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

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K18937
• 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
• キーワード: 航空宇宙工学 / デトネーション / 推進工学 / 輸送機器 / 熱工学

研究実績の概要

初年度は、アクチュエータを試作し、かつ、アレイ化するための予備的研究を行った。これまで開発に成功してきた回転デトネーションエンジン技術を応用して、デトネーションアクチュエータを製作し、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８５％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、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。エンジンの目標応答時間は100 ms、Ispは220 secを達成している。内筒部の半径を変化させた回転デトネーションアクチュエータ作動実験を行い、適性な作動が可能な内筒の臨界半径が15 mm程度であることを推力・可視化計測で確認した。内筒なしで、超小型のデトネーションアクチュエータが実現可能であることを実験によって確認した。特に、推力と周囲圧力、インジェクター部の流出運動量の計測によって、一次元的な膨張でありながら、既燃気体が超音速に加速していることを確認し、これまでの常識とは異なる膨張過程であることを確信させる実験結果を得た。これらの成果は、２０１８年８月ダブリン開催の国際燃焼シンポジウムの口頭発表に採択された。さらに、次年度に向けた冷却機構の検討、熱伝達計測を行い、熱伝達率の計測にも成功した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

内筒部の半径を変化させた回転デトネーションアクチュエータ作動実験を行い、適性な作動が可能な内筒の臨界半径が15 mm程度であることを推力・可視化計測で確認した。内筒なしで、超小型のデトネーションアクチュエータが実現可能であることを実験によって示すことができた。この結果は、デトネ－ションエンジン研究分野では、実験にて始めて確認されたことで、高い新規性を有するため。

今後の研究の推進方策

アレイ化したデトネーションアクチュエータを胴体・翼に埋め込み、風洞試験にて、揚力、抗力、回転力、推力を計測する。胴体及び翼形状に対し、アクチュエータアレイを統合させ、風洞実験を行う。6分力天秤を用いて、抗力、推力、揚力、回転モーメントを計測し、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を提案する。

次年度使用額が生じた理由

単円筒デトネーションアクチュエータの研究成果が計画以上であり、翌年度に、より精度の高い加工を実施することが適切であると判断したため、経費を繰り越した。

研究成果

• [国際共同研究] California Institute of Technology(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: California Institute of Technology
• [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 ページ: 印刷中
  • 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 ページ: 印刷中
  • 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 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [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
• [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/