液化ガスをグリーンプロペラント(環境に優しい推進剤)として利用する宇宙用二液式ロケット推進機(液体推進ロケットの一種)を実現し,高性能で環境適合性に優れるマイクロスラスタ(小型ロケットエンジン)の実現を目的としています.現在は,亜酸化窒素(N2O)酸化剤とジメチルエーテル(DME)を推進剤として利用しています.
酸化剤と燃料を別々に保存する「二液式推進機」は,比推力(燃費に相当する指標)が一液式(推進剤の分解反応によりエネルギーを生成する方式)や固体ロケット推進機に比べ優れるという長所があります.また,固体推進機とは異なり,スロットリング(推力の調整)を推進剤流量の調整だけで可能となります.
その一方で,構造が複雑であり,従来のヒドラジンMMH(モノメチルヒドラジン),四酸化二窒素などは毒性を有するため,地上試験においては排ガスを適切に処理する必要があります.また,燃焼促進のために推進剤を微粒化する必要があります.
そこで,毒性がなく安全なグリーンプロペラントとして,亜酸化窒素(N2O)酸化剤とジメチルエーテル (Dimethyl ether,DME)燃料を用いた新しい宇宙用小型ロケット推進機の研究を行っています.N2Oは,笑気ガスともよばれ医療用やケーキのクリームをなめらかにするためにも使われていることから毒性は全くありません.DMEは,次世代の自動車用燃料として期待されており,スプレー缶の噴射剤として利用されていることからも分かるように毒性は全くありません.
N2O, DMEは共に液化ガスであり,N2Oは50気圧,DMEは6気圧で液体として貯蔵することができます.そのため,推進剤タンクの圧力を調整することにより液体として貯蔵が可能です.逆に,温度調整により簡単に気化するため,燃焼室には,気体として供給できることから微粒化する必要がなくなります.比推力は,従来のMMH/UDMH推進系において320秒であるのに対し,287秒と低下しますが,無毒であり,推進機の構造が簡単になるという長所があります.
提案する推進機
この動画は2014年度に試作した0.3N級のN2O/DME推進機で,約300秒間の連続運転を行ったときの動画です.今回は,真空容器を排気せず,大気中で行っています.(安全のため,はブロアーにより排気しています.)
スパークプラグ(側方手前側に配置)により点火した後は,プルーム(ロケットエンジンのノズルからから出てくるジェットのこと)が安定しており,安定した燃焼が得られていることが分かります.なお,5分間の間火炎は途中で吹き消えることはありませんでした.また,3分頃からスラスタのノズルが赤熱している様子が分かります.以上のように,提案したN2O/DME推進機は,大気圧雰囲気下でも作動することを実証するに至っています.