2020 Fiscal Year Annual Research Report
Study on Self-compression Type Detonation Propulsion: Evolutionary Space-Flight Demonstration Study Using Sounding Rockets
Project/Area Number |
19H05464
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Research Institution | Nagoya University |
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) |
松尾 亜紀子 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70276418)
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)
中田 大将 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (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)
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)
渡部 広吾輝 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (20881238)
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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 |
Outline of Annual Research Achievements |
(1)多孔冷却面構造のデトネーションエンジン(水素ー酸素燃料、H3搭載を目標)は、熱平衡に到達する長秒の実験結果を得ており、大きな研究進捗があり論文掲載にいたっている。 (2)ダイバージングRDE(論文掲載済み)、水素酸素RDE、エタノールー酸素RDEの安定作動に成功した。2024年度観測ロケット打ち上げ提案中の液体推進剤DESシステムの検討を行い、エタノールー酸素システムで成立することを確認した。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インジェクター近傍での圧力、運動量生成量と、推力計測値がよく整合することを発見した。この成果によって、RDEのインジェクター近傍での壁面静圧の低下がよく説明できることになった。 (3)観測ロケットS-520-31号機によるデトネーションエンジンシステム(DES)の宇宙フライトに成功した。RDE作動によって推力518 N、比推力290±18 秒を達成した(世界初)。2重円筒ーエアロスパイクノズルーメタン酸素推進剤宇宙作動に成功(世界初)した。地上で検出困難なトルク・熱環境の計測に成功した。 (4)パルスデトネーションエンジン(PDE)をフライト形態としてロケット内に搭載成功した。14サイクルで適正にPDEのプラトー圧力生成に宇宙で成功(世界初)した。機体の回転角速度の減少をIMUにて検出に成功した。 (5)IMUで取得した加速度, 角速度を時間積分することで慣性座標系から見た運動を計算・CG表現し、位置・姿勢を解析した。位置はレーダ・トランスポンダデータ、姿勢はKu-TV画像とほぼ整合した。DESのフライト形態を完成させ、計器合わせ試験、噛合わせ試験、振動・衝撃試験、D/B試験を完了した。ガス供給用のGSEの射場での運用、メタン漏洩監視システムを開発し、射場運用を完了した。
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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、ダイバージングRDEロケット燃焼機がデトネーションンジンでは実現できることを発見している。エタノールー酸素RDEの安定作動に成功。エタノールー酸素システムで成立することを確認している。 (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。 (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り論文掲載にいたっている。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、まさに世界を先導中である。 (4)デトネーションエンジンユニットに関して:観測ロケットS-520-31号機によるデトネーションエンジンシステム(DES)の宇宙フライトに成功し、大きな世界的インパクトをもたらした。 以上のように、項目(1)、(3)、(4)で当初の計画を大きく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さらに実験を展開する。ダイバージングRDE、液体燃料・酸化剤、先進推進剤での実験・数値解析をより包括的に行い、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。特に水素酸素での点火システムも開発する。 (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設計製造し飛行試験にて、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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[Presentation] In-Space Flight Demonstration Results of a Detonation Engine System on Sounding Rocket S-520-31: System Design2022
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, T. Nakao, K. Yamada
Organizer
33rd International Symposium on Space Technology and Science
Int'l Joint Research
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[Presentation] In-Space Flight Demonstration Results of a Detonation Engine System on Sounding Rocket S-520-31: Flight Path and Attitude2022
Author(s)
H. Watanabe, K. Matsuyama, K. Matsuoka, A. Kawasaki, N. Itouyama, K. Goto, K. Ishihara, V. Buyakofu, T. Noda, S. Ito, 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
33rd International Symposium on Space Technology and Science
Int'l Joint Research
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[Presentation] In-Space Flight Demonstration Results of a Detonation Engine System on Sounding Rocket S-520-31: Rotating Detonation Engine2022
Author(s)
K. Goto, K. Matsuyama, K. Matsuoka, A. Kawasaki, H. Watanabe, N. Itouyama, 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, T. Nakao, K. Yamada
Organizer
33rd International Symposium on Space Technology and Science
Int'l Joint Research
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[Presentation] In-Space Flight Demonstration Results of a Detonation Engine System on Sounding Rocket S-520-31: Pulse Detonation Engine2022
