要旨
- 宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、名古屋大学、慶應義塾大学、室蘭工業大学と共同で2021年7月27日に観測ロケットS-520-31号機を用いたデトネーションエンジンの宇宙飛行実証を実施した。
- JAXAは観測ロケットの運用及び低弾道係数インフレータブルカプセルRATSによる追加実験データ（画像等）の回収に大きな役割を果たした。
- 飛行データの解析を実施し、メタンー酸素の推進剤が182±11 g/s で供給され、回転デトネーションエンジンの推力は518 N、比推力は290 ± 18 sec 、回転トルクは0.26 N∙mであったこと、また、圧力履歴等からエンジン作動は安定であったことを確認した。
- 公開した研究論文に対し、米国航空宇宙学会(AIAA)から、Pressure Gain Combustion Best Paper Award （圧力増大燃焼論文賞）2022が2023年1月26日に授与された。
- デトネーションエンジンが、深宇宙探査用キックモーター、ロケットの初段・２段エンジン等としての実用化に大きく近づいた。
研究概要
宇宙航空研究開発機構(JAXA)は、名古屋大学、慶應義塾大学、室蘭工業大学と共同で2021年7月27日に観測ロケットS-520-31号機を用いてデトネーションエンジンの宇宙飛行実証を実施しました。JAXAは観測ロケットの運用及び低弾道係数インフレータブルカプセルRATSによる実験データの回収に大きな役割を果たしました。その後飛行データの解析を実施し、メタンー酸素の推進剤が182±11 g/s で供給され、回転デトネーションエンジンの推力は518 N、比推力は290 ± 18 sec 、回転トルクは0.26 N∙mであったこと、また、圧力履歴等からエンジン作動は安定であったことが確認され、論文として結果を公開しました。本研究の成果によって、デトネーションエンジンは、深宇宙探査用キックモーター、ロケットの初段・2段エンジン等としての実用化に大きく近づくことになります。
研究背景と内容
デトネーションエンジンは極めて高い周波数（1～100kHz）でデトネーション波や圧縮波を発生させることにより反応速度を格段に高めることで、ロケットエンジンを革新的に軽量化し、また、推力を容易に生成することで高性能化します。現在、宇宙用高性能エンジンとして、実用化を視野に入れた研究が日欧米で活発に行われています。
本共同研究グループは、2021年7月27日に観測ロケットS-520-31号機の第２段を用いてデトネーションエンジンの宇宙飛行実証を実施しました。その後、飛行データの解析を実施し、メタンー酸素の推進剤を182±11 g/s で供給し、エンジンの推力は518 N、比推力は290 ± 18 sec 、回転トルクは0.26 N∙mであること、圧力履歴等から安定したエンジン作動であったことが確認されました。
本研究は、米国航空宇宙学会(AIAA)のSciTech 2022で口頭発表[1]し、その後、同学会のJournal of Spacecraft and Rocket に査読付き論文２報[2, 3]にて公開しました。2023年1月26日に同学会から、口頭発表論文[1]に対しPressure Gain Combustion Best Paper Award （圧力増大燃焼論文賞）2022が授与されました。この賞は圧力増大燃研究（デトネーションエンジン研究）で2022年に米国航空宇宙学会で発表された口頭発表論文の内、優れた１件に授与されます。
図1: 回転デトネーションエンジン(RDE)から宇宙空間へ放出された排気プルーム画像(a)とその構造(b) [1, 2]。（Credit: JAXA, Nagoya University, Keio University, Muroran Institute of Technology）
図2: 回転デトネーションエンジン(RDE)システムの発生した時間平均推力（上から１段目）は518 Nであり、比推力（上から２段目）は290 ± 18 sec、回転角速度（上から３段目）は5.7 deg/s増加し、換算されたトルクで0.26 N∙mであった。燃焼器内部の圧力（上から４段目）から、安定した作動が実施されたことが分かる [1, 2]。（Credit: JAXA, Nagoya University, Keio University, Muroran Institute of Technology）
成果の意義
本宇宙飛行実証実験の成功によって、デトネーションエンジンは、深宇宙探査用キックモーター、ロケットの初段・2段エンジン等としての実用化に大きく近づくことになりました。日欧米では、すでに本研究に続く宇宙飛行実験計画が多数発表されています。
既存のロケットエンジンは、デトネーションエンジンとなることで、エンジンを軽量化し、また、高性能化することができるため、デトネーションエンジンへと置き換わっていくことになります。つまり、本研究成果は、航空宇宙機用のエンジンや、航空宇宙機のシステムを大きく変革していく、きっかけとなります。
用語説明
注1） デトネーション：
衝撃波にともなって、化学反応による熱開放が行われる燃焼現象。その伝播速度は、2 km/sにもなるため、可燃性のガスを高速で燃焼させることが可能。
注2） 回転デトネーションエンジン：
デトネーションを連続的に伝播させることで、連続的な推力を得ることができるエンジン。これまで2重円筒形状の燃焼器の底部でデトネーションを円筒の周方向に伝播させるものが多く研究されてきた。推進剤は、軸方向に噴射され、その反対方向に推力を得ることができる。
論文情報
［１］
雑誌名：AIAA SCITECH 2022 Forum Conference Paper 【受賞論文】
論文タイトル：Flight Demonstration of Detonation Engine System Using Sounding Rocket S-520-31: Performance of Rotating Detonation Engine
著者：K. Goto, K. Matsuoka, K. Matsuyama, A. Kawasaki, H. Watanabe, N. Itouyama, K. Ishihara, V. Buyakofu, T. Noda, J. Kasahara (Nagoya Univ.), A. Matsuo（Keio Univ.）, I. Funaki (JAXA), D. Nakata, M. Uchiumi (Muroran Inst. Tech.), H. Habu, S. Takeuchi, S. Arakawa, J. Masuda, K. Maehara, T. Nakao, K. Yamada (JAXA)
DOI: https://doi.org/10.2514/6.2022-0232
［２］
雑誌名：Journal of Spacecraft and Rocket 【ジャーナル論文１】
論文タイトル：Flight Demonstration of Rotating Detonation Engine Using Sounding Rocket S-520-31
著者：K. Goto, K. Matsuoka, K. Matsuyama, A. Kawasaki, H. Watanabe, N. Itouyama, K. Ishihara, V. Buyakofu, T. Noda, J. Kasahara (Nagoya Univ.), A. Matsuo（Keio Univ.）, I. Funaki (JAXA), D. Nakata, M. Uchiumi (Muroran Inst. Tech.), H. Habu, S. Takeuchi, S. Arakawa, J. Masuda, K. Maehara, T. Nakao, K. Yamada (JAXA)
DOI: https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.A35401
［３］
雑誌名：Journal of Spacecraft and Rocket 【ジャーナル論文２】
論文タイトル：Flight Demonstration of Pulse Detonation Engine Using Sounding Rocket S-520-31 in Space
著者：V. Buyakofu, K. Matsuoka, K. Matsuyama, A. Kawasaki, H. Watanabe, N. Itouyama, K. Goto, K. Ishihara, T. Noda, J. Kasahara (Nagoya Univ.), A. Matsuo（Keio Univ.）, I. Funaki (JAXA), D Nakata, M. Uchiumi (Muroran Inst. Tech.), H. Habu, S. Takeuchi, S. Arakawa, J. Masuda, K. Maehara, T. Nakao, K. Yamada (JAXA)
DOI: https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.A35394
謝辞
本研究は、2014～2022年度JAXA宇宙科学研究所宇宙工学委員会戦略的開発研究（工学）、2019～2023年度日本学術振興会科学研究費補助金特別推進研究の支援のもとで行われた。
