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回転デトネーションエンジン

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回転デトネーションエンジン( RDE、rotating detonation engine ) は、一つまたは複数の爆轟反応が、環状流路内を連続的に周回する圧力上昇燃焼の一形態を利用したエンジンである。数値シミュレーションと実験結果は、RDE が輸送やその他の応用目的に利用できる可能性を秘めていることを示している[1] [2]。

マーシャル宇宙飛行センターにてテスト中のプロトタイプRDE

デトネーション、爆轟では火炎前線は超音速で拡大するため、理論的には従来の爆燃によるものより25% も効率的である[3]。このような効率の向上は、燃料の大幅な節約につながる[4] [5]。デトネーションを利用したエンジンには他にパルス・デトネーション・エンジン（PDE）がある。

RDE の基本的な概念は、円形のチャネル (環状流路) 内を移動するデトネーション波である。燃料と酸化剤は通常は小さな穴またはスリットからチャネルに注入される。デトネーションは、何らかの形で着火され燃料/酸化剤混合物で開始される。エンジンが始動した後、デトネーションは自立して継続する。 1回の爆発で燃料と酸化剤の混合物が点火され、爆発を維持するために必要なエネルギーが放出される。燃焼生成物はチャネルから膨張し、入ってくる燃料と酸化剤によってチャネルから押し出される [2]。

開発[編集]

RDE の開発には多くの団体が取り組んでいる。

NASA[編集]

グレン研究センターのダニエル・パクソン[6]は、数値流体力学（CFD）のシミュレーションを利用し、RDE のデトネーション基準フレームを評価して、その機能をPDE と比較した[7]。その結果、彼はRDE が少なくとも PDE と同じレベルで機能することを発見した。さらに、RDE の機能は PDE と本質的に同じであるため、直接の比較ができることも確認した。

2023年1月25日、NASA は初のフルスケール回転デトネーションロケットエンジン（RDRE）のテストに成功したと報告した。このエンジンは4,000 lbf (18 kN)の推力を発生させた。NASA は次の研究ステップとして、10,000-重量ポンド (44 kN)の推力ユニットを作成する意向を表明した[8]。2023年12月20日、実物大のRDRE 燃焼装置が251秒のあいだ運転され、5,800-重量ポンド (26 kN)を超える推力を達成した。米国アラバマ州ハンツビルにある NASA のマーシャル宇宙飛行センターで撮影されたテストスタンドのビデオで点火が実証されている[9]。

エアロジェット・ロケットダイン[編集]

2010年以来、2017年までに、エアロジェット・ロケットダイン 社は、複数の組合せからなるRDE ロケットのテストを520回以上実施してきた[10]。

アメリカ海軍[編集]

アメリカ海軍 も開発を後押ししてきた[11]。海軍研究所 (NRL) の研究者はRDE などのデトネーションエンジンが船舶の燃料消費量を削減する可能性に特に興味を持っている[12][11]。RDE を現場で使用するには、まだいくつかのハードルがあり、2012年時点で、NRL の研究者は RDE の仕組みをより深く理解することに重点を置いていた[13]。

パーデュー大学[編集]

2016年5月、アメリカ空軍 に所属する研究者チームが、液体酸素 と 天然ガス を推進剤として使用する回転デトネーション ロケット エンジンを開発した[14]。パーデュー大学 では追加のRDE テストが実施された。これには「光学的非侵入実験測定用デトネーションリグ (DRONE)」と呼ばれるテスト事項、つまり「ラップされていない」半境界線形デトネーションチャネル実験が含まれる[15]。IN Space LLCは米空軍との契約に基づき、パデュー大学で2021年に液体酸素と気体メタンを使用し、22,000 N (4,900 lbf)の推力を発するRDRE をテストした[16]。

セントラルフロリダ大学[編集]

2020年5月、米空軍に所属する工学研究者のチームは、水素/酸素燃料混合物で動作して200 lbf (890 N)の推力を生み出すことができる、高度に実験的なRDE の実働モデルを開発したと主張した[17]。

2021年にこのグループはランプ角度が30度の斜めデトネーション波エンジンの実証試験に成功した[18][19]。

DARPA[編集]

DARPAはRTXと協力し、超音速空中発射スタンドオフミサイルへのRDE の応用を研究している[20][21]。DARPAは2024年3月にRDRE エンジンのテストに成功したVenus Aerospace とも協業している[22]。

ゼネラル・エレクトリック[編集]

