Application of Detonation to High-performance, Miniature Rocket Engine

• Project/Area Number: 19K15209
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Kawasaki Akira 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (20802242)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2019: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: デトネーション / デトネーションエンジン / 化学推進 / 液体ロケット / ロケットエンジン / 燃焼 / 宇宙推進 / RDE / 小型 / システム / 回転デトネーションエンジン

Outline of Research at the Start

本研究では，素早い燃焼完結性を有するデトネーション燃焼をロケットエンジンに取り入れることで，ロケットエンジンの性能を低下させること無くそのサイズを小型化することを狙っている．デトネーションを利用して小型ロケットエンジンを実現させる際には，大きな熱負荷密度に対応する熱設計の実現がキー技術となる．これを達成すべく，新たに構築する光学的な計測システム（火炎を透過して，燃焼器の温度変化を高い時間精度で計測するシステム）による熱流束同定を試み，デトネーションロケットエンジンにおける熱特性の解明を目指す．

Outline of Final Research Achievements

In rotating detonation engines (RDEs), it is known that the flow temperature, pressure, and velocity are circumferentially non-uniform due to presence of rotating detonation waves which propagate very fast in the circumferential direction in the combustor. This means that the heat load on the combustor wall is expected to be different from those in existing rocket engine combustors. In this study, a near-infrared high-speed two-color radiation thermometer was newly constructed to establish a high-speed temperature measurement method as an initial step to appropriately understand such extremely high-speed thermal phenomena. The measurement system was evaluated by applying it to the combustion test of an RDE, and fundamental considerations for such a measurement method were clarified.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

デトネーションエンジンは、その理論効率が既存形式のエンジンの理論効率を上回ることから、将来型の高効率エンジンとして実用化が期待されている。実用化のための重要課題の1つは、デトネーションという極限的な現象に対応した熱設計の確立である。デトネーションエンジンでは、極めて高速に燃料の持つ化学エネルギーが解放されることから、従来形式のエンジンとは異なる熱設計が求められることが想定される。本研究では、デトネーション現象の時間スケールでの熱計測を可能とすることに端緒を開いた。また、本研究で取り扱った計測手法は、デトネーションエンジン以外の高速な熱現象を内包する対象についても有効であることが期待される。

