ユニット型の2重反転プロペラによる推進機です。
この六角形の２重反転プロペラ推進機を飛行する機械に取り付けます。
推進機としての構造は頑丈であり、これの自由な組み合わせの推進機システムを考えることが出来ます。
この２重反転プロペラ推進機は既に流体解析シミュレーションにより詳しい性能を把握しており、推力値は充分なものとなります。
＜今日の流れ＞
今日は自宅でのターボポンプ設計の続きです。
ロケットエンジン燃料噴射部に応用する旋回流発生ノズル設計技術となる以前に製作したノズルの写真です。
燃料噴射部において適切な噴射燃料の旋回流れを誘導出来れば、燃焼器壁面を高温から保護する低温層が出来るのではないかと考えていますので、それを設計して熱流体解析にて確認してみるつもりです。
＜今日の流れ＞
今日の午前中はタービン駆動ターボポンプの構想設計図を手描きで詳しく作成してみます。
ロケット全体を設計する構想図を次のように描いてみました。
混合比で液体酸素とケロシンが逆になっていることに今気付きました。直しておきます。
1段目ロケットの直径は１ｍ以下になると思われ、これも訂正です。
その他にも不備があるかと思いますが、この構想に沿ってまずターボポンプから基本設計を開始します。
この「ロケット一式設計してみるぞ！」構想により、まずタービン駆動ターボポンプの流体設計と構造設計が確立し、次に燃焼室ノズルの流体設計と熱構造設計が確立することでクリープ熱疲労破壊などを求めます。
次はロケットエンジンスラストフレームのトラス構造解析となり、そして更にジンバル機構の強度とモーション解析に進みます。
ロケット構造解析では同時にタンクの構造設計と解析を進め、それらをロケットエンジンの上に載せる静荷重解析からロケット全体構造解析が開始され、固有振動数解析、座屈解析、疲労破壊解析、安全率、変位などが求まります。
ロケット全体形状が決まれば、MOMO2号機で行ったようなロケット飛行時流れ解析を色々なマッハ数状態で行い、飛行経路中の力などの挙動を掴みます。
飛行中の振動数を使ってのタンク内液体のスロッシング解析を自由表面流れ解析で行います。
飛行時に加わる圧力分布や熱分布が出れば、それを使ってロケット飛行時の機体表面荷重による構造解析と熱流束による機体内部温度分布解析を進め、電子機器安全性やロケット各部構造の安全率や重要部変形量を求めます。
以上の手順を全て行えば、一応のロケット機体部運転時シミュレーションスキルは確立するでしょう。
＜今日の流れ＞
今日は会社に出る予定でしたが、自宅での研究になりそうです。
液体ロケット用ターボポンプのポンプを駆動する軸流タービン動翼について考えてみました。
次写真は軸流タービンの構造について考える場合の弊社事例となる、蒸気タービン用直径４８０ｍｍの割と大きめの反動型軸流タービン動翼の設計・製作・組立時の写真です。
液体ロケット用ターボポンプの軸流タービンはもっと直径が小さくて、衝動型軸流タービンとなりますので、今回のこれは軸流タービンのシュラウドとその構造について考える場合の事例です。
この軸流タービンは素材がステンレスで出来ており、軸流タービンでも低圧型となる反動式翼型を持っています。
反動式軸流タービンは全ての動翼部に均一に充満した気体が流れ込むため、動翼羽根の外周部から気体が出口にすり抜けないように羽根外周部にシュラウドと呼ばれる覆いが付いています。
動翼一枚一枚は分離構造であり、正確に５軸加工された多数の動翼ブレードピースをボルトで主板に組付ける複雑な構造となっています。
ひとつひとつの動翼ブレードピースが次の写真ですが、動翼全体を外周で覆うシュラウドは動翼ブレードピースと一緒に削り出されていて、これが外周部の気体の出口への漏洩を防ぎ軸流タービン効率を高いものとします。
動翼ピースのブレード翼型は反動式であることと低圧側での使用となるので減圧比が大きくなく、翼型はボスからシュラウド全体で転向角の少ない損失が少なく効率の高い形状となっています。
