ハイブリッドロケットとは
ハイブリッドロケットとは，相の異なる2種類の推進剤からなるロケットエンジンシステムであり，主に固体の燃料と液体の酸化剤を燃焼させて推力を得ます．燃料と酸化剤が自然に混ざり合うことがないため，爆発の危険性がなく安全なロケットです．
ハイブリッドロケットの長所としては、
- 「高安全性と低コスト」: 爆発の危険性が少ないため，取り扱いや管理が容易
- 「燃焼制御の高機能性」: 燃焼中断・再着火が容易なうえ，酸化剤の供給量を変えるだけで推力制御が可能
- 「簡易なシステム」: 液体は酸化剤のみであり，液体ロケットのように構造が複雑でない
などが挙げられます。
ハイブリッドロケットの短所としては，
- 「燃焼効率が低い」
- 「燃焼後退速度が小さい」
- 「燃料と酸化剤の混合比(O/F)の変化」
などが挙げられます。
A-SOFT(強化可変酸化剤流旋回型)ハイブリッドロケット
A-SOFTは上記のハイブリッドロケットの短所を解決するためのシステムであり，旋回流と軸流の2種類のインジェクタを持たせ，流量を独立に制御します。
酸化剤を旋回流で吹き付け，火炎面を固体燃料に近づけることで，燃料後退速度を増加させます．さらに，2種類の流量を独立に制御することで，燃料/酸化剤の混合比(O/F)と推力を同時に制御することが可能になります．
A-SOFTハイブリッドロケットの基礎研究
[液体酸素の熱伝達特性計測実験]
A-SOFTにおいて，高強度の旋回流を噴射するには，液体ではなく気体の酸化剤を使用する必要があります．そこで，液体の酸化剤をノズル壁面に流してノズルを冷却しながら，酸化剤を気化させるという，再生冷却式気化ノズルが考案されました．本研究室では，このノズルを設計するために，ロケットノズルの環境下における熱伝達特性を計測する研究を行っています．
[ハイブリッドロケットの推力制御システムの研究開発]
ハイブリッドロケットエンジン（HRE）は高い安全性を持ち、低コストである点、無毒の推進剤を用いている点や、その単純さからも、液体・固体燃料ロケットエンジンに比べて多くの長所があり、ロケット推進システムの未来だといわれている。これらの利点から多くの研究者や民間航空宇宙企業がペイロードランチャーや有人宇宙機のHREを開発しようとしている。
しかしながら、HREの燃焼特性は依然として予測と測定が難しいため、誰もHREが推進する軌道型ロケットの開発に成功した人はいない。燃焼中、燃料ポートが膨張し、酸化剤の燃料質量比（O/F非）が最適値からシフトする。さらに、燃料が固体状態であるため、燃料質量の測定は困難であり、燃焼中に直接O/F比を測定することも困難である。この影響はロケット効率の低下や、燃料の残留をもたらす。そのため、飛行中のロケットの燃焼過程を制御することが重要である。
我々の研究目標は実際の飛行HREが軌道飛行で許容できる効率でなるべく簡単になるようにスラスト制御システムを研究開発することである。この研究により、将来HREが軌道型ロケットといえるようになる。
[燃料後退速度に対する噴射された酸化剤の温度の影響]
A-SOFT技術を利用したハイブリッドロケットは、酸化剤を気化することでより燃料後退速度が上昇します。液体酸化剤を気化する方法の１つに、再生冷却ノズルを用いる方法があります。
再生冷却ノズルの設計には、気体酸化剤の温度の値が重要になります。液体酸化剤がホットノズルを通過するときに相変化を受けると、気体酸化剤の温度が通常の射出温度よりも高くなることがあります。これは、気化した酸化剤が冷却管を離れる前に、より多くの熱が伝達される場合に起こります。この噴射温度の上昇は、ハイブリッドロケットエンジンの燃料後退速度に影響を与えると予想されます。この現象は、熱可塑性プラスチックPMMAを燃料とするハイブリッドロケットエンジンの利点になります。
本研究では、噴射酸化剤温度が燃料後退速度に及ぼす影響を調べることを目的としています。一次調査として、PMMA/GOXハイブリッドロケットエンジンの開放燃焼実験を行いました。GOX注入温度を摂氏75度および120度に設定し、酸素質量流量を4g/sおよび8g/sの下で実施しました。この一次調査の結果から、燃料後退速度はGOX温度が上昇するにつれてわずかに増加することが観察されました。
次の実験ではロケットにロケットノズルを取り付け、実際のロケットのようにチャンバー圧力が高く燃焼するような環境で行なう予定です。そのために現在、設計を行なっています。