機体とエンジンの融合を目指す：デトネーションアクチュエータの研究

• 研究課題/領域番号: 17K18937
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 航空宇宙工学、船舶海洋工学およびその関連分野
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 笠原 次郎 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60312435)
• 研究分担者: 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, 准教授 (50311171) ; 松岡 健 名古屋大学, 工学研究科, 講師 (40710067) ; 川崎 央 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (20802242)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2018年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2017年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: デトネーショ / 推進工学 / 航空宇宙工学 / 熱工学 / 輸送機器 / フィルム冷却 / アクチュエータ / デトネーション

研究成果の概要

内筒なしのデトネーションアクチュエータを開発し、高速ジェットの推力特性を測定し、理論性能（適性膨張を仮定した場合）の90%以上の推力が発生することを確認した。アクチュエータは、制御信号のONが入力されば、燃料（エチレン）と酸化剤（酸素）のバルブが開となり、燃焼器部に気体が投入され、点火し、回転デトネーション波が発生し、音速の高速ジェットを生成でき、OFFにすると、停止する仕組みとした。エンジンの応答時間は100 ms、Ispは 242 secを達成している。可視化計測でも結果を確認した。また、窒素フィルム冷却機構を開発し、壁面への熱流束を抑制可能であることを実験的に確認した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究にて特性を解明するデトネーションアクチュエータを、ロケット初段胴体下部にアレイ化し、一体化した場合、大推力を得ることができ、同一直径で既存ロケットの数倍の推力を達成できる。さらにアクチュエータを機体構造材として利用することによって、既存液体ロケットの構造効率を削減可能であり。ロール含む3 自由度の制御が可能になり、再使用帰還用軌道制御エンジンとしても使用可能である。また、多数のアクチュエータを使用することで、信頼性が各段に高まる。つまり本研究は、エンジンと機体を統合することで、これまでの液体ロケットを超えた高性能の航空宇宙機を創造するという点で、挑戦的な意義を有している。

