間欠爆轟スラスタによる人口衛星姿勢制御用スラスタの革新

• 研究課題/領域番号: 20K21046
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分24: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: 松岡 健 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (40710067)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022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); 2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2020年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
• キーワード: デトネーション / デトネーションエンジン / 人工衛星姿勢制御 / パルスデトネーションエンジン / 姿勢制御 / スラスタ / RCS / パルスデトネーション / 小型衛星 / 電気浸透流ポンプ / 間欠爆轟サイクル / パルスデトネーションサイクル / 人口衛星姿勢制御

研究開始時の研究の概要

高機動姿勢制御によるガンマ線バースト観測や人口衛星フォーメーションフライトによる地球観測に代表される、人口衛星を用いた科学・商用ミッションの高度化・多様化が加速度的に進んでいる。本研究は、高度化する人口衛星ミッションに柔軟に対応するべく、高機動かつ高精度な姿勢制御が可能な間欠爆轟スラスタ（PDT）を提案する。小型・軽量なPDTシステムを用いた微小非定常推力の測定実験を実施し、スラスタとしての姿勢制御能力を明らかにする。本研究によって既存RCSとのトレードオフ検討が初めて可能となる。本研究は既存RCSの在り方を大きく転換させる潜在的優位性を有した挑戦的研究である。

研究成果の概要

パルスデトネーションスラスタ（PDT）は、筒状燃焼器内でデトネーション波（超音速燃焼波）を間欠的に生成することで間欠的な推力を取り出す、姿勢制御システムである。従来の1液および2液スラスタと比べて、繰り返し精度の高いインパルス生成、推力応答性の向上、周波数制御による推力スロットリングが可能である。
本研究では、JAXA観測ロケットS-520-31号機を用いて実宇宙空間でのPDT作動を実施した。その結果、2ヘルツで5サイクルのPDE作動を3回（計15回のPDEサイクル）を試み、93%の成功率を達成した。また、1サイクル当たりのインパルスは5％以内の高い繰り返し精度であった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、パルスデトネーションスラスタ（PDT）が実宇宙環境で作動することを世界で初めて実証した。また、PDT作動によってロケット機軸周りの角速度を変化させることを示した。より高精度な衛星姿勢制御が期待できるPDTの作動実証は、大きな社会的意義を有する。また、間欠燃焼であっても燃焼器出口の絞りを設けることでPDTが作動し、想定通りの推力の生成を確認できた。実ミッションに向けた小型高性能のための作動モデルを構築できた点で学術的意義は高い。

研究成果

• [雑誌論文] Flight Demonstration of Pulse Detonation Engine Using Sounding Rocket S-520-31 in Space (2023)
  • 著者名/発表者名: Buyakofu Valentin、Matsuoka Ken、Matsuyama Koichi、Kawasaki Akira、Watanabe Hiroaki、Itouyama Noboru、Goto Keisuke、Ishihara Kazuki、Noda Tomoyuki、Kasahara Jiro、Matsuo Akiko、Funaki Ikkoh、Nakata Daisuke、Uchiumi Masaharu、Habu Hiroto、Takeuchi Shinsuke、Arakawa Satoshi、Masuda Junichi、et. al.
  • 雑誌名: Journal of Spacecraft and Rockets 巻: 60 号: 1 ページ: 181-189
  • DOI: 10.2514/1.a35394
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of an S-Shaped Pulse Detonation Engine for a Sounding Rocket (2022)
  • 著者名/発表者名: Buyakofu Valentin、Matsuoka Ken、Matsuyama Koichi、Kawasaki Akira、Watanabe Hiroaki、Itouyama Noboru、Goto Keisuke、Ishihara Kazuki、Noda Tomoyuki、Kasahara Jiro、Matsuo Akiko、Funaki Ikkoh、Nakata Daisuke、Uchiumi Masaharu、Habu Hiroto、Takeuchi Shinsuke、Arakawa Satoshi、Masuda Junichi、Maehara Kenji
  • 雑誌名: Journal of Spacecraft and Rockets 巻: - 号: 3 ページ: 1-11
  • DOI: 10.2514/1.a35200
  • 査読あり
• [学会発表] In-Space Flight Demonstration Results of a Detonation Engine System on Sounding Rocket S-520-31: Pulse Detonation Engine (2022)
  • 著者名/発表者名: V. Buyakofu, K. Matsuoka, K. Matsuyama, A. Kawasaki, H. Watanabe, N. Itouyama, K. Goto, K. Ishihara, T. Noda, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki, D. Nakata, M. Uchiumi, H. Habu, S. Takeuchi, S. Arakawa, J. Masuda, K. Maehara, K. Yamada, T. Nakao
  • 学会等名: 33rd International Symposium on Space Technology and Science
  • 国際学会
• [学会発表] In-Space Flight Demonstration Results of a Detonation Engine System on Sounding Rocket S-520-31: Pulse Detonation Engine (2022)
  • 著者名/発表者名: . Buyakofu, K. Matsuoka, K. Matsuyama, A. Kawasaki, H. Watanabe, N. Itouyama, K. Goto, K. Ishihara, T. Noda, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki, D. Nakata, M. Uchiumi, H. Habu, S. Takeuchi, S. Arakawa, J. Masuda, K. Maehara, K. Yamada, T. Nakao
  • 学会等名: 33rd International Symposium on Space Technology and Science
• [学会発表] Flight Demonstration of Detonation Engine System Using Sounding Rocket S-520-31: Performance of Pulse Detonation Engine (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: AIAA SciTech Forum 2021
• [学会発表] 電気浸透流ポンプを用いた超小型衛星用スラスタの研究開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 堀田 樹, ブヤコフ バレンティン, 伊東山 登, 川﨑 央, 渡部 広吾輝, 松岡 健, 笠原 次郎
  • 学会等名: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] S-520-31号機によるデトネーションエンジン実験の進捗状況：パルスデトネーションエンジンシ (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊東山 登，ブヤコフ バレンティン，野田 朋之，石原 一輝，後藤 啓介，川崎 央，渡部 広吾輝，松岡 健，松山 行一，笠原 次郎，松尾 亜紀子, 船木 一幸, 中田 大将, 内海 政春, 竹内 伸介, 岩崎 祥大, 和田 明哲, 増田 純一, 荒川 聡, 羽生 宏人, 山田 和彦
  • 学会等名: 令和2年度宇宙輸送シンポジウム
• [学会発表] 観測ロケットS-520-31号機搭載用パルスデトネーションエンジンのシステム実証研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: ブヤコフ バレンティン, 野田 朋之, 澤田 悟, ジョセフ ビクトリア, 後藤 啓介, 石原 一輝, 渡部 広吾輝, 伊東山 登, 川崎 央, 松岡 健, 松山 行一, 笠原次郎, 中田 大将, 内海 政春, 松尾 亜紀子, 船木 一幸, 竹内 伸介, 和田 明哲, 岩崎 祥大,羽生 宏人
  • 学会等名: 第64回宇宙科学技術連合講演会
• [備考] 研究代表者の研究業績
  • URL: http://www.prop.nuae.nagoya-u.ac.jp/member03.html
• [備考] 個人業績
  • URL: http://www.prop.nuae.nagoya-u.ac.jp/member03.html
• [備考] 研究代表者業績
  • URL: http://www.prop.nuae.nagoya-u.ac.jp/member03.html