第6回進化計算学会研究会で発表．2014年度，最優秀論文賞を受賞しました．

1. 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
○

2. 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. 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

4. 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. 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

6. 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．
6

7. 設計手法1/2
HREを用いた打ち上げ機性能評価法の概要
7
 tGatr n
oxiport )(

8. 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

9. 問題設定1/4
Problem1
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

10. 問題設定2/4
Problem2
最大加速度(accmax)最小化と全備質量最小化
10
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

11. 問題設定3/4
Problem3
到達距離（ダウンレンジ） (Rmax)最大化と全備質量最小化
11
基本となる設計変数
多数回燃焼に関する設計変数

12. 問題設定4/4
Problem4
指定高度停留時間(Tduration)最大化と全備質量最小
化
12
基本となる設計変数
多数回燃焼に関する設計変数

13. 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

14. 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
14

15. 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

16. 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
16

17. 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
17
解の差は微小
50generations100generations150generations200generations

18. 結果6/13
Problem3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
18
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

19. 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
19
解の差は微小
(problem1と同じ理由？)
200generations

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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-combustion
w/ multi-combustion

24. 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

25. 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）

26. 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？
26