研究成果

• [国際共同研究] Purdue University(米国)
• [国際共同研究] California Institute of Technology(米国)
• [雑誌論文] A novel characteristic length of detonation relevant to supercritical diffraction (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Kawasaki, J. Kasahara
  • 雑誌名: Shock Waves 巻: - 号: 1 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1007/s00193-019-00890-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Propulsive Performance and Heating Environment of Rotating Detonation Engine with Various Nozzles (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Goto, J. Nishimura, A. Kawasaki, K. Matsuoka, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki, D. Nakata, M. Uchiumi, K. Higashino
  • 雑誌名: Journal of Propulsion and Power 巻: 35 号: 1 ページ: 213-223
  • DOI: 10.2514/1.b37196
  • NAID: 120006631544
  • 査読あり
• [雑誌論文] Critical condition of inner cylinder radius for sustaining rotating detonation waves in rotating detonation engine thruster (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Kawasaki, T. Inakawa, J. Kasahara, K. Goto, K. Matsuoka, A. Matsuo, I. Funaki
  • 雑誌名: Proceedings of the Combustion Institute 巻: 37 号: 3 ページ: 3461-3469
  • DOI: 10.1016/j.proci.2018.07.070
  • NAID: 120006631545
  • 査読あり
• [雑誌論文] Critical Condition of Inner Cylinder Radius for Sustaining Rotating Detonation Waves in Rotating Detonation Engine Thruster (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Kawasaki, T. Inakawa, J. Kasahara, K. Goto, K. Matsuoka, A. Matsuo, I. Funaki
  • 雑誌名: Proceedings of the Combustion Institute 巻: Vol. 37
  • NAID: 120006631545
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study on a Reflective Shuttling Detonation Wave in Fan-Shaped Two-Dimensional Combustor (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Yamaguchi, K. Matsuoka, A. Kawasaki, J. Kasahara, H. Watanabe, A. Matsuo
  • 雑誌名: Proceedings of the Combustion Institute 巻: Vol. 37
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical Investigation on Propagation Behavior of Gaseous Detonation in Water Spary (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Watanabe, A. Matsuo, K. Matsuoka, A. Kawasaki, J. Kasahara
  • 雑誌名: Proceedings of the Combustion Institute 巻: Vol. 37
  • 査読あり
• [学会発表] Propulsion Performance of Inner-Cylinder-Less Rotating Detonation Engine (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Yokoo, K. Goto, J. Kim, A. Kawasaki, K. Matsuoka, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki
  • 学会等名: SciTech 2019, 57th AIAA Aerospace Science Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental Performance Validation of a Rotating Detonation Engine toward a Flight Demonstration (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Goto, R. Yokoo, J. Kim, A. Kawasaki, K. Matsuoka and J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki, D. Nakata, M. Uchiumi,
  • 学会等名: SciTech 2019, 57th AIAA Aerospace Science Meeting
• [学会発表] Research and Development of Rotating Detonation Engine system for the Sounding Rocket Flight Experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Kasahara
  • 学会等名: The 8th BSME International Conference on Thermal Engineering
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Research of Rotating Detonation Engine for Space Flight System (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Kasahara
  • 学会等名: Annual Conference of State Key Lab of Explosion Science and Technology & 2018 International Workshop on Intensive Loading and Its Effect
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Research and Development of Rotating Detonation Engine System for the Sounding Rocket Flight Experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Kasahara, A. Kawasaki, K. Matsuoka, A. Matsuo I. Funaki D. Nakata, M. Uchiumi
  • 学会等名: 11th International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonations (ICPCD)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experimental Research of Rotating Detonation Engine System toward the Sounding Rocket S520 Space Flight (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Kasahara, A. Kawasaki, K. Matsuoka, A. Matsuo I. Funaki D. Nakata, M. Uchiumi, K. Higashono
  • 学会等名: International Workshop on Detonation for Propulsion 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experimental Study of a Disk-Shaped Rotating Detonation Combustor with a Low-Loss-Inlet (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Higashi, Y. Sato, J. Kasahara, A. Kawasaki, K. Matsuoka, A. Matsuo, I. Funaki
  • 学会等名: 37th International Symposium on Combustion
• [学会発表] Research and Development of Rotation Detonation Engines for Sounding Rocket Flight Experiments (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Kasahara
  • 学会等名: The 15th International Space Conference of Pacific-basin Societies (ISCOPS)
• [学会発表] Study on Rotating Detonation Engine Performance for Sounding Rocket Experiments (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Kasahara
  • 学会等名: 5th National symposium on Shock Waves
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Preliminary Experiments on Rotating Detonation Rocket Engine for Flight Demonstration Using Sounding Rocket (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Goto, J. Nishimura, J. Higashi, H. Taki, T. Ukai, Y. Hayamizu, K. Kikuchi, T. Yamada, S. Watanabe, K. Hotta, T. Inakawa, A. Kubota, M. Yamaguchi, T. Daicho, A. Kawasaki, K. Matsuoka, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki
  • 学会等名: SciTech 2018, 56th AIAA Aerospace Science Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 観測ロケットによるデトネーションエンジン推進飛行実証実験 (2018)
  • 著者名/発表者名: 笠原 次郎, 松岡 健, 川崎 央, 松尾 亜紀子, 船木 一幸, 中田 大将, 内海 政春, 東野 和幸
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] 湾曲した壁面と不活性気体に閉じられた予混合気中を伝播するデトネーションに関する数値解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 重岡 俊輔, 松尾 亜紀子, 川崎 央, 松岡 健, 笠原 次郎
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] チャネル内のデトネーション波と燃料液滴との干渉実験 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山田 泰平, 川崎 央, 松岡 健, 笠原 次郎, 松尾 亜紀子, 船木 一幸
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] 水液滴が噴霧された混合気中を伝播するデトネーションの伝播挙動に関する数値解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡部 広吾輝, 松尾 亜紀子, 松岡 健, 川崎 央, 笠原 次郎
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] 回転デトネーションロケットエンジンの推力性能に与える内筒半径の影響に関する実験的検討 (2018)
  • 著者名/発表者名: 川﨑 央, 稲川 智也, 笠原 次郎, 後藤 啓介, 松岡 健, 松尾 亜紀子, 船木 一幸
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] シュリーレン光と自発光の同時撮像による平板型回転デトネーション燃焼器内流動の可視化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 堀田 貢太郎, 劉 泰隆, 川崎 央, 松岡 健, 笠原 次郎, 松尾 亜紀子, 船木 一幸
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] 回転デトネーションタービンエンジン自律作動システムに関する研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡邊 俊, Rhee Hyun-Seung, 川崎 央, 松岡 健, 笠原 次郎, 松尾 亜紀子, 船木 一幸
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] 高周波数パルスデトネーションサイクルの可視化研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 久保田 祥矢, 松岡 健, 川崎 央, 笠原 次郎, 渡部 広吾輝，松尾 亜紀子，遠藤 琢磨
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] 扇形平行2平面燃焼器内を往復伝播するデトネーション波に関する実験的研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山口 聖人, 松岡 健, 川崎 央, 笠原 次郎, 渡部 広吾輝，松尾 亜紀子
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] 宇宙機ロール制御用S型パルスデトネーションスラスタの低背圧推進性能評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鵜飼 貴斗, 瀧 春菜, 後藤 啓介, 西村 純平, 東 純一, 速水 雄規, 松岡 健, 川崎 央, 笠原 次郎, 安田 一貴, 森 謙太, 八木橋 央光, 中田 大将, 内海 政春, 東野 和幸, 松尾 亜紀子, 船木 一幸
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] 回転デトネーションロケットエンジンのサイドホールを用いた推力方向制御に関する実験的研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 速水 雄規, 西村 純平, 川崎 央, 松岡 健, 笠原 次郎, 松尾 亜紀子, 船木 一幸
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] 低損失インレットを備える円盤型回転デトネー ション燃焼器に関する実験的研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 東 純一, 川崎 央, 松岡 健, 笠原 次郎, 佐藤 芳孝, 松尾 亜紀子, 船木 一幸
  • 学会等名: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [学会発表] Study on Rotating Detonation Engine Performance in Low Ambient Pressure for Sounding Rocket Flight Experiment (2017)
  • 著者名/発表者名: J. Kasahara, K. Matsuoka, A. Kawasaki, K. Goto, J. Nishimura, J. Higashi, H. Taki, T. Ukai, Y. Hayamizu, K. Hiroyuki, T. Yamada, S. Watanabe, K. Hotta, T. Inakawa, Y. Kubota, M. Yamaguchi, T. Daicho, A. Matsuo, I. Funaki, K. Yasuda, K. Mori, H. Yagihashi, D. Nakata, M. Uchiumi, K. Higashino
  • 学会等名: International Workshop on Detonation for Propulsion 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 最新・未来のエンジン (2019)
  • 著者名/発表者名: 笠原次郎，他
  • 総ページ数: 196
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254231472
• [備考] 推進エネルギーシステム工学研究グループ
  • URL: http://www.prop.nuae.nagoya-u.ac.jp/