Application of Detonation to High-performance, Miniature Rocket Engine

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K15209
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 川崎 央 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
• Keywords: デトネーション / 宇宙推進 / 化学推進 / ロケットエンジン

Outline of Annual Research Achievements

近年、比較的小さい時間的および経済的なコストにより各種の宇宙ミッションを実現する小型の衛星の活用が活発化しており、より高度なミッションが多数検討されている。このような小型の衛星の高度化の1つの方向性として、適時に軌道を変化させる能力、即ち機動性の向上は重要である。このような背景の下、本研究では、デトネーション（爆轟）という燃焼現象を理解し、応用することによって、簡素なシステムと高い推進性能を両立した小型の2元推進剤ロケットエンジンシステムの実現に資することを目指している。
本年度は、主として、これまでに構築してきた回転デトネーションエンジン用の高周波数応答熱放射光計測システムを用いて燃焼実験を行うとともに、計測システムの改良を行った。燃焼実験は、水素を燃料、酸素を酸化剤として、当量比1付近、流量帯としては30g/s付近を主たるターゲットとして実施した。計測するスペクトルは、近赤外領域のうち、水分子による吸収の少ない１５００nmから１７００nm程度の2波長を選択した。また、赤外線光源を用いた予備実験においては、計測システムの時間応答性等の特性が良好であることが確認できた。また付随して、デトネーションエンジン設計（特に小型向けで重要）に不可欠なデトネーションの構造特性長についても検討を行い、特にデトネーション回折に伴う構造特性長がもつ、各種の熱力学的・化学動力学的パラメーターに対する依存性の検討を実施した。

Research Products

• [Journal Article] Space Flight Demonstration of Rotating Detonation Engine Using Sounding Rocket S-520-31 (2023)
  • Author(s): Goto K.、Matsuoka K.、Matsuyama K.、Kawasaki A.、Watanabe H.、Itouyama N.、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.
  • Journal Title: Journal of Spacecraft and Rockets Volume: 60 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
• [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