スクラムジェットエンジン

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スクラムジェットエンジンの構造

スクラムジェットエンジンは、ラムジェットエンジンの一種であり、超音速輸送機スペースプレーンのエンジンとして開発が行われているものである。名称はsupersonic combustion ramjetの略称に由来する。

概要[編集]

超音速燃焼(Supersonic combustion)を行うラムジェットエンジンである。

ジェットエンジン(に限らず内燃機関は皆そうだが)は、吸入した空気を圧縮して燃料を燃焼する事により、エンジンを駆動する爆発を得る。ラムジェットエンジンの場合は、エンジンのインレット部において、高速航行に伴うラム圧により十分な空気の吸入・圧縮を行なうことができる。従ってラムジェットエンジンの動作域は超音速などの高速領域に限られ、マッハ3から5の間が、最も効率が良いとされる。

ラムジェットエンジンでは、流入空気を亜音速までに減速させた後に燃焼させ、出力を得ている。しかしマッハ5を超えたあたりから、吸入した空気を亜音速に減速する事が困難になる。エンジン内で減速と圧縮がなされてもなお、空気流は超音速を保ったままになる。そこで、インテイクから吸入された超音速の大気を、超音速のまま燃焼機に導き、超音速燃焼を行い、燃焼ガスが超音速でノズルから噴射されるのが、スクラムジェットエンジンである。このように吸入から排気までのエンジン全域にわたって、作動流体が音速以下に減速されることがないため、広いマッハ数域で高いエンジン性能が維持される。スクラムジェットエンジンは、マッハ5程度から、理論値の上限であるマッハ15までの広い速度域での利用が期待されている。機械的圧縮機によらず、タービンなどは有していない簡易な構造である。動圧で圧縮が行われる点から、広義のラムジェットエンジンに含まれる。

しかし超音速の気流内で燃焼させなければならないため、エンジン内で燃焼が完了しなかったり、通常の燃焼とは違う意図していない化学反応が起こったりなど、実現が困難であった。スクラムジェットエンジンの研究には高温衝撃風洞が一般に用いられるが、この装置で得られる試験時間は数十ミリ秒に過ぎない。真空槽を用いた極超音速風洞では数十秒オーダーの燃焼実験が可能だが、大規模な施設であり実験コストが非常に高い。

燃焼速度の速さが要求されるため、燃料には水素が用いられることが多い(ほとんどのジェットエンジンではケロシンを使う)。また、ケロシンなどの炭化水素系燃料は温度が高くなると粘性が変化し、供給に難があること、液体水素ならばエンジンの冷却が可能であることもあげられる。反応速度を速めるために、点火機も特殊なプラズマトーチを用いることが研究されている。

このほか、燃焼および大気内を高速航行するために発生する高熱の問題がある。エンジン内は2,600K[1](約2,300℃)にも達する可能性があり、新型の耐熱素材や効率的な冷却法の考案・開発が必要となっている。

ラムジェットエンジンと同様、静止状態では作動しないため、作動し始める速度まではロケットエンジンや他のジェットエンジンなど、別の動力により加速する必要がある。

飛行試験[編集]

再使用型宇宙往還機の大気圏内航行用エンジンとしての利用が考えられている。NASAX-15の頃には、すでにスクラムジェットエンジン向けの素材研究実験が開始されていた。

実試験機としては、X-43A実験機がスクラムジェットエンジンを装備している。NB-52Hより投下された後、空中発射型ロケットであるペガサスによってマッハ4.5まで加速され、ロケットとの分離後、X-43Aに搭載されたスクラムジェットエンジンを10秒間作動させる。2004年11月16日にはマッハ10に迫る、マッハ9.68というジェットエンジンによる飛行の速度記録を打ち立てた。日本でも研究が行なわれている[2][3]

2013年9月19日に、オーストラリアのクイーンズランド大学が2段ロケットの上にスクラムジェットを装備したScramspace-1を載せて打ち上げたが、ロケットが実験開始に必要な高度340kmにまで到達することが出来ず実験は失敗した。スクラムジェットに点火すればマッハ8まで加速する計画だった[4]

Hy-V スクラムジェット飛行実験[編集]

Hy-V計画の目標は観測ロケットに搭載してマッハ5で飛行実験する事である。現在は計画は設計の段階で2009年に打ち上げる予定である。デュアルモードスクラムジェットの最初の遷移飛行になる予定である。更に初めてスクラムジェット実験機を計画的に回収する予定である。デュアルモードのスクラムジェットは亜音速または超音速のどちらかまたは両方のモードで燃焼する。実験機はモードが遷移する事でマッハ5まで到達する。

学生は学部生と大学院生で構成されバージニア大学バージニア工科大学オールドドミニオン大学ハンプトン大学ウィリアム・アンド・メアリー大学のメンバーが含まれるバージニア宇宙機構のメンバーも参加する。計画は航空宇宙産業、NASA、国防総省が率いる。

ペイロードの設計[編集]

現在のペイロードの設計は2台の分離したスクラムジェットのダクトを持つ2台の実験機で実施できる。一つはバージニア大学の超音速風洞の大きさに合わせられ、他方はバージニア工科大学の超音速風洞の大きさに合わせられている。

飛行中のデーターはデュアルモードスクラムジェットの燃焼の理解を高め、複数の遷移モードの数値予測に利用される。同様にデーターを比較して風洞の影響を弱め、更なる理解をもたらす。

バージニア大学の風洞[編集]

バージニア大学の超音速風洞は1980年代末に航空研究所(ARL)内に建設された。以前はガス遠心力研究に用いられていた建物だったが1989年に国家宇宙委員会によってARLは純粋な研究機関として承認された。その後まもなく、マッハ25で飛行するX-30として知られるナショナルスペースプレーン計画を支援する為に風洞が建設された。

風洞は超音速燃焼能力だけでなく類稀な設計でも知られる。空気を燃焼行程を通じて加熱するよりも電気的に加熱する事によって風洞内での燃焼が不要になる。更に風洞は時間制限のないスクラムジェットの試験をする為に時間制限のない運用能力を有する。

実験機は風洞内のARLのDMSJ燃焼器の状態を再現するように設計される。空気と水素の流量を以下に示す:

空気流量

  • 総合圧力 = 330 kPa
  • 温度 = 1200 K
  • 静圧= 40 kPa
  • マッハ数 = 2


水素流量

  • 総合圧力 = 1 MPa
  • 温度 = 300 K
  • 静圧 = 200 kPa
  • マッハ数 = 1.7


DMSJ燃焼器内の状態を再現する為にスクラムジェット実験機の寸法は実物大のDMSJ燃焼器のコピーになる予定である。

注釈[編集]

  1. ^ http://fgmdb.kakuda.jaxa.jp/pdf/FGMnews-010-009.pdf
  2. ^ http://www.jaxa.jp/press/nal/20030204_engine_j.html
  3. ^ http://www.jaxa.jp/press/2006/03/20060320_ramjet_j.html
  4. ^ “SCRAMSPACE team awaits further information on launch”. University of Queensland. (2013年9月19日). http://www.uq.edu.au/news/index.html?article=26724 2013年9月21日閲覧。 

出典[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]