燃料液滴パージ法によるパルスデトネーションエンジンのkHz高周波数作動

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26820371
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 松岡 健 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40710067)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: パルスデトネーションエンジン / 燃料液滴パージ法 / バルブレス

Outline of Annual Research Achievements

デトネーション波を利用したエンジンは高い熱効率、自己圧縮燃焼による圧縮機構単純化、極超音速燃焼による燃焼器ダウンサイジングが実現可能だと考えられている。近年ではAerojet-Rocketdyne（米国）、Air Fore Research Laboratory（米国）、MBDA（フランス）に代表される企業・研究機関を中心に精力的に研究が進められており、デトネーションエンジン研究は激しい競争下にある。
デトネーションエンジンの自立作動は実用化へのブレイクスルーであり、パルスデトネーションエンジン（PDE）の繰り返し周波数を気体力学的上限値まで増加させることが必須である。本研究の最終目標は、独自の手法である燃料液滴パージ法を用いて従来の繰り返し周波数を１オーダー向上させることである。
本年度、新たにパージガスを必要としない準バルブレスPDEを提案した[特願2015-251952]。本PDEでは、酸化剤は電磁バルブや回転バルブなどの機械的なバルブ機構を必要としないバルブレス方式で燃焼器に供給される。バルブレス方式では、デトネーション波によって生成した既燃ガスの圧力が一時的に酸化剤供給圧力よりも高くなることでガス供給を停止する。一方、液体もしくは超臨界燃料は燃焼器側面からインジェクタで適切なタイミングで噴霧され、酸化剤と混合することで爆発性混合気を生成する。ガス酸素－液体エチレンを用いた実証実験を実施し、これまでに800Hzの高周波数作動を達成し、従来の作動周波数を１オーダー向上させることに成功した。同時に、燃焼器軸方向に配置した多数のイオンプローブによりバルブレスPDEにおける既燃ガス逆流過程の時間スケールを明らかにした。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究1年目での達成周波数は100ヘルツであった。2年目には高周波数作動用として新たに実証機を製作し、本研究課題である高周波数作動実証に集中し実験を行った。その結果、燃料・酸化剤以外のパージ物質を用いない洗練された準バルブレスパルスデトネーションエンジン（PDE）によって800Hz作動を実証した。3年間の研究期間における最終目的（キロヘルツPD作動）に対して2年目までに80%を達成した点から、計画以上に進展したと判断した。

Strategy for Future Research Activity

2年目に達成した800ヘルツは燃料噴霧インジェクタの応答性の限界である。そのため、より高応答インジェクタおよびそのドライバを導入する。また、酸化剤供給流量を現在の1.5倍まで増加させ、燃焼器内酸化剤充填速度を音速まで増加させる。以上、2点の改善を行い、1000ヘルツの繰り返し周波数を達成する。現在までに、デトネーション波によって生じる高圧既燃ガスの逆流によって繰り返し周波数が制限されてしまう問題が浮上した。燃焼器内の既燃ガス流動を検知可能なイオンプローブを多数配置し、数値計算との比較を行いながら燃焼器内部流動を理解・モデル化する。

Causes of Carryover

2年目に達成したパルスデトネーション燃焼器の800ヘルツ作動は燃料インジェクタの応答性が原因であった。より高い繰り返し周波数を達成するため、3年目に新たに高応答インジェクタを導入するために研究費の一部を次年度に繰り越した。

