2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study on Self-compression Type Detonation Propulsion: Evolutionary Space-Flight Demonstration Study Using Sounding Rockets
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19H05464
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
笠原 次郎 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (60312435)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
船木 一幸 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (50311171)
松尾 亜紀子 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70276418)
松岡 健 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (40710067)
川崎 央 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (20802242)
中田 大将 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (90571969)
内海 政春 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (60727634)
羽生 宏人 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (60353421)
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| Project Period (FY) |
2019-04-23 – 2024-03-31
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| Keywords | デトネーション / 推進工学 / 航空宇宙工学 / 観測ロケット / 自律圧縮 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)自律圧縮爆轟現象の昇圧の理解に関して：内筒なしの先進的な定常準１次元レイリー・境界層発達内部流れのモデルを提案した。また、これまでの圧縮性流体力学の常識を覆すスロートのない、ロケット燃焼機がデトネーションエンジンでは実現できることを発見した。また、これら極めて良好な実験進捗があるため、2023年度の観測ロケット実験にて研究中のデトネーションエンジンユニットを搭載し、宇宙飛行実験を完遂予定である。
(2)圧力増加の限界値（10-1000）の解明に関して：回転型の高速バルブの研究に成功し、秒速1500 m/sでの開閉するバルブの原理実証に成功した。また、バルブを用いない、静的な回転デトネーションエンジンに関しては、その最大値は、本グループが報告していた150%近傍であることが、世界的にコンセンサスを得る段階になっており、本グループの先見性が証明された。また、プレナムから燃焼器にかけてのデトネーションの伝播による管路の閉塞に関する基礎物理を解明した。
(3)多孔冷却面構造のデトネーションエンジンの熱的特性の解明に関して：多孔冷却面構造のデトネーションエンジンは、20 mmの直径、20mmの長さで900K程度の熱平衡に到達する長秒の実験結果を得ている。つまり、わずか20 mm程度のエンジンにて、熱制御しながら高いC*効率（95%以上）の音速ジェットを生成可能であることが示された。このエンジンは、三菱重工業との共同研究にて、軌道上実証・実用化を目指すことになり、世界を先導した。
(4)デトネーションエンジンユニットに関して：デトネーションエンジンユニットに必要な、アビオニクス、ユニット構造及びインターフェイス、プロジェクト管理手法を獲得した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
(1)自律圧縮爆轟現象の昇圧の理解に関して：内筒なしの先進的な定常準１次元レイリー・境界層発達内部流れのモデルを提案している。また、これまでの圧縮性流体力学の常識を覆すスロートのない、ロケット燃焼機がデトネーションエンジンでは実現できることを発見している。さらに、液体燃料を用いた燃料での回転デトネーション作動にも成功している。
(2)圧力増加の限界値（１０－１０００）の解明に関して：回転型の高速バルブの研究を実施し、秒速1500 m/sでの開閉するバルブの原理実証に成功し圧力増大解明に道筋を見出している。また、バルブを用いない、静的な回転デトネーションエンジンに関しては、その最大値は、本グループが報告していた150%近傍であることが、世界的にコンセンサスを得る段階になっており、本グループの先見性が証明されている。また、プレナムから燃焼器にかけてのデトネーションの伝播による管路の閉塞に関する基礎物理を解明している。期待した成果をあげている。
(3)多孔冷却面構造のデトネーションエンジンの熱的特性の解明に関して：すでに、多孔冷却面構造のデトネーションエンジンは、熱平衡に到達する長秒の実験結果を得ており、極めて大きな研究進捗があった。つまり、わずか20 mm程度のエンジンにて、熱制御しながら高いC*効率（95%以上）の音速ジェットを生成可能であることが示された。このエンジンは、三菱重工業との共同研究にて、軌道上実証・実用化を目指すことになり、まさに世界を先導している。
(4)デトネーションエンジンユニットに関して：この２年で、デトネーションエンジンユニットに必要な、アビオニクス、ユニット構造及びインターフェイス、環境試験手法等を獲得している。
以上のように、項目(1)、(3)、(4)で当初の計画を超える研究の進展があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)自律圧縮爆轟現象の昇圧メカニズムの理解：研究が軌道にのった実験装置にて、なるべく広範囲のパラメータで実験を展開する。ダイバージングRDE、液体燃料・酸化剤、先進推進剤での実験・数値解析を包括的に行い、実験研究を完了させる。
(2) 圧力増加の限界値（10～1000）の解明：1500m/sの高速バルブ実験付きエンジン等の実験を本格化させる。高い昇圧性能を証明し、推力特性を評価し、優れた比推力を生み出し得ることを検証する。当初の計画どおりにすすまない場合は、観測ロケット実証試験の結果の解析に重点を移す。
(3) 多孔冷却壁面構造のデトネーションエンジンの熱的特性を解明：熟成した実験装置にて、なるべく広範囲のパラメータで実験を展開する。熱流動構造を定量化できるに十分なデータの取得を目指す。特に燃焼器内部での熱交換と断熱層の構造に着目した研究を展開しつつ、早期の軌道上実証を目指す。
(4) デトネーションユニットと機体統合推力空力特性の解明：アレイ化したデトネーションユニットを飛行試験にて、揚力、抗力、回転力、推力を計測する。胴体及び翼形状に対し、ユニットアレイを統合させ、飛行実験を行う。機体の統合性能として、揚抗比（L/D）、推力、比推力(Isp)、燃料消費率（TSFC）を実験的に取得する。また、回転トルク計測結果から、姿勢の変更がどの程度の範囲で可能なのかを検証する。また、翼（機体）姿勢の安定性を十分な確保できるかを調査し、縦、横、方向の安定微係数を実験的に決定する。この計測結果から、既存機体とは異なるエンジン機体統合形状ユニットを提案する。
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Research Products
(90 results)