2023 年に GE は、マッハ 2.5 クラスのターボファンと回転デトネーションデュアルモードラムジェット (RD-DMRJ) を組み合わせた小規模な実験室用タービンベース複合サイクル (TBCC) システムの実証試験に成功した。この試験はプログラム開始から18か月で実施された。同社は、マッハ5を超える速度の飛行をする場合に必要な、超音速気流の存在下での圧縮された燃料と空気の混合物の回転デトネーションの達成を報告した[23]。

JAXA[編集]

宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、2021年7月27日、観測ロケットS-520-31号機の2段目として搭載した500N 級のRDE により、世界で初めての宇宙実験に成功した[24]。推進剤はメタンと酸素が用いられた。エンジンシステムの名称は深宇宙探査用デトネーションエンジンシステムであった[25]。

PDエアロスペース[編集]

PDエアロスペースは2022年4月5日に世界初のジェット/ロケット切り替え式RDE の実証実験を行った[26]。

エネルゴマッシュ[編集]

ロシアのドミトリー・ロゴージン副首相によると、2018年1月中旬にNPOエネゴマシュ社は2トンクラスの液体燃料 RDE の初期テストフェーズを完了し、宇宙打ち上げ機で使用するためのより大きなモデルを開発する予定[27]。

ワルシャワ航空研究所[編集]

2021年9月15日、ワルシャワ航空研究所（英語版）は、液体ロケット推進剤を動力源とするRDRE を搭載した実験的なロケットの飛行試験に初成功した。このテストは2021年9月15日、ポーランドのワルシャワ近郊にあるジエロンカの軍備技術研究所の試験場で行われた。ロケットエンジンは計画通り3.2秒間作動し、ロケットを約90m/sの速度まで加速させ、高度450mまで到達させた[28]。

中国科学院[編集]

2021年、中国科学院の機械研究所は、灯油を燃料とする世界初の極超音速デトネーション波エンジンの試験に成功した。このエンジンはマッハ9で飛行機を推進することができると主張されている[29]。

北京動力機械研究所[編集]

2023年、研究者達はハイブリッド空気吸入エンジンのデモユニットを発表した。これはマッハ7未満での推進用の連続 RDE と、マッハ16までの速度で使用するための スクラムジェットエンジン を組み合わせたもの。斜め衝撃波（英語版）は静的であり、安定している。北京動力機械研究所は中国を代表するラムジェットエンジン製造会社である[30]。

重慶大学工業技術研究所/TWR[編集]

2023年初頭、中国は世界初のRDE ドローンの飛行に成功した。飛行は 甘粛省 の非公開の飛行場で行われた。 FB-1 RDE は重慶大学工業技術研究所と民間企業である Thrust-to-Weight Ratio Engine (TWR) によって共同で開発された[30]。

その他の研究機関[編集]

別の実験では、RDE の流動場をより深く理解するため、数値解析の手法が使用されている[31]。2020 年のワシントン大学における研究では、環状部の幅などのパラメータを制御できる実験装置が検討された。

出典[編集]

