Innovation of a Reaction Control System by a Pulsed Detonation Thruster

• Project/Area Number: 20K21046
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Matsuoka Ken 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (40710067)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: デトネーション / デトネーションエンジン / 人工衛星姿勢制御 / パルスデトネーションエンジン / 姿勢制御 / スラスタ / RCS / パルスデトネーション / 小型衛星 / 電気浸透流ポンプ / 間欠爆轟サイクル / パルスデトネーションサイクル / 人口衛星姿勢制御

Outline of Research at the Start

高機動姿勢制御によるガンマ線バースト観測や人口衛星フォーメーションフライトによる地球観測に代表される、人口衛星を用いた科学・商用ミッションの高度化・多様化が加速度的に進んでいる。本研究は、高度化する人口衛星ミッションに柔軟に対応するべく、高機動かつ高精度な姿勢制御が可能な間欠爆轟スラスタ（PDT）を提案する。小型・軽量なPDTシステムを用いた微小非定常推力の測定実験を実施し、スラスタとしての姿勢制御能力を明らかにする。本研究によって既存RCSとのトレードオフ検討が初めて可能となる。本研究は既存RCSの在り方を大きく転換させる潜在的優位性を有した挑戦的研究である。

Outline of Final Research Achievements

A pulse detonation thruster (PDT), in which detonation waves (hyper sonic combustion) are produced intermittently, is a reaction control system for small satellite. PDT can achieve (1) high-accurate small impulse, (2) high-response thrust generation, and (3) thrust throttling by controlling the operating frequency.
This study conducted the PDT operation demonstration in space by using JAXA/ISAS sounding rocket S-520 No. 31. As the results, success rate of PDT operation was 93% and　the impulse repeatability was less than 5%.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、パルスデトネーションスラスタ（PDT）が実宇宙環境で作動することを世界で初めて実証した。また、PDT作動によってロケット機軸周りの角速度を変化させることを示した。より高精度な衛星姿勢制御が期待できるPDTの作動実証は、大きな社会的意義を有する。また、間欠燃焼であっても燃焼器出口の絞りを設けることでPDTが作動し、想定通りの推力の生成を確認できた。実ミッションに向けた小型高性能のための作動モデルを構築できた点で学術的意義は高い。

Research Products

• [Journal Article] Flight Demonstration of Pulse Detonation Engine Using Sounding Rocket S-520-31 in Space (2023)
  • 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、et. al.
  • Journal Title: Journal of Spacecraft and Rockets Volume: 60 Issue: 1 Pages: 181-189
  • DOI: 10.2514/1.a35394
  • Peer Reviewed
• [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
• [Presentation] In-Space Flight Demonstration Results of a Detonation Engine System on Sounding Rocket S-520-31: Pulse Detonation Engine (2022)
  • Author(s): V. Buyakofu, K. Matsuoka, K. Matsuyama, A. Kawasaki, H. Watanabe, N. Itouyama, K. Goto, K. Ishihara, 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] In-Space Flight Demonstration Results of a Detonation Engine System on Sounding Rocket S-520-31: Pulse Detonation Engine (2022)
  • Author(s): . Buyakofu, K. Matsuoka, K. Matsuyama, A. Kawasaki, H. Watanabe, N. Itouyama, K. Goto, K. Ishihara, 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
• [Presentation] Flight Demonstration of Detonation Engine System Using Sounding Rocket S-520-31: Performance of Pulse Detonation Engine (2022)
  • Author(s): V. Buyakofu, K. Matsuoka, K. Matsuyama, K. Goto, A. Kawasaki, H. Watanabe, N. Itouyama, K. Ishihara, T. Noda, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki, D. Nakata, M. Uchiumi, H. Habu, S. Takeuchi, S. Arakawa, J. Masuda, K. Maehara, T. Nakao, K. Yamada
  • Organizer: AIAA SciTech Forum 2021
• [Presentation] 電気浸透流ポンプを用いた超小型衛星用スラスタの研究開発 (2021)
  • Author(s): 堀田 樹, ブヤコフ バレンティン, 伊東山 登, 川﨑 央, 渡部 広吾輝, 松岡 健, 笠原 次郎
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [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：パルスデトネーションエンジンシ (2021)
  • Author(s): 伊東山 登，ブヤコフ バレンティン，野田 朋之，石原 一輝，後藤 啓介，川崎 央，渡部 広吾輝，松岡 健，松山 行一，笠原 次郎，松尾 亜紀子, 船木 一幸, 中田 大将, 内海 政春, 竹内 伸介, 岩崎 祥大, 和田 明哲, 増田 純一, 荒川 聡, 羽生 宏人, 山田 和彦
  • Organizer: 令和2年度宇宙輸送シンポジウム
• [Presentation] 観測ロケットS-520-31号機搭載用パルスデトネーションエンジンのシステム実証研究 (2021)
  • Author(s): ブヤコフ バレンティン, 野田 朋之, 澤田 悟, ジョセフ ビクトリア, 後藤 啓介, 石原 一輝, 渡部 広吾輝, 伊東山 登, 川崎 央, 松岡 健, 松山 行一, 笠原次郎, 中田 大将, 内海 政春, 松尾 亜紀子, 船木 一幸, 竹内 伸介, 和田 明哲, 岩崎 祥大,羽生 宏人
  • Organizer: 第64回宇宙科学技術連合講演会
• [Remarks] 研究代表者の研究業績
  • URL: http://www.prop.nuae.nagoya-u.ac.jp/member03.html
• [Remarks] 個人業績
  • URL: http://www.prop.nuae.nagoya-u.ac.jp/member03.html
• [Remarks] 研究代表者業績
  • URL: http://www.prop.nuae.nagoya-u.ac.jp/member03.html