動的酸化試験による再使用型宇宙往還機熱防御システム（TPS）の開発

通过动态氧化测试开发可重复使用航天器热保护系统（TPS）

基本信息

批准号：
20K04926
负责人：
桃沢愛
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Tokyo City University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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

宇宙往還機の大気圏再突入の際、機体は高温にさらされる。機体を保護するために、熱防御システム（TPS: Thermal Protection System）が使用されている。再使用型宇宙往還機によるコスト低減を図るには損耗の少ないTPSの開発が必要である。TPSの加熱試験には、大気圏再突入環境の模擬が可能なアーク加熱風洞が用いられる。我々の研究グループでは、コンストリクタ型アーク加熱風洞の開発を行っている。アーク加熱風洞構築については、昨年度に引き続きカソードの最適化を図っている。誘導加熱炉を用いて様々な実験条件でZrカソードの表面窒化を行い、作動試験を行った結果、窒化被膜の厚さや質がアーク放電に大きな影響を与えることが明らかになった。具体的には、最適な被膜厚さがあり、また、均質な被膜厚さを持たせることがアーク点火及び安定した作動に大きく影響することが分かった。その結果、アルゴン気流のプラズマトーチの長時間保持に成功した。一方で、今回の成果から、アーク放電の安定がアノードの損耗にも大きく影響することも明らかになった。一方、TPSの材料作製において、今年度より放電プラズマ焼結法（SPS）を用いてZrB2-SiC作製実験を開始した。過去においては装置の条件上、最高1800℃までの焼結が出来なかったが、より高密度な試料作製のためには、より高温での焼結が必要であることが明らかになった。また、新たな試みとして、より軽量なTiC-TiB2を用いた試料作製を行い、高密度な試料作製に成功した。

当航天器重新进入大气层时，它会暴露在高温下。热保护系统（TPS）用于保护飞机。为了通过可重复使用航天器来降低成本，有必要开发磨损更少的TPS。 TPS加热测试采用电弧加热风洞，可以模拟大气再入环境。我们的研究小组正在开发一种缩颈式电弧加热风洞。关于电弧加热风洞的建设，我们和去年一样继续优化阴极。使用感应加热炉在各种实验条件下对Zr阴极进行表面氮化和操作测试的结果表明，氮化膜的厚度和质量对电弧放电有很大影响。具体地，已经发现存在最佳的涂层厚度，并且均匀的涂层厚度极大地影响电弧点火和稳定操作。结果，我们成功地将等离子炬在氩气流中保持了很长时间。另一方面，本研究结果也揭示了电弧放电的稳定性对阳极磨损有很大影响。另一方面，在TPS材料的制造方面，今年我们已经开始尝试使用放电等离子烧结（SPS）来制造ZrB2-SiC。过去，由于设备条件的原因，不可能在高达 1800°C 的温度下进行烧结，但现在已经清楚，为了制造更高密度的样品，需要在更高的温度下进行烧结。此外，作为新的尝试，我们使用更轻的TiC-TiB2制作了样品，并成功制作了高密度样品。