2021年7月2日

サターンVロケットのF-1エンジンの暗い炎の謎

サターンVロケットのF-1エンジンの映像で、ノズルの出口直後の炎のが暗いのはなぜか。 ガスジェネレータ(GG)の排気のせいであるのはわかったのですが、詳しいところは自信がなかったので、ロケット燃焼に詳しい方々に教えていただきました。
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↑問題の現象はこの動画の2分くらいから。

FUJISAWA Kenta @fujisawakenta

@H_Hirayama ところで、ついでのようで恐縮ですが、機会があれば専門家のご意見をお聞きしたいと思っていたことがありまして。アポロ宇宙船/サターンVロケットの打ち上げシーンをyoutubeで見ていて思ったのですが・・・(続)

2021-06-22 12:42:28
FUJISAWA Kenta @fujisawakenta

@H_Hirayama エンジンの噴出物が最初は暗くて低温のように見え、ノズル下、数mのところで明るくなっているようなのですが、これはどういう現象なのでしょうか。噴出した時点では燃料が全部燃えていないということなのでしょうか?それだと燃焼効率が悪いような気がするのですが。

2021-06-22 12:42:47
平山🛰 @H_Hirayama

@fujisawakenta 私も疑問に思っていた現象でした。 ロケット系の先生にRTしてもよろしいでしょうか。

2021-06-22 12:47:47
FUJISAWA Kenta @fujisawakenta

@H_Hirayama 返事が遅くなってすみません。ぜひよろしくお願いいたします。

2021-06-22 19:27:31

その後、RTするのを忘れておりまして、とりあえず自分の推測を書きました。

平山🛰 @H_Hirayama

@fujisawakenta 確かなソースは確認できなかったのですが、このエンジンはガスジェネレータの排気をノズルスカートの途中、外側に巨大なマニホールドで囲まれているところから、ノズル内側に捨てています。この排気もそれなりの温度はありますが、主燃焼ガスより冷たいので、ノズルの内壁を熱から守る効果があります。

2021-07-01 21:23:21
平山🛰 @H_Hirayama

@fujisawakenta ガスジェネレータでの燃焼は、燃料と酸素の比が、わざと最適でなく、このエンジンの場合どちらが多い設計か見つけられませんでしたが排気ではどちらかが燃え残っています。これがノズル外縁部に噴射され、低温で暗く見えていたのが、あるところで燃焼して明るくなるのではないかと思います。

2021-07-01 21:28:57

実は冒頭の動画の音声(字幕可)でも、ノズル内に冷却を兼ねて捨てている「低温ガス」のためとの説明が入っていました。

しかし、GGからの排気が、燃料リッチか酸素リッチか?
暗いのは低温だからでよいのか?
が自信なかったので、詳しい人に見解を伺いました。

平山🛰 @H_Hirayama

サターンVのF-1エンジンの燃焼炎が、ノズル直後は暗く見える理由について、ロケット燃焼に詳しいかた、教えていただけないでしょうか。 twitter.com/fujisawakenta/… pic.twitter.com/5SKkOLz6zV

2021-07-01 21:33:57
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Ryojiro Minato @ATRocket

@H_Hirayama 見た感じ、ノズル壁の温度の低いところはケロシン燃料によるフィルム冷却をやっているように見えます。 ここは是非、@thgrace さんに解説をお願いしたいところです。 youtube.com/watch?v=FzCsDV…

2021-07-01 22:04:39
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thgrace @thgrace

@ATRocket @H_Hirayama あーそう言う経緯でしたか. ポンプを駆動した後の比較的冷えてるガスを、ノズルの中途にあるマニホルドからノズル内の壁沿いに噴き出してるんです.なのであんまり光ってないから黒く見えるようですね.LE-9も同じシステム、搭載してます. pic.twitter.com/1bxsF8EHpy

2021-07-01 22:44:48
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thgrace @thgrace

@ATRocket @H_Hirayama (あのオレンジ色の輝炎、ローソクのアレとおんなじって言うと納得してもらえるかしら…)

2021-07-01 22:56:06
Ryojiro Minato @ATRocket

@thgrace @H_Hirayama 解説、ありがとうございました。 m(_ _)m タービン駆動後のGG燃焼ガス使って冷却してたんですね。 φ(。_。*)メモメモ

2021-07-01 23:04:26
僧侶(ニチャァ) 46-17 @souryo910

@H_Hirayama @nishikazu_nkc nico.ms/sm37405562 こちらの動画で非常に分かりやすく解説されています。 かいつまんで説明すると、あの黒い炎はターボポンプ「エンジンに燃料を供給するためのエンジン」の排気です。エンジン排気よりも低温なので、エンジンベルに沿わせるように噴射することで冷却にも一役買っています。

2021-07-01 22:15:36
僧侶(ニチャァ) 46-17 @souryo910

@H_Hirayama @nishikazu_nkc ターボポンプは燃焼でタービンを回す仕組みなので高温すぎると溶けてしまいますし、消費燃料もエンジン自体と比べたら少ないので燃焼効率はそこまで重要でなく、わざと酸化剤を減らして不完全燃焼させているそうです。

2021-07-01 22:25:37
LH2 @LH2NHI

@souryo910 @H_Hirayama @nishikazu_nkc ご紹介ありがとうございます。 @souryo910 動画で触れております通り、煤の多いタービン排気をノズルのフィルム冷却に使用しているため、ノズルを出た後もフィルム冷却の煤で炎の光が遮られている現象と考えられます。 @H_Hirayama 参考:F-1エンジン ntrs.nasa.gov/api/citations/… pic.twitter.com/Or3sLFev3r

2021-07-01 22:42:55
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ロケット燃焼に詳しい方々から、低温のうえ、石油系燃料リッチの不完全燃焼で、煤が混じっているため、光を遮っているとの解説をいただきました。

FUJISAWA Kenta @fujisawakenta

@H_Hirayama なるほど!そういうちゃんとした理由があったのですね。すっきり解決でき、ありがとうございます。やはり専門家の意見は貴重です。またロケットエンジンの映像をじっくり見てみます。あと、誕生日おめでとうございます。平山先生のツイッター・ホームを見に行ったら風船が飛んでいました。

2021-07-01 23:57:10

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