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, Y. Kazuhiko, T. Nakao
Organizer
33rd International Symposium on Space Technology and Science
Int'l Joint Research
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[Presentation] Flight Demonstration of Detonation Engine System Using Sounding Rocket S-520-31: System Design2022
Author(s)
A. Kawasaki, K. Matsuyama, K. Matsuoka, H. Watanabe, N. Itouyama, K. Goto, K. Ishihara, V. Buyakofu., T. Noda, J. Kasahara, A. Matsuo, F. Funaki, D. Nakata, M. Uchiumi, H. Habu, S. Takeuchi, S. Arakawa, J. Masuda, K. Maehara, T. Nakao, K. Yamada
Organizer
AIAA SciTech 2022
Int'l Joint Research
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[Presentation] Flight Demonstration of Detonation Engine System Using Sounding Rocket S-520-31: History from Development to Flight2022
Author(s)
N. Itouyama, K. Matsuyama, K. Matsuoka, A. Kawasaki, H. Watanabe, 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, T. Nakao, K. Yamada
Organizer
AIAA SciTech 2022
Int'l Joint Research
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[Presentation] Flight Demonstration of Detonation Engine System Using Sounding Rocket S-520-31: Flight Path and Attitude2022
Author(s)
H. Watanabe, K. Matsuyama, K. Matsuoka, A. Kawasaki, N. Itouyama, K. Goto, K. Ishihara, V. Buyakofu, T. Noda, S. Ito, 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 2022
Int'l Joint Research
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[Presentation] Flight Demonstration of Detonation Engine System Using Sounding Rocket S-520-31: Performance of Rotating Detonation Engine2022
Author(s)
K. Goto, K. Matsuoka, K. Matsuyama, A. Kawasaki, H. Watanabe, N. Itouyama, 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, T. Nakao, K. Yamada
Organizer
AIAA SciTech 2022
Int'l Joint Research
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[Presentation] Flight Demonstration of Detonation Engine System Using Sounding Rocket S-520-31: Performance of Pulse Detonation Engine2022
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 2022
Int'l Joint Research
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[Presentation] 液体燃料回転デトネーション燃焼器の内部流動可視化に関する実験研究2022
Author(s)
佐藤寛, 石原一輝, 米山健太郎, 伊藤志朗, 渡部広吾輝, 伊東山登, 川崎央, 松岡健, 笠原次郎, 松尾亜紀子, 船木一幸, 長尾隆央, 伊藤光紀
Organizer
2021年度衝撃波シンポジウム
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[Presentation] 水素ー酸素を用いた単円筒回転デトネーションエンジンの実験研究2022
Author(s)
木村朋亮, 後藤啓介, 太田光星, 伊東山登, 渡部広吾輝, 川崎央, 松岡健, 笠原次郎, 松尾亜紀子, 船木一幸, 佐藤晃浩, 石川佳太郎, 濵﨑享一
Organizer
2021年度衝撃波シンポジウム
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[Presentation] S-520-31号機によるデトネーションエンジンシステムの宇宙実験 -実験結果報告とサクセスクライテリア評価-2022
Author(s)
伊東山 登, 松山 行一, 松岡 健, 川﨑 央, 渡部 広吾輝, 後藤 啓介, 石原 一輝, ブヤコフバレンティン, 野田 朋之, 笠原 次郎, 松尾 亜紀子, 船木 一幸, 中田 大将, 内海 政春, 羽生 宏人, 竹内 伸介, 荒川 聡, 増田 純一, 前原 健次, 山田 和彦, 中尾 達郎
Organizer
令和3年度 宇宙輸送シンポジウム
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[Presentation] S-520-31号機によるデトネーションエンジンシステムの宇宙実験 -設計・試験・運用の概要-2022
Author(s)
川﨑 央, 松山 行一, 松岡 健, 伊東山 登, 渡部 広吾輝, 後藤 啓介, 石原 一輝, ブヤコフバレンティン, 野田 朋之, 笠原 次郎, 松尾 亜紀子, 船木 一幸, 中田 大将, 内海 政春, 羽生 宏人, 竹内 伸介, 荒川 聡, 増田 純一, 前原 健次, 山田 和彦, 中尾 達郎
Organizer
令和3年度 宇宙輸送シンポジウム
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[Presentation] Experimental Study on Truncated Conical Rotating Detonation Engine with Diverging Flows2021
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
Int'l Joint Research
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[Presentation] 推進剤噴射による単円筒回転デトネーションエンジンの冷却に関する研究2021
Author(s)
後藤 啓介, 太田 光星, 木村 朋亮, 川崎 央, 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, 川島 秀人
Organizer
第58回日本航空宇宙学会関西・中部支部合同秋期大会
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[Presentation] 液体酸素を用いた回転デトネーションエンジンのシステム動作評価に関する研究2021
Author(s)
伊藤志朗, 石原一輝, 米山健太郎, 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, 中田 大将, 内海 政春, 松井康平, 北川幸樹, 中村秀一, 東野和幸, 福地亜宝郎, 長尾隆央
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
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