極超音速燃焼(デトネーション)によって
航空宇宙用エンジンを革新する

航空宇宙工学専攻 教授
笠原 次郎

デトネーション波とは、極超音速(秒速2. 3km)で衝撃波を伴い自走的に伝播する燃焼波でありまして、管内に充填された予混合気体 (可燃性のガスと空気等を混ぜたもの)を極めて短時間(例えば1mの長さの管であれば、千分の1秒以下)で燃焼させることができます。図1(左)に、直線管内を右方向に伝播するデトネーション波の構造を示しました。このデトネーション波では、自分に含まれる衝撃波によって、予混合気体を圧縮してから、燃焼が開始されます。つまり、予混合気体は衝撃波で断 熱圧縮され高温下で化学反応を開始する(生成されるエントロピは小さくなります)ため、デトネーション波を利用したエンジンの、熱力学サイクルにおける熱効率は既存航空用ガスタービンエンジンより高くなります。このような 「予混合気体の自発的な昇圧現象」は、航空機 の燃費の向上、宇宙機用のロケットエンジンの 性能向上、エンジン機構の単純化につながるめ、世界中で活発に研究が行われています。

我々は、デトネーション現象の基礎研究に加えて、デトネーション波を間欠的(パルス)状に発生させるパルスデトネーションロケットエン ジンシステムの研究を、2000年から開始しました。2006年には地上滑走試験を、2013年11月30日には、図1(右)に示すような垂直打ち上げ 試験に成功しました。この実験は本学を代表として、筑波大学、慶應義塾大学、JAXA/ISAS、広島大学、横浜国立大学、(株)IHIエアロペースエンジニアリング、(株)ネッツの協力のもと行われました。垂直飛行での飛行実証は世界初となりました(有翼機による水平飛行は米国で過去1例あります)。この実験機には専用に開発した回転バルブ機構が搭載されています。この機構とデトネーション燃焼が、ロケットエンジンシステムを格段に軽量化することが確かめられました。

現在、実応用に向けてさらに研究を進めています。その一つとしてデトネーションを連続的に伝播させることが可能な、回転デトネーションエンジン(図2(左))があります。二重円筒管の管と管の間に燃料と酸化剤を混合しながら未燃ガス(予混合気体)を噴入します。その未燃ガスを周方向に伝播するデトネーション波で燃焼させ、既燃ガスを円筒管の軸方向に噴出し、推力を取り出します。追加される利点は、デトネーションの開始が1度のみでよいこと、大流量であり、単位面積あたりの出力が大きいことがあげられます。図2(右)には、現在本学で研究中の回転デトネーションエンジンを示します。航空宇宙機のエンジンとしてデトネーションエンジンが実用化されるよう、着実に研究をすすめて行きたいと考えています。

図1 極超音速燃焼波:デトネーションの構造及びデトネーション前後の圧力温度分布(左)とパルスデトネーションロケットの飛行実証機「Todoroki II」(右)

図2 回転デトネーションエンジンの原理図(左)と試験機(右)

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