ひとつひとつが５軸加工削り出しで正確な寸法に作られた動翼ブレードピースは、主板への組み合わせ時にほとんど修正も無くきっちりとボルトで組み立てられます。
今後設計する液体ロケットエンジン用ポンプ駆動軸流タービンは、反動式ではなく衝動式を選ぶことで定格回転数をなるべく低くしての出来る限りの高効率を狙いますが、作り方も一体削り出しブリスク方式や精密鋳造仕上げ方式、この事例のような分離型動翼ピース組立方式など色々な方式を選べ性能に一長一短があり、製作方式により製作金額も大きく変わることとなるので、性能を満たししかも金額も安い製作方式を設計時に選定する必要があります。
＜今日の流れ＞
今日は自宅で早朝からMOMO２号機の打ち上げを待っていましたが、明日以降に延期となったので、益々成功してほしい気持ちが強くなっています。
タービン駆動２軸式ターボポンプを用いたロケットエンジンのポンプ廻り設計と性能流体解析シミュレーションモデルが次です。
ケロシンターボポンプからのケロシン吐出配管、再生冷却ノズルスカート、燃焼室とケロシンの流れるシミュレーション用の流体部は出来ています。
液体酸素ターボポンプからの液体酸素の吐出配管、燃焼室頂点の液体酸素ノズルブロックの流体部は出来ています。
この液体ロケットエンジン設計では、ケロシンターボポンプと液体酸素ターボポンプは回転数が異なり、それぞれに主軸を持つ２軸式のタービン駆動ターボポンプとなっています。
ターボポンプを駆動するタービンは、ポンプ主軸の必要軸動力が流体解析シミュレーションで正確に求められることから、それに合わせた駆動力を持つタービンはこれからの設計となります。
次は、流体設計が出来上がった液体酸素ポンプの流体部形状です。
次図の右側がケロシンターボポンプ、左側が液体酸素ターボポンプとなります。
液体酸素ターボポンプの羽根回転方向が逆なのに今気付きましたので、これから修正となります。
＜今日の流れ＞
今日はプレミアムフライデイで連休の前日なので、ソフトのメンテナンスや残り作業の実施などで過ごしています。
明日はＩＳＴ様MOMO2号機の打ち上げなので、MOMO2号機が宇宙に到達することを願っております。
MOMO2号機の飛行時流体解析シミュレーションの結果画像で、迎え角は８度です。
次の先頭画像は、ＭａｘＱで迎え角８度でのマッハ数分布を示しています。
次の先頭画像は、ＭａｘＱで迎え角８度での圧力分布を示しています。
MOMO2号機の飛行時流れ解析シミュレーションの結果画像で、迎え角は４度です。
次の先頭画像は、ＭａｘＱでの迎え角４度にてマッハ数分布を示す解析結果図です。
次の先頭画像は、ＭａｘＱにて迎え角４度での圧力分布を示す解析結果画像です。
MOMO2号機の飛行時流れ解析シミュレーション結果で、迎え角は１度です。
先頭画像はＭａｘＱでの迎え角１度のマッハ数分布です。
先頭画像はＭａｘＱでの迎え角１度での圧力分布画像です。
MOMO2号機飛行時流れ解析シミュレーションの結果画像で迎え角は０度です。
次は先頭の画像がＭａｘＱでのマッハ数分布です。
次図は、先頭の画像がＭａｘＱでの圧力分布画像です。
ロケットエンジン用ケロシンターボポンプの羽根形状を造り易く設計変更を行いました。
造り易いことは安価にもなります。
次図は、設計変更ケロシンターボポンプ羽根を適応したケロシンターボポンプ＋配管＋再生冷却ノズルスカート＋燃焼室を一体で熱流体解析シミュレーションを行う解析モデルです。
設計変更をしたケロシンターボポンプの羽根は、インデューサー羽根と遠心ポンプ羽根が分離しており、インデューサー羽根は素材からの５軸加工削り出しで造り、遠心ポンプインペラ部は精密鋳造後に流体面の粗さをブラストなどで滑らかとする仕上げを行い、その後機械加工します。
そのような製作方法を使うことで羽根製作金額はかなり抑えられることとなります。
形状を変更した分離型のインデューサーはその流体設計効果として、高速回転でのケロシンターボポンプ入口でのキャビテーション発生をより抑制します。
＜今日の流れ＞
午前中は来客での打合せです。
午後はターボポンプ設計に勤しみます。
