革新的な自律圧縮爆轟物理機構の解明：多孔壁噴射器付円盤回転デトネーションエンジン

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03480
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 笠原 次郎 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60312435)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: デトネーション / 回転デトネーションエンジン / 多孔質壁噴射器 / 自律圧縮 / 熱伝達

Outline of Annual Research Achievements

平成２９年度は、円盤内直径を２種類、噴射ポートのピッチを変更した実験・数値解析を行い、平板型回転デトネーションエンジン（Nakagami et al. JPC 2016)内の最も支配的な物理現象を把握した。高速度カメラと、非コヒーレントレーザー光源を組み合わせた可視化を行った。平板型回転デトネーション燃焼器にて連続伝播するデトネーション波のシュリーレン画像、自発光画像の同時撮像を行い、インジェクション高さ、衝撃波、自発光画像の関係を得た。衝撃波後方に強い自発光領域があることを確認し、衝撃波と化学反応領域の位置関係を示した。スパークプラグの作動から5.17 msたった時点から0.11 msの間は衝撃波位置に空間的、時間的周期性が見られる点から、平板型回転デトネーション燃焼器内の流動が周期的な現象であると仮定し、インジェクション高さと自発光領域の関係を推測した。またインジェクション高さの時間平均と半径方向の輝度値の時間平均とを比較し、平均的なデトネーション波の構造を示した。また、円筒型回転デトネーションエンジンにおいては、燃焼器内圧とスロート部断面積と質量流量の関係に関して、メカニカルな閉塞関係があることを実験的に確かめ、先細部のない燃焼器においても、超音速への加速が可能であることを明かにした。また、圧力条件を広範囲に変化し、与えられた燃焼器圧と背圧の比から比推力が決定可能であることを示した。また、３ポートインジェクターを使用することで、壁面近傍を過濃として反応による損耗を低減できることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

円筒型回転デトネーションエンジンにおいては、燃焼器内圧とスロート部断面積と質量流量の関係に関して、メカニカルな閉塞関係があることを実験的に確かめ、先細部のない燃焼器においても、超音速への加速が可能であることを明かにしたことは、当初の計画になかったことであり、かつ推進工学分野においてインパクトのある成果であるため。