Research Products

• [Journal Article] Space Flight Demonstration of Rotating Detonation Engine Using Sounding Rocket S-520-31 (2023)
  • Author(s): Goto Keisuke、Matsuoka Ken、Matsuyama Koichi、Kawasaki Akira、Watanabe Hiroaki、Itouyama Noboru、Ishihara Kazuki、Buyakofu Valentin、Noda Tomoyuki、Kasahara Jiro、Matsuo Akiko、Funaki Ikkoh、Nakata Daisuke、Uchiumi Masaharu、Habu Hiroto、Takeuchi Shinsuke、Arakawa Satoshi、Masuda Junichi、et.al.
  • Journal Title: Journal of Spacecraft and Rockets Volume: 60 Issue: 1 Pages: 273-285
  • DOI: 10.2514/1.a35401
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental study on detonation-diffraction reflection point distances in hydrogen and gaseous hydrocarbon reactive systems (2022)
  • Author(s): Sun Han、Kawasaki Akira、Itouyama Noboru、Matsuoka Ken、Kasahara Jiro
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 245 Pages: 112329-112329
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2022.112329
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Supersonic Exhaust from a Rotating Detonation Engine with Throatless Diverging Channel (2022)
  • Author(s): Nakata Kotaro、Ota Kosei、Ito Shiro、Ishihara Kazuki、Goto Keisuke、Itouyama Noboru、Watanabe Hiroaki、Kawasaki Akira、Matsuoka Ken、Kasahara Jiro、Matsuo Akiko、Funaki Ikkoh、Higashino Kazuyuki、Braun James、Meyer Terrence、Paniagua Guillermo
  • Journal Title: AIAA Journal Volume: - Issue: 7 Pages: 1-9
  • DOI: 10.2514/1.j061300
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of an S-Shaped Pulse Detonation Engine for a Sounding Rocket (2022)
  • Author(s): Buyakofu Valentin、Matsuoka Ken、Matsuyama Koichi、Kawasaki Akira、Watanabe Hiroaki、Itouyama Noboru、Goto Keisuke、Ishihara Kazuki、Noda Tomoyuki、Kasahara Jiro、Matsuo Akiko、Funaki Ikkoh、Nakata Daisuke、Uchiumi Masaharu、Habu Hiroto、Takeuchi Shinsuke、Arakawa Satoshi、Masuda Junichi、Maehara Kenji
  • Journal Title: Journal of Spacecraft and Rockets Volume: - Issue: 3 Pages: 1-11
  • DOI: 10.2514/1.a35200
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A study on detonation-diffraction reflection point distances in H2/O2, C2H2/O2, and C2H4/O2 systems (2021)
  • Author(s): Sun Han、Kawasaki Akira、Matsuoka Ken、Kasahara Jiro
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: 38 Issue: 3 Pages: 3605-3613
  • DOI: 10.1016/j.proci.2020.06.371
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental study of internal flow structures in cylindrical rotating detonation engines (2021)
  • Author(s): Yokoo Ryuya、Goto Keisuke、Kasahara Jiro、Athmanathan Venkat、Braun James、Paniagua Guillermo、Meyer Terrence R.、Kawasaki Akira、Matsuoka Ken、Matsuo Akiko、Funaki Ikkoh
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: 38 Issue: 3 Pages: 3759-3768
  • DOI: 10.1016/j.proci.2020.08.001
  • NAID: 120007170452
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] In-space Demonstrations of Rotating Detonation Engines: from Gaseous Propellant to Liquid Propellant Applications (2023)
  • Author(s): N. Itouyama, K. Matsuyama, K. Matsuoka, A. Kawasaki, K. Ishihara, S. Ito, K. Nakata, T. Sato, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki
  • Organizer: 2023 AIAA SciTech Form
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] デトネーションエンジンの研究と観測ロケットを用いた宇宙飛行実験 (2022)
  • Author(s): 川﨑央，笠原次郎
  • Organizer: マイクログラビティ学会
  • Invited
• [Presentation] Data-driven Modeling of Reflection Point Distance Relevant to Diffracting Detonation Wave by using Machine Learning (2022)
  • Author(s): A. Kawasaki, H. Hasegawa, H. Sun, H. Watanabe, N. Itouyama, K. Matsuoka, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki
  • Organizer: 28th The International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 反射点距離による水素及び炭化水素燃料を含む化学反応系の爆轟性の定量評価 (2022)
  • Author(s): 孫 涵, 川﨑 央, 伊東山 登, 松岡 健, 笠原 次郎
  • Organizer: 第54回流体力学講演会/第40回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
• [Presentation] 回折デトネーションにおける反射点距離の初期温度依存性に関する実験的研究 (2022)
  • Author(s): 菊地 湧生，川﨑 央，孫 涵，伊東山 登，松岡 健，笠原 次郎
  • Organizer: 第60回燃焼シンポジウム
• [Presentation] Flight Demonstration of Detonation Engine System Using Sounding Rocket S-520-31: System Design (2022)
  • Author(s): Kawasaki, A., Matsuyama, K., Matsuoka, Watanabe, H., Itouyama, N., Goto, K., Ishihara, K., Buyakofu., V., Noda, T., Kasahara, J., Matsuo, A., Funaki, I., Nakata, D., Uchiumi, M., Habu, H., Takeuchi, S., Arakawa, S., Masuda, J., Maehara, K., Nakao, T., Yamada, K.
  • Organizer: AIAA SciTech 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-Space Flight Demonstration Results of a Detonation Engine System on Sounding Rocket S-520-31: System Design (2022)
