Creation of innovative energetic materials and precise control of ignition and burning based on ultra high speed reaction theory

基于超高速反应理论创新含能材料创制及点火燃烧精准控制

基本信息

批准号：
20H00287
负责人：
三宅淳巳
金额：
$ 28.62万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は，申請者らのグループが実施してきた凝縮相エネルギー物質の爆発燃焼現象に関する研究を深化・推進し，実験による測定値を用いることなく純理論的に高速反応現象を再現し得る詳細反応モデリング技術の構築により高速反応の学理を構築し，世界初となるイオン液体系エネルギー物質(EILs)の創製に挑戦するものである。示差走査熱量測定によりアンモニウムジニトラミド(ADN)/ヒドロキシエチルヒドラジニウム硝酸塩(HEHN)系の液体保持温度(ガラス転移温度)が約-70 ℃であることがわかった。これはこれまで知られていたADN系EILsの融点・ガラス転移温度と比較して極めて低い温度であり，極低温の宇宙環境での利用を想定したときに優れた特性である。分解熱特性については，ADN/HEHNは既存のEILsと比較して顕著な熱安定性の低下は見られず，分解発熱量も高いことから極めて高い燃焼性能が期待できた。電圧印加による着火についても，既存のEILsよりも短い着火遅れ時間で着火に至ることがわかり，より低い投入エネルギーと短い応答性で着火可能であることが示された。電圧印加時のADN/HEHN 系EILsの着火挙動を詳細計測するために火炎温度，電流電圧に高速度撮影を同期させる実験計測系を構築した。特に，極細熱電対と温度補償の組み合わせによる高精度火炎温度測定を達成し，当該測定系を用いて水分量，雰囲気圧力等の各種環境条件がEILsの着火挙動に与える影響を評価した。また，最適な電極材の提案に向け，白金，ステンレス鋼，ニッケル合金を電極材として用いた検討を行い，着火時間，電流挙動，消費電力への影響を把握した。最後に3Dプリンターを用いて試作した宇宙機用スラスター燃焼器内でのEILsの燃焼実験も行い，電圧印加によりEIL推進剤を着火・燃焼させ，実際に推力が得られることを確認することができた。

The purpose of this research is to deepen and promote the research into the explosive combustion phenomenon of condensed phase energy materials that the applicants have conducted, and to build the theory of fast reactions by constructing detailed reaction modeling techniques that can reproduce fast reaction phenomena in pure theoretical without using experimental measurements, and to challenge the creation of the world's first ionic liquid energy materials (EILs).降低扫描量热法表明，二硝酰胺（ADN）/羟基乙基氢氮酰胺（Hehn）系统的液体保持温度（玻璃过渡温度）大约为-70°C。与以前已知的熔点和基于ADN的EIL的玻璃过渡温度相比，这是一个非常低的温度，并且在极度低温的空间环境中使用时是一个极好的特征。关于热分解属性，与现有EIL相比，ADN/HEHH没有显示热稳定性的显着降低，并且分解热量值也很高，因此我们可以期望极高的燃烧性能。发现由电压应用引起的点火率比现有EIL较短，这表明可以使用较低的输入能量和较短的响应来点火。为了测量应用电压时ADN/HEHH EIL的点火行为，构建了一个实验测量系统，以将高速成像与火焰温度和电流电压同步。特别是，通过结合超细热电偶和温度补偿来实现高精度的火焰温度测量，并使用测量系统来评估各种环境条件的影响，例如水分含量和环境压力对EIL的点火行为。此外，为了提出最佳电极材料，我们使用铂，不锈钢和镍合金作为电极材料进行了研究，并了解对点火时间，当前行为和功耗的影响。最后，我们还在使用3D打印机生产的航天器推进器中进行了EIL的燃烧实验，并能够确认通过施加电压点燃EIL推进剂并燃烧EIL推进剂，从而导致实际推力。