国際宇宙ステーション（ISS）の「きぼう」日本実験棟では、JAXAが開発した固体燃焼実験装置（SCEM）^※1 を活用し、2022年から「火災安全性向上に向けた固体材料の燃焼現象に対する重力影響の評価（FLARE）」^※2 を実施しています。

この研究を発展させた「様々な重力レベルの空間における固体材料の火災安全性評価手法の確立（FLARE-3）」^※3 に関連して、航空機の放物線飛行中に遠心機を用いて月面および地球の重力を模擬した環境で固体材料の燃焼挙動を調べた研究成果が、学術誌「Combustion and Flame」に掲載されました。（論文情報）
また、本研究に関連する動画^※4 も北海道大学から公開されています。

本研究では、航空機の放物線飛行によって微小重力環境を形成し、その機内に搭載した実験装置内の回転式燃焼容器（図1）を用いて遠心力による模擬的な人工重力を発生させました。そして、容器内に設置した被覆電線試料上の火炎燃え拡がり挙動を観察しました。

この研究では、遠心機によって模擬した月面重力環境での燃焼試験結果と、燃焼容器を回転させずに航空機の放物線飛行によって再現した月面重力条件における燃焼試験結果との比較が行われました。その結果、同じ重力の大きさであっても、遠心力により形成した人工重力環境では、放物線飛行のみによる重力環境と比べて、火炎の燃え拡がりが維持されやすい傾向が確認されました。

これは、遠心力とコリオリ力^※5 の複合的な影響により、回転する燃焼容器内に循環流が形成された結果、火炎により生じる浮力対流が弱められるとともに、高温の燃焼ガスが試料を予熱した結果と考えられます。

この結果により、遠心力により単純に重力を模擬するだけでは同じ重力条件における材料の燃焼性を定量的に評価するには不十分であり、回転容器内における循環流の形成を抑制する構造とすることが必要になることが示唆されました。

FLARE-3テーマでは、月面などの低重力環境における材料の燃焼性評価手法の確立に向けて、新たなSCEM搭載用実験インサートの開発と軌道上実証を目指しています。今回の航空機実験により得られた成果は、有人月面探査などにおける火災安全性確保への貢献を目指したFLARE-3の目的達成に向けた重要な知見となるのみならず、人工的な模擬重力環境における熱対流現象への理解を深めるうえでも重要なものです。

• ※1 固体燃焼実験装置（Solid Combustion Experiment Module : SCEM)
• ※2 火災安全性向上に向けた固体材料の燃焼現象に対する重力影響の評価（FLARE）
  • 研究代表者 藤田 修（北海道大学 特任教授）
• ※3 様々な重力レベルの空間における固体材料の火災安全性評価手法の確立（FLARE-3）
  • 研究代表者 橋本 望（北海道大学 教授）
  • 本テーマは2020年度に選定され、現在はフィジビリティスタディ段階にあります
  • （参考）火災安全性向上に向けた固体材料の燃焼現象に対する重力影響の評価
• ※4 Youtube Centrifuge-Based Combustion Experiments in Microgravity Achieved by Parabolic Flight
  （放物線飛行で再現した微小重力環境における遠心機燃焼実験）
• ※5 回転している座標系の中で運動する物体に、進行方向に対して横向きに働く見かけの力（慣性力）の一種。地球上の大気や海洋の流れ、回転機器内部の流体運動などにも影響を与えます。

論文情報