  • Author(s): A. Kawasaki, K. Matsuyama, K. Matsuoka, H. Watanabe, N. Itouyama, K. Goto, K. Ishihara, V. Buyakofu, T. Noda, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki, D. Nakata, M. Uchiumi, H. Habu, S. Takeuchi, S. Arakawa, J. Masuda, K. Maehara, K. Yamada, T. Nakao
  • Organizer: 33rd International Symposium on Space Technology and Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Study on Truncated Conical Rotating Detonation Engine with Diverging Flows (2021)
  • Author(s): K. Nakata, K. Ota, S. Ito, K. Ishihara, K. Goto, N. Itouyama, H. Watanabe, A. Kawasaki, K. Matsuoka, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki
  • Organizer: AIAA Propulsion and Energy Forum
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 回折デトネーション波観測に基づくデトネーション特性長予測に関するデータ駆動的検討 (2021)
  • Author(s): 川崎 央, 長谷川 大樹, 孫 涵, 伊東山 登, 渡部 広吾輝, 松岡 健, 笠原 次郎, 松尾 亜紀子, 船木 一幸
  • Organizer: 第53回流体力学講演会/第39回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
• [Presentation] デトネーション回折における反射点距離の人工ニューラルネットワークを用いた予測モデルの構築と評価 (2021)
  • Author(s): 長谷川 大樹，川崎 央，孫 涵，伊東山 登，渡部 広吾輝，松岡 健，笠原 次郎，松尾 亜紀子，船木 一幸
  • Organizer: 第59回燃焼シンポジウム
• [Presentation] デトネーション燃焼器により駆動されるMHD発電システムの概念検討 (2021)
  • Author(s): 川﨑 央，松本 正晴
  • Organizer: 新エネルギー・環境研究会
• [Presentation] A study on detonation-diffraction reflection point distances in H2/O2, C2H2/O2, and C2H4/O2systems (2021)
  • Author(s): H. Sun, A. Kawasaki, K. Matsuoka, J. Kasahara
  • Organizer: 38th International Symposium on Combustion
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental study of internal flow structures in cylindrical rotating detonation engines (2021)
  • Author(s): R. Yokoo, K. Goto, J. Kasahara, V. Athmanathan, J. Braun, G. Paniagua, T. Meyer, A. Kawasaki, K. Matsuoka, A. Matsuo, I. Funaki
  • Organizer: 38th International Symposium on Combustion
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 水素・酸素及び炭化水素・酸素混合気におけるデトネーション回折時の特性長に対する当量比の影響調査 (2021)
  • Author(s): 孫 涵，川﨑 央，伊東山 登，渡部 広吾輝，松岡 健，笠原 次郎
  • Organizer: 2020年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 拡大流路を有する単円筒回転デトネーションエンジンに関する研究 (2021)
  • Author(s): 中田 耕太郎，太田 光星，石原 一輝，後藤 啓介，伊東山 登，渡部 広吾輝，川﨑 央，松岡 健，笠原 次郎，松尾 亜紀子，船木 一幸
  • Organizer: 2020年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] S-520-31号機によるデトネーションエンジン実験の進捗状況：デトネーションエンジンシステム (2021)
  • Author(s): 川崎 央，野田 朋之，ブヤコフ バレンティン，石原 一輝， 後藤 啓介，伊東山 登，渡部 広吾輝，松岡 健，松山 行一，笠原 次郎，他11名
  • Organizer: 令和2年度宇宙輸送シンポジウム
• [Presentation] 2MW 級自己誘起磁場型 MPD スラスタの推進性能と熱特性に関する実験的研究 (2021)
  • Author(s): 田内 思担、大塩 裕哉、川崎 央、船木 一幸
  • Organizer: 令和2年度 宇宙科学に関する室内実験シンポジウム
• [Presentation] 気相デトネーションの反射点距離に与える希釈種の影響に関する実験的検討 (2020)
  • Author(s): 川崎 央，孫 涵，伊東山 登，渡部 広吾輝，松岡 健，笠原 次郎
  • Organizer: 第58回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 水素・酸素及び炭化水素・酸素混合気におけるデトネーション回折に伴う特性長の初期圧力及び当量比依存性調査 (2020)
  • Author(s): 孫 涵, 川﨑 央, 渡部 広吾輝, 伊東山 登, 松岡 健, 笠原 次郎
  • Organizer: 流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2020オンライン
• [Presentation] Combustion Pressure Distributions and Thrust Performances in Small Cylindrical Rotating Detonation Engines (2020)
  • Author(s): R. Yokoo, K. Goto, A. Kawasaki, K. Matsuoka, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki
  • Organizer: AIAA SciTech 2020 Forum
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An Experimental Study of In-Space Rotating Detonation Rocket Engine with Cylindrical Configuration (2019)
  • Author(s): A. Kawasaki, R. Yokoo, K. Goto, J.H. Kim, K. Matsuoka, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki
  • Organizer: AIAA Propulsion and Energy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 膜冷却壁を有する小型単円筒回転デトネーションエンジンの実験研究 (2019)
  • Author(s): 川﨑 央, 横尾 颯也, 金 周会, 松岡 健, 笠原次郎, 松尾 亜紀子, 船木 一幸
  • Organizer: 第51回流体力学講演会／第37回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
• [Presentation] Development Progress of a Detonation Engine Testing Module for Flight Demonstration on Sounding Rocket S-520 #31 (2019)
  • Author(s): A. Kawasaki, K. Goto,K. Matsuoka, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki
  • Organizer: 2nd International Constant Volume and Detonation Combustion Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An Experimental Investigation of a Detonation Characteristics Length Scale Relevant to Critical Diffraction (2019)
  • Author(s): A. Kawasaki, J. Kasahara
  • Organizer: 27th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] デトネーション燃焼技術応用による宇宙推進システムの高度化研究 (2019)
  • Author(s): 川﨑央、松岡健、笠原次郎、松尾亜紀子、船木一幸
  • Organizer: 令和元年度電気学会新エネルギー・環境研究会
  • Invited