エタノール/液体酸素ロケットエンジン燃焼室における平面ピントル型噴射器の噴霧燃焼構造の光学計測

摘要

高い推力制御能力を持つロケットエンジンは，幅広い推力制御能力を要求される月•惑星着陸船や軌道間輸送機，サブオービタルプレーンなど様々な輸送システムの推進系として必要不可欠である.一般的に，液体ロケットエンジンは，推進剤流量を正確に制御することが可能であることから，推力制御性に優れていると考えられている.しかし，広範な推力範囲において高い性能を発揮するためには，ターボポンプを含む推進剤供給系と並び，燃焼室における推進剤噴射器の適切な設計が必要不可欠であり，高い推力制御能力を実現するために，様々な推進剤噴射方式が提案されてきた.一般的な同軸型噴射器や衝突型噴射器は，低推力条件において推進剤噴射器における噴射差圧が小さくなることで，混合および微粒化性能が悪化し,燃焼効率や燃焼安定性の悪化を招くが，種々の推進剤噴射方式の中でも，Variable Area Injectorと呼ばれる機械的に推進剤噴射孔の面積を変化させる推進剤噴射方式は，噴射器における噴射差圧を保ったまま推進剤流量を制御することが可能であり，低推力条件においても高い混合および微粒化性能を保つと考えられている.%The pintle injector is one of the most promising candidate for propellant injection systems of liquid rocket engine combustors due to the throttling capability and simple structure. However, combustion characteristics of pintle injectors are still unclear. Therefore, combustion experiments are conducted for an ethanol/liquid oxygen rocket engine combustor with a planar pintle injector which simulates the injection configuration of a pintle injector and enables optical measurements at Pc = 0.40 MPa and O/F =1.08-1.56. Direct images of the flame structure and CH chemiluminesence are observed through an optical window using high speed imaging techniques. Backlit images of the spray structure are observed. Strong CH chemiluminescence is observed in the vicinity of the impinging point of the two propellants. Luminous flames are observed in the vicinity of the faceplate and the upper wall of the combustor. It is observed that atomization process of the planar pintle injector proceeds two-dimensionally unlike conventional impinging injectors. A periodic atomization behavior is observed with the frequency of approximately 700 Hz. being equal to the frequency of the Kelvin-Helmholtz instability.