Strategy for Future Research Activity

(1)自律圧縮爆轟現象の昇圧メカニズムの理解に関しては、広範囲のパラメータで実験を展開する。円盤内直径、噴射条件（噴射角、噴射口ピッチ）、気体種（セルサイズ、初期圧力）を変更した、実験・数値解析を包括的に行いう。
(2) 圧力増加の限界値（10～1000）の解明に関しては、多段化・エジェクター付きエンジン（または、遠心圧縮型円盤デトネーションエンジン機構）の実験を本格化させる。高い昇圧性能を証明し、推力特性を評価し、優れた比推力を生み出し得ることを検証する。
(3) 多孔冷却壁面構造のデトネーションエンジンの熱的特性を解明に関しては、広範囲のパラメータで実験を展開する。熱流動構造を定量化できるに十分なデータの取得を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] California Institute of Technology(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: California Institute of Technology
• [Journal Article] Critical Condition of Inner Cylinder Radius for Sustaining Rotating Detonation Waves in Rotating Detonation Engine Thruster (2018)
  • Author(s): A. Kawasaki, T. Inakawa, J. Kasahara, K. Goto, K. Matsuoka, A. Matsuo, I. Funaki
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: Vol. 37 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study on a Reflective Shuttling Detonation Wave in Fan-Shaped Two-Dimensional Combustor (2018)
  • Author(s): M. Yamaguchi, K. Matsuoka, A. Kawasaki, J. Kasahara, H. Watanabe, A. Matsuo
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: Vol. 37 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Numerical Investigation on Propagation Behavior of Gaseous Detonation in Water Spary (2018)
  • Author(s): H. Watanabe, A. Matsuo, K. Matsuoka, A. Kawasaki, J. Kasahara
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: Vol. 37 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Validation of Pulse Detonation Operation in Low-Ambient-Pressure Environment (2018)
  • Author(s): K. Matsuoka, S. Takagi, J. Kasahara, A. Matsuo, T. Endo
  • Journal Title: Journal of Propulsion and Power Volume: Vol. 34 Pages: 116-124
  • DOI: 10.2514/1.B36401
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Study on Rotating Detonation Engine Performance for Sounding Rocket Experiments (2018)
  • Author(s): J. Kasahara
  • Organizer: 5th National symposium on Shock Waves, India
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Preliminary Experiments on Rotating Detonation Rocket Engine for Flight Demonstration Using Sounding Rocket (2018)
  • Author(s): K. Goto, J. Nishimura1, J. Higashi1, 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
  • Organizer: SciTech 2018, 56th AIAA Aerospace Science Meeting, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 無冷却回転デトネーションエンジン燃焼試験における熱流束評価 (2018)
  • Author(s): 森謙太, 中田大将, 内海政春, 東野和幸, 後藤啓介, 川﨑央, 松岡健, 笠原次郎
  • Organizer: 日本航空宇宙学会北部支部2018年講演会
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 重岡 俊輔, 松尾 亜紀子, 川崎 央, 松岡 健, 笠原 次郎
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 山田 泰平, 川崎 央, 松岡 健, 笠原 次郎, 松尾 亜紀子, 船木 一幸
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 渡部 広吾輝, 松尾 亜紀子, 松岡 健, 川崎 央, 笠原 次郎
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 山口 聖人, 松岡 健, 川崎 央, 笠原 次郎, 渡部 広吾輝，松尾 亜紀子
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 平成29年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 内周インジェクタ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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 第55回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 燃料-酸化剤と既燃ガスの混合状態が回転デトネーションに与える影響の数値解析 (2018)
  • Author(s): 大平 直矢，松尾 亜紀子，松岡 健，笠原 次郎
  • Organizer: 第55回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 円柱周りで不活性ガスにより閉鎖された予混合気中を伝播するデトネーションに関する二次元数値解析 (2018)
  • Author(s): 佐藤 芳孝，松尾 亜紀子，東 純一，松岡 健，笠原 次郎
  • Organizer: 第55回燃焼シンポジウム
• [Presentation] Analytical Models for the Thrust of a Rotating Detonation Engine (2017)
  • Author(s): J. Shepherd, J. Kasahara
  • Organizer: GALCIT Report
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study on Rotating Detonation Engine Performance in Low Ambient Pressure for Sounding Rocket Flight Experiment (2017)
  • Author(s): 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
  • Organizer: International Workshop on Detonation for Propulsion 2017, France
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Research and Development of Rotating Detonation Engines for the Sounding Rocket Flight Experiment (2017)
  • Author(s): J. Kasahara, K. Ishihara, J. Nishimura, S. Nakagami, K. Matsuoka, A. Matsuo, I. Funaki, H. Mukae, K. Yasuda, D. Nakata, K. Higashino
  • Organizer: International Constant Volume and Detonation Combustion Workshop, France
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical Investigation on the Effect of Fuel Supply in High Frequency Pulse Detonation Operation (2017)
  • Author(s): H. Watanabe, A. Matsuo, H. Taki, K. Matsuoka, J. Kasahara
  • Organizer: International Constant Volume and Detonation Combustion Workshop, France
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study on High-Frequency Pulse Detonation Operation, International Constant Volume and Detonation Combustion Workshop (2017)
  • Author(s): K. Matsuoka, H. Taki, J. Kasahara, H. Watanabe, A. Matsuo, T. Endo
  • Organizer: International Constant Volume and Detonation Combustion Workshop, France
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Performance Evaluation of a Rotating Detonation Engine (2017)
  • Author(s): J. Nishimura, K. Ishihara, K. Goto, S. Nakagami, K. Matsuoka, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki, H. Mukae, K. Yasuda, D. Nakata, K. Higashino, H. Moriai
  • Organizer: 26th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pulse Detonation Operation at Kilohertz Frequency (2017)
  • Author(s): H. Taki, N. Hirota, K. Matsuoka, K. Akira, J. Kasahara, H. Watanabe, A. Matsuo, T. Endo
  • Organizer: 26th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Critical Condition for Detonation Diffraction with Stable and Unstable Mixtures (2017)
  • Author(s): J. Kasahara, A. Kawasaki
  • Organizer: 26th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Study on a Rotating Detonation Turbine Engine with an Axial Turbine (2017)
  • Author(s): H. Rhee, C. Ishiyama, J. Higashi, A. Kawasaki, K. Matsuoka, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki
  • Organizer: 26th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical Investigation on the Behavior of Detonation Waves in Disk-Shaped Rotating Combustor (2017)
  • Author(s): Y. Sato, A. Matsuo, J. Higashi, C. Ishiyama, K. Matsuoka, J. Kasahara
  • Organizer: 26th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical Investigation on Detonation Behavior in a Disc-Shaped Rotating Detonation Combustor (2017)
  • Author(s): Y. Kumazawa, A. Matsuo, S. Nakagami, K. Matsuoka, J. Kasahara
  • Organizer: 26th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical Investigation on Characteristics of a Planar Detonation Wave Across Layers of Burned Gas (2017)
  • Author(s): N. Ohira, A. Matsuo, J. Kasahara, K. Matsuoka
  • Organizer: 26th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of High - Frequency Pulse Detonation Cycle with Fuel Phase Transition (2017)
  • Author(s): H. Taki, K. Takao, N. Hirota, K. Matsuoka, J. Kasahara, H. Watanabe, A. Matsuo, and T. Endo
  • Organizer: 31st International Symposium on Shock Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Research on a Long Duration Operation of a Rotating Detonation Engine (2017)
  • Author(s): J. Nishimura, K. Ishihara, K. Goto, K. Matsuoka, J. Kasahara, A. Matsuo, I. Funaki, H. Mukae, K. Yasuda, D. Nakata, K. Higashino and H. Moriai
  • Organizer: 31st International Symposium on Shock Waves
  • Int'l Joint Research
• [Book] Detonation Control for Propulsion (2018)
  • Author(s): J. Kasahara, Y. Kato, K. Ishihara, K. Goto, K. Matsuoka, A. Matsuo, I. Funaki, H. Moriai, D. Nakata, K. Higashino, N. Tanatsugu
  • Total Pages: 239
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9783319689050
• [Remarks] 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/