インフラ、医療から宇宙まで活躍する流体機械

皆さんは、日本の年間発電量の約90％が流体機械（タービンや水車など）によって発電されていて、約60%が流体機械（ポンプ、圧縮機など）で消費されていることをご存じですか。

流体機械とは流体（水などの液体、空気などの気体）と機械の間でエネルギーを伝達する機械の総称です。なかでもポンプは、電力や水供給などの私たちの生活を支えるインフラだけでなく、医療（補助人工心臓など）から宇宙（液体燃料ロケットなど）まで様々な分野で活躍する重要な流体機械です。私の研究室では、このように私たちの社会を支える流体機械（主にポンプ）に関する研究をたくさん行っています。

キャビテーションが大事故にもつながる

今回ご紹介するのは、ロケットエンジンの心臓部であるターボポンプに関する研究です。ロケット用燃料・酸化剤供給用ターボポンプに代表される小形軽量・高速ターボポンプで問題となるキャビテーションの解明・制御に取り組んでいます。

液体を飽和温度（水の場合、大気圧下では約100℃）までに加熱すると沸騰が起こりますが、加熱しなくても減圧すれば沸騰に類似した泡の発生が起こります。これがキャビテーションと呼ばれる現象です。液体の流れが速い場所は圧力が下がり、圧力が飽和蒸気圧以下になるとキャビテーションが発生します。

下図は、燃料ポンプの中でキャビテーションが発生しているときの様子（高速度カメラで撮影）で、白い部分がキャビテーションの泡です。このキャビテーションが周期的に変動すると、燃料を安定に供給できなくなるとともに、前後の配管を含めた大きな振動のトラブルにもなります。実際、1999年に日本が打ち上げたH-IIロケット8号機がキャビテーションによる変動流が一因で墜落事故を起こしています。

宇宙事業が拡大　ターボポンプ研究へさらなる期待

宇宙開発は民間業者の参画も増え、ロケットの再使用化や宇宙往還機の開発が期待されていて、ターボポンプはより過酷条件での運転が求められています。また、将来はエネルギー媒体としての液体水素のポンプによる運搬や供給も期待されています。このような背景から、私の大好きな理論と実験を駆使して、複雑な流れにおけるキャビテーションの予測技術、抑制技術に関する研究を鋭意進めています。