structure having a plurality of rod-shaped portions each formed of a conductive resin, and the number of the rod-shaped portions of the lattice structure decreases as the solid fuel burns, A hybrid rocket engine characterized by changes in electrical physical quantities .
請求項記載のハイブリッドロケットエンジンにおいて、前記導電性樹脂は、グラフン、グラファイト、炭素繊維、金属粉末及び金属繊維のうち少なくとも1つを含むことを特徴とするハイブリッドロケットエンジン。 5. A hybrid rocket engine according to claim 4 , wherein said conductive resin includes at least one of graphene , graphite, carbon fiber, metal powder and metal fiber. 請求項4又は5に記載のハイブリッドロケットエンジンにおいて、前記固体燃料は、熱可塑性エラストマ、酸化剤粒子及び金属粒子のうち少なくとも1つを含むことを特徴とするハイブリッドロケットエンジン。 6. A hybrid rocket engine according to claim 4 or 5 , wherein said solid fuel comprises at least one of thermoplastic elastomer, oxidant particles and metal particles. 3次元プリンタを用いて、絶縁性複合フィラメント材料及び導電性フィラメント材料を基に、固体燃料及び該固体燃料の燃焼に伴って縮小する電極ネットワークの領域をそれぞれ形成する工程を経て、前記固体燃料が、流体の酸化剤を与えられて燃焼し、前記電極ネットワークが前記固体燃料の燃焼に伴って縮小し、しかも、前記電極ネットワークが、それぞれ導電性樹脂によって形成された複数の棒状部を具備する格子構造体を有し、該格子構造体が、前記固体燃料の燃焼に伴って前記棒状部の数が減少し、電気的な物理量が変化する燃料装置を得ることを特徴とする燃料装置の製造方法。 Using a three-dimensional printer, based on the insulating composite filament material and the conductive filament material, through the step of forming a solid fuel and an electrode network region that shrinks as the solid fuel burns, the solid fuel is a grid that is given a fluid oxidant and burns, the electrode network shrinks as the solid fuel burns, and the electrode network comprises a plurality of rod-shaped portions each formed of a conductive resin; A method of manufacturing a fuel device, comprising: obtaining a fuel device having a structure, wherein the number of rod-shaped portions of the lattice structure decreases as the solid fuel burns, and the electrical physical quantity changes. . 請求項記載の燃料装置の製造方法において、前記電極ネットワークの一部又は全体が、グラフン、グラファイト、炭素繊維、金属粉末及び金属繊維のうち少なくとも1つを含む導電性樹脂によって形成されることを特徴とする燃料装置の製造方法。 8. The method of manufacturing a fuel device according to claim 7 , wherein part or all of said electrode network is made of a conductive resin containing at least one of graphene , graphite, carbon fiber, metal powder and metal fiber. A method of manufacturing a fuel device, characterized by: 請求項又はに記載の燃料装置の製造方法において、前記固体燃料は、熱可塑性エラストマ、酸化剤粒子及び金属粒子のうち少なくとも1つを含むことを特徴とする燃料装置の製造方法。 9. A method of manufacturing a fuel system according to claim 7 or 8 , wherein said solid fuel includes at least one of thermoplastic elastomer, oxidant particles and metal particles.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3937070A (en) 1974-04-29 1976-02-10 Aerojet-General Corporation Method and sensors for predetermining dynamic moduli in situ of castable-type material
JP2004225678A (en) 2003-01-20 2004-08-12 Katsuya Hasegawa Burnt-out wire type burning velocity measuring method
JP2006112293A (en) 2004-10-14 2006-04-27 Kanazawa Univ Solid fuel combustion method, solid fuel combustor, and solid fuel engine using the same
JP2012087716A (en) 2010-10-21 2012-05-10 Ihi Aerospace Co Ltd Solid fuel and hybrid rocket engine using the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3937070A (en) 1974-04-29 1976-02-10 Aerojet-General Corporation Method and sensors for predetermining dynamic moduli in situ of castable-type material
JP2004225678A (en) 2003-01-20 2004-08-12 Katsuya Hasegawa Burnt-out wire type burning velocity measuring method
JP2006112293A (en) 2004-10-14 2006-04-27 Kanazawa Univ Solid fuel combustion method, solid fuel combustor, and solid fuel engine using the same
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