  1. ^ Lu, Frank; Braun, Eric (7 July 2014). “Rotating Detonation Wave Propulsion: Experimental Challenges, Modeling, and Engine Concepts”. Journal of Propulsion and Power (The American Institute of Aeronautics and Astronautics) 30 (5): 1125–1142. doi:10.2514/1.B34802. https://semanticscholar.org/paper/11f05d2949e7955030538aac1b2c1a910c3c75c8. 
  2. ^ a b Wolanski, Piotr (2013). “Detonative Propulsion”. Proceedings of the Combustion Institute 34 (1): 125–158. doi:10.1016/j.proci.2012.10.005. 
  3. ^ “В России испытали модель детонационного двигателя для ракет будущего”. Российская газета. (2018年1月18日). https://rg.ru/2018/01/18/levochkin-vozmozhnost-sozdaniia-detonacionnogo-dvigatelia-podtverdilas.html 2018年2月10日閲覧。 
  4. ^ Cao, Huan; Wilson, Donald (2013). “Parametric Cycle Analysis of Continuous Rotating Detonation Ejector-Augmented Rocket Engine”. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. doi:10.2514/6.2013-3971. ISBN 978-1-62410-222-6 
  5. ^ Schwer, Douglas; Kailasanath, Kailas (25 September 2010). “Numerical Investigation of the Physics of Rotating Detonation Engines”. Proceedings of the Combustion Institute (Elsevier, Inc.) 33 (2): 2195–2202. doi:10.1016/j.proci.2010.07.050. 
  6. ^ “Daniel E. Paxson - Controls and Dynamics Branch Personnel”. www.grc.nasa.gov. 1999年8月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年2月20日閲覧。
  7. ^ “UCSB Full Bib - External Link”. pegasus.library.ucsb.edu. 2015年11月9日閲覧。[リンク切れ]
  8. ^ “NASA Validates Revolutionary Propulsion Design for Deep Space Missions”. www.nasa.gov (2023年1月25日). 2023年1月26日閲覧。
  9. ^ “NASA の 3D プリント回転デトネーションロケットエンジンテスト”. www.nasa.gov (2023年12月20日). 2023年12月21日閲覧。
  10. ^ “Recent Advances in Power Cycles Using Rotating Detonation Engines with Subcritical and Supercritical CO2”. Southwest Research Institute. 2017年3月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年3月20日閲覧。
  11. ^ a b “How the Rotating Detonation Engine Works”. HowStuffWorks (2013年3月8日). 2024年7月18日閲覧。
  12. ^ Niemeyer, Kyle (2012-11-06). “US Navy developing rotating detonation engine”. Physics Today. doi:10.1063/PT.5.026505. ISSN 0031-9228. http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/news/news-picks/usnvydevelopingrottingdetontionengine-a-news-pick-post. [リンク切れ]
  13. ^ “Navy Researchers Look to Rotating Detonation Engines to Power the Future”. U.S. Naval Research Laboratory. 2022年3月14日閲覧。
  14. ^ Purdue LOX/NG RDE - HotFire - YouTube
  15. ^ Slabaugh, Carson (2018年). “地上タービン システムにおける圧力ゲイン燃焼の推進”. netl.doe.gov. Department of Energy. 2022年11月5日閲覧。
  16. ^ “ROTATING DETONATION ROCKET ENGINES (RDRE)”. afresearchlab.com. Air Force Research Laboratory (2022年). 2022年11月5日閲覧。
  17. ^ “World-first "impossible" rotating detonation engine fires up”. New Atlas (2020年5月5日). 2020年5月6日閲覧。
  18. ^ “UCF Oblique Wave Detonation Engine”. www.infinitymasculine.com. 2024年6月7日閲覧。
  19. ^ Thornton, Mason R.; Rosato, Daniel A.; Ahmed, Kareem A. (2022-01-03). Experimental Study of Oblique Detonation Waves with Varied Ramp Geometries. American Institute of Aeronautics and Astronautics. doi:10.2514/6.2022-1753. ISBN 978-1-62410-631-6. https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.2022-1753. 
  20. ^ Salvatore, Buccellato. “Gambit”. darpa.mil. 2023年12月3日閲覧。
  21. ^ “RTX to development rotating detonation engine for DARPA”. 2023年12月3日閲覧。
  22. ^ Szondy, David (2024年3月11日). “Video: Hypersonic rotating detonation engine in sustained test burn”. New Atlas. 2024年4月4日閲覧。
  23. ^ Trimble, Steve (2023 年 12 月 19 日). “Rotating Detonation Sparks GE Path To Hypersonic Future | Aviation Week Network”. aviationweek.com. 2023年12月22日閲覧。
  24. ^ “Japan Tests Explosion-Powered Rocket for the First Time in Space, Is a Success” (2021年8月19日). 2023年5月28日閲覧。
  25. ^ 『観測ロケットS-520-31号機 打上げ結果について』（プレスリリース）宇宙航空研究開発機構、2021年7月27日。https://www.jaxa.jp/press/2021/07/20210727-1_j.html。2023年5月28日閲覧。 
  26. ^ “世界初！回転デトネーションによる ジェット／ロケット切替エンジン実証成功！！”. ＰＤエアロスペース株式会社. 2023年5月29日閲覧。
  27. ^ “Facebook”. www.facebook.com. 2023年12月22日閲覧。[リンク切れ]
  28. ^ Poland launched a rocket powered by a detonation engine, (30 September 2021), https://www.youtube.com/watch?v=bc9JmPlgBy8 2021年10月7日閲覧。 
  29. ^ “中国は「世界初」の灯油動力エンジンが音速9倍のジェット機を推進できると主張” (2022年11月20日). 2024年7月18日閲覧。
  30. ^ a b Wang, Brian (2023年12月29日). “中国、極超音速飛行用最強のデトネーションエンジンを開発 | NextBigFuture.com”. 2023年12月31日閲覧。
  31. ^ Schwer, Douglas; Kailasanath, Kailas (2011-01-01). “Numerical research of the physics of rotating-detonation-engines”. Proceedings of the Combustion Institute 33 (2): 2195–2202. Bibcode: 2011PComI..33.2195S. doi:10.1016/j.proci.2010.07.050. 
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