デトネーション波を利用する「回転デトネーションロケットエンジン」の開発

セントラルフロリダ大学（UCF）はアメリカ空軍研究所（AFRL）と共同で、デトネーション波と呼ばれる爆発的な燃焼波を利用した「回転デトネーションロケットエンジン（RDRE）」を開発した。従来のロケットエンジンよりも少ない燃料でより大きなパワーを生むため、ロケットの打ち上げコストの低減が期待される。研究結果は、2020年4月公開の『Combustion and Flame』に掲載されている。

回転デトネーションは、ロケットエンジンの内部で、連続的に回転しながら伝播する爆発的な燃焼現象。適切な量の推進剤をシステムに供給することで燃焼を維持する。時速4500～5600マイル（約7200～9000km）という、音速の5倍以上の速さで燃焼エネルギーが伝播するため、エンジンボディは銅と真鍮で作り耐久性を保つ。エンジンは2重円筒形とシンプルな構造ながら効率が良いため、1960年代から研究されてきたが、使用する推進剤やそれらの混合方法など、実用化へはまだ課題が多い。

研究チームは、エンジン内部に放出する水素－酸素推進剤のバランスに着目することで、連続デトネーションが可能なシステムを開発した。適切に推進剤を供給し続ければデトネーションは続くが、適切でないと爆発するか燃焼速度が低下する。研究を主導したUCFのKareem Ahmed助教授によれば、「部分的な水素－酸素混合物の混合を高めるためには、推進剤を放出するジェットのサイズを調整する必要がある」という。

合わせて、水素燃料と一緒にトレーサーを投入し、ハイスピードカメラを使ってデトネーション波を定量化した。「正確に内部で起こっている爆発を観察し、その動きを追跡するためには、トレーサーが必要になる。デトネーション波の動きを特性化する方法の開発は、この論文のもうひとつの成果でもある」と、Ahmed助教授は語る。

研究チームは、当量比や流量を変えながら、連続した5つの共回転デトネーションを確認し、このシステムが宇宙ミッション用の上段ロケットエンジンとしての可能性があることを示した。燃料の重量を減らせるので、軽量なロケットを使って、より遠方までクリーンな宇宙探査が期待できる。

「我々はRDREにおいて初めて、水素－酸素推進剤のデトネーションの機能性と安全性を実験的に証明した」と、Ahmed助教授。今回の結果を受けて、RDRE内部の水素デトネーション燃焼について再検証しているプロジェクトもあるということだ。

デトネーション波を利用する「回転デトネーションロケットエンジン」の開発