Expenditure Plan for Carryover Budget

これまで使用してきたソレノイド型インジェクタに変えて、ピエゾ型インジェクタの購入費用に充てる。

Research Products

• [Journal Article] Flight Validation of a Rotary-Valved Four-Cylinder Pulse Detonation Rocket (2016)
  • Author(s): K., Matsuoka, T., Morozumi, S., Takagi, J., Kasahara, A., Matsuo, and I., Funaki
  • Journal Title: Journal of Propulsion and Power Volume: 32 Pages: 383-391
  • DOI: 10.2514/1.B35739
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal Spray using a High-Frequency Pulse Detonation Combustor Operated in the Liquid-Purge Mode (2016)
  • Author(s): T., Endo, R., Obayashi, T., Tajiri, K., Kimura, Y., Morohashi, T., Johzaki, K., Matsuoka, T., Hanafusa, S., Mizunari
  • Journal Title: Journal of Thermal Spray Technology Volume: 25 Pages: 494-508
  • DOI: 10.1007/s11666-015-0354-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of High-Frequency Pulse Detonation Combustor without Purging Material (2016)
  • Author(s): K., Matsuoka, K., Muto, J., Kasahara, H., Watanabe, A., Matsuo, and T., Endo
  • Journal Title: Journal of Propulsion and Power Volume: 未定 Pages: 最終校正中
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Experimental Study of the Structure of Forward-Tilting Rotating Detonation Waves and Highly Maintained Combustion Chamber Pressure in a Two-Parallel-Plane Combustor (2016)
  • Author(s): S., Nakagami,K., Matsuoka, J., Kasahara, A., Matsuo, I., Funaki
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: 未定 Pages: 未定
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Investigation of Fluid Motion in Valveless Pulse Detonation Combustor with High-Frequency Operation (2016)
  • Author(s): K., Matsuoka,, K., Muto, J., Kasahara, H., Watanabe, A., Matsuo, T., Endo
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: 未定 Pages: 未定
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Thrust Performance of Rotary-Valved Four-Cylinder Pulse Detonation Rocket Engine (2015)
  • Author(s): K., Matsuoka, R., Sakamoto, T., Morozumi, J., Kasahara, A., Matsuo, and I., Funaki
  • Journal Title: Transactions of the JSASS Volume: 58 Pages: 193-203
  • DOI: 10.2322/tjsass.58.193
  • Peer Reviewed
• [Presentation] パルスデトネーション燃焼器の高周波数運転手法 (2016)
  • Author(s): 松岡 健, 武藤 浩平, 笠原 次郎, 渡部 広吾輝, 松尾 亜紀子, 遠藤 琢磨
  • Organizer: 平成27年度衝撃波シンポジウム
  • Place of Presentation: 熊本市、熊本県
  • Year and Date: 2016-03-07 – 2016-03-09
• [Presentation] パルスデトネーション燃焼器に関する実験的研究 (2016)
  • Author(s): 松岡 健, 笠原 次郎, 松尾 亜紀子, 船木 一幸, 遠藤 琢磨
  • Organizer: 平成27年度航空宇宙空力シンポジウム
  • Place of Presentation: 指宿市、鹿児島県
  • Year and Date: 2016-01-22 – 2016-01-23
• [Presentation] 高周波数パルスデトネーション（PD）技術の開発と溶射への応用 (2016)
  • Author(s): 遠藤 琢磨, 松岡 健, 花房 龍男
  • Organizer: 日本溶射学会西日本支部平成27年度第２回講演会
  • Place of Presentation: 大阪市、大阪府
  • Year and Date: 2016-01-19
• [Presentation] Development of High-Frequency Pulse Detonation Combustor without Purging Material (2016)
  • Author(s): K., Muto, K., Matsuoka, J., Kasahara, H., Watanabe, A., Matsuo and T., Endo
  • Organizer: AIAA SciTech 2016
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2016-01-04 – 2016-01-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Performance Evaluation of 3N-Class Pulse Detonation Thruster using Liquid Purge Method (2016)
  • Author(s): S., Takagi, K., Hosono, K., Matsuoka, J., Kasahara, A., Matsuo and I., Funaki
  • Organizer: AIAA SciTech 2016
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2016-01-04 – 2016-01-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] One-Dimensional Numerical Investigation on Purging the Burned Gas by the Evaporation of Water Droplets in Pulse Detonation Combustor (2016)
  • Author(s): H., Watanabe, A., Matsuo, K., Muto, K., Matsuoka, J., Kasahara, and T., Endo,
  • Organizer: AIAA SciTech 2016
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2016-01-04 – 2016-01-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙機の姿勢制御用3N級パルスデトネーションスラスターの動作特性に関する研究 (2015)
  • Author(s): 松岡 健, 高木 駿介, 細野 恵介, 笠原 次郎, 松尾 亜紀子, 船木 一幸
  • Organizer: 第53回燃焼シンポジウム
  • Place of Presentation: つくば市、茨城県
  • Year and Date: 2015-11-16 – 2015-11-18
• [Presentation] Development of a Liquid-Purge Method for Valveless Pulse Detonation Combustor using Liquid Fuel and Oxidizer (2015)
  • Author(s): K., Matsuoka, K., Muto, J., Kasahara, H., Watanabe, A., Matsuo and T., Endo
  • Organizer: 25th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems
  • Place of Presentation: Leeds, UK
  • Year and Date: 2015-08-02 – 2015-08-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Heating and Acceleration of Particles by High-Frequency Pulsed Detonations (2015)
  • Author(s): T., Endo, R., Obayashi, T., Tajiri, K., Kimura, Y., Morohashi, T., Johzaki, and K., Matsuoka
  • Organizer: 25th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems
  • Place of Presentation: Leeds, UK
  • Year and Date: 2015-08-02 – 2015-08-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 燃料液滴パージ法によるパルスデトネーション燃焼器の高周波数作動 (2015)
  • Author(s): 松岡 健, 武藤 浩平, 笠原 次郎, 渡部 広吾輝, 松尾 亜紀子, 遠藤 琢磨
  • Organizer: 第47回流体力学講演会
  • Place of Presentation: 目黒区、東京都
  • Year and Date: 2015-07-02 – 2015-07-03
• [Presentation] 水液滴蒸発による既燃ガス排出に液滴配置距離及び直径分布が与える影響に関する一次元数値解析 (2015)
  • Author(s): 渡部 広吾輝, 松尾 亜紀子, 武藤 浩平, 松岡 健, 笠原 次郎, 遠藤 琢磨
  • Organizer: 第47回流体力学講演会
  • Place of Presentation: 目黒区、東京都
  • Year and Date: 2015-07-02 – 2015-07-03
• [Presentation] デトネーションエンジンの研究開発とその現状 (2015)
  • Author(s): 笠原 次郎，松尾 亜紀子，船木 一幸，松岡 健
  • Organizer: 日本航空宇宙学会第46期年会講演会
  • Place of Presentation: 文京区、東京都
  • Year and Date: 2015-04-16 – 2015-04-17
• [Remarks] 研究内容、業績等
  • URL: http://www.prop.nuae.nagoya-u.ac.jp/member03.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] パルスデトネーション燃焼装置及びその燃焼方法 (2015)
  • Inventor(s): 松岡健, 笠原次郎, 武藤浩平
  • Industrial Property Rights Holder: 松岡健, 笠原次郎, 武藤浩平
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2015-251952
  • Filing Date: 2015-12-24