金崎 雅博 首都大学東京

千葉 一永 北海道工業大学

北川幸樹 宇宙航空研究開発機構

嶋田 徹 宇宙航空研究開発機構

遺伝的アルゴリズムによる多数回燃焼を行うハイブリッドロケットの性能評価

第6回進化計算学会研究会

○

背景1 ハイブリッドロケットエンジンの特色2

HREの利点・燃焼機構が比較的単純で低コスト・消炎・再着荷が可能⇒ 制御性・安全性・環境適合性が高い燃焼剤の研究

Hybrid Rocket Engine(HRE) ： 燃料と酸化剤を異なる相で持つロケットエンジン

Solid fuel + Liquid oxidizer :

3背景2 ハイブリッドロケットエンジンの特色

固体ロケット：予め燃料と酸化剤を混練

液体ロケット：燃料と酸化剤混合量を予め制御

HRE：燃焼開始後に燃料と酸化剤が混合

→ 予混合燃焼

安定的な燃焼をえるための複雑なパラメータ設計が必要→ 進化計算法などの適用による解決

液体酸化剤の供給調整による多数回燃焼

固体ロケット液体ロケット

背景3 多数回燃焼とは

燃焼を1回以上停止させること

惰性によりダウンレンジ（飛行距離）を稼ぐ

加速度を小さくする（ペイロード負荷低減）

ある高度での停留時間を伸ばす

などがメリット

4

Off

On On

5目次

背景

ハイブリッドロケットエンジン(HRE)の特色

多数回燃焼とは

研究目的

設計手法

進化計算法を用いたHRE設計法

問題設定

高度最大化と重量最小化問題(problem1)加速度最小化と重量最小化問題(problem2)ダウンレンジ最大化と重量最小化問題(problem3)特定高度滞留時間の最大化と重量最小化問題(problem4)

結果と考察

まとめ

研究目的

多数回燃焼が行う事ができるHREを用いた単段式打ち上げ機の設計探査複数の設計問題による特徴把握

遺伝的アルゴリズムによる非劣解集合の獲得

設計空間の可視化及び各種metricsによる設計問題としての性質検証

1度の消炎再着火が出来るHREと出来ないHREとの比較HREは1度の消炎再着火を行うものとし，1回目と2回目の燃焼時の酸化剤質量流量は同じものとする．

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設計手法1/2HREを用いた打ち上げ機性能評価法の概要

7

tGatr noxiport )(

設計手法2/2最適化及び可視化手法

Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II) 20個体200世代を実行

平行座標表示法

(Parallel coordinate plot : PCP)

8

打ち上げ機性能評価

問題設定1/4Problem1到達高度の最大化(Altmax)と全備質量(Mtot)の最小化

9

基本となる設計変数

多数回燃焼に関する設計変数

L/D：機体縦横比

問題設定2/4Problem2最大加速度(accmax)最小化と全備質量最小化

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MT-135（気象観測用小型ロケット（到達高度60 km））

基本となる設計変数

多数回燃焼に関する設計変数

Alttarget：目標到達高度

問題設定3/4Problem3到達距離（ダウンレンジ） (Rmax)最大化と全備質量最小化

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基本となる設計変数

多数回燃焼に関する設計変数

問題設定4/4Problem4指定高度停留時間(Tduration)最大化と全備質量最小化

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基本となる設計変数

多数回燃焼に関する設計変数

結果1/13 13

非劣解集合（Problem1）到達高度の最大化と全備質量の最小化

概ね同じ解集合

到達高度が高い範囲ではずれが生じる

50generations100generations150generations200generations

結果2/13

Problem1に対する考察

垂直打ち上げにおいて多数回燃焼は高度の最大化には寄与しない

→ 燃焼停止時には高度を下げるだけなので，多数回燃焼の寄

与が無いことは妥当

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結果3/13非劣解集合（Problem2）最大加速度最小化と全備質量最小化

15

多数回燃焼により加速度最小化

50generations100generations150generations200generations

結果4/13

Problem2に関する考察

燃焼停止により，加速の一時中断が行われ，加速度最小化に寄与

加速を停止するため，高度の制約条件を満たす解が生まれにくいため，非劣解までの収束がやや難

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結果5/13非劣解集合（Problem3）到達距離（ダウンレンジ）最大化と全備質量最小化

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解の差は微小

50generations100generations150generations200generations

結果6/13Problem3に関する考察

現在のHRE打ち上げ機設計では機体を質点，姿勢角＝経路角と仮定

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今後，より高詳細な飛行シミュレーションが必要（最適解に関する定性的傾向の観察には妥当な情報）

軌道が水平になってきても，上方向の推力が残る

結果7/13非劣解集合（Problem４）

特定高度停留時間最大化と全備質量の最小化

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解の差は微小(problem1と同じ理由？)

200generations

結果8/13設計空間(problem1: 最大高度vs.全備質量)

共通の設計空間の傾向は概ね一致

多数回燃焼HREではdv8(tinter)がほぼ0→多数回燃焼が行われないことと等価

w/o multi-combustion w/ multi-combustion

結果9/13設計空間(problem2: 最大加速度vs.全備質量)

非劣解集合においてdv4(tburn)の傾向に相違点

accmaxでソートすると，dv5(Pc)の大小関係に相違

多数回燃焼が行われた結果，accmaxが小さく

w/o multi-combustion w/ multi-combustion

結果10/13設計空間(problem2: 最大加速度vs.全備質量)dv7(tstop)で色付け (w/ multi-combustion))dv4(tburn)，dv8(tinter)との相関

結果11/13設計空間(problem3: ダウンレンジvs.全備質量)

燃焼終盤で消炎再着火が行われる

非劣解集合は同程度であったが，dv5(Pc) に相違点

多数回燃焼HREではPcが大

w/o multi-combustionw/ multi-combustion

結果12/13設計空間(problem4: 滞留時間vs.全備質量)

Problem1と同様の理由により，多数回燃焼の効果が見られない

w/o multi-combustion w/ multi-combustion

結果13/13 25

問題としての性質(Hyper volumeの履歴)

problem1(飛行高度) problem2（加速度）

problem3（ダウンレンジ） problem4（停留時間）

まとめ

多数回燃焼が行う事ができるHREを用いた単段式打ち上げ機の設計探査多数回燃焼を行うHREを模擬する評価法を構築

複数の問題設定による効果の検証・問題としての性質評価

到達高度最大化においては有意な効果は見られない．

加速度最小化には有意な効果．

ダウンレンジ最大化において，解空間に有意な差は見られないが設計空間の動きに変化．

全備重量最小化，加速度最小化，停留時間最大化の三目的問題が進化計算法による設計問題として有望？

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