P03 メタン－酸素およびアセチレン－酸素混合気を用いた 単一パルスRDEの推進性能 ○三ヶ尻 脩人（大分高専専攻科），利光 和彦（福岡工大），原 耕成，瀧口 直（大分高専専攻科） デトネーションとは 実験結果 衝撃波と火炎が一体となり 爆発的に超音速で伝播する現象 燃焼状態の確認 近年，超音速飛行のための推進機関として デトネーションエンジン（DE）が注目されている 実験条件 CH4-O2, C2H2-O2 当量比1 RDEの燃焼実験 DEの分類 ・ 定在デトネ－ションエンジン(Standing Detonation Engine) ・ パルスデトネーションエンジン(Pulse Detonation Engine，以下PDE) ・ 連続スピンデトネーションエンジン（Continuous Spin Detonation Engine またはRotating Detonation Engine，以下RDE） 高速度カメラ フレームレート16000fps アセチレン－酸素混合気での1フレーム間の燃焼 目 的 最終的な目的 飛翔体または発電用などのエンジンとして使用可能な 高効率・軽量・低公害なRDEの開発 本報の目的 ・ RDEの製作 ・ メタン－酸素，アセチレン－酸素混合気での単一パルス燃焼 ・ 燃焼流れ場の可視化 ・ 弾道振り子法による推力性能評価 おおよその燃焼旋回速度 CH4-O2 ： 335m/s C2H2-O2 ： 1885m/s → ほぼデトネーション燃焼 比推力の比較 比較対象のPDE ・ 全長1000mm ・ 燃焼室容積707cm3 実験装置・実験方法 RDEの概要 混合気ベース RDEの断面図 実験方法 燃料－酸化剤充填 単一パルス燃焼 高速度カメラによる流れ場の撮影 弾道振り子法により推力測定 RDEの写真 弾道振り子法 静止状態から単発燃焼 レーザー変位計で測定 ↓ 式(1)，(2)で推力評価 弾道振り子法概略図 π 参考文献 比推力 燃料ベース 混合気ベースでの比推力の比較 燃料ベースでの比推力の比較 RDEとPDE[8]のCH4-O2混合気 ↓ Ispはほぼ一定の値 RDEのC2H2－O2混合気 ↓ 等量比φが大きくなる程 Ispは大きくなる RDEとPDE[8]のCH4-O2混合気 およびRDEのC2H2-O2混合気 ↓ Φが大きくなる程 Ispは小さくなる ↓ エアーブリージングDEにおいて 希薄燃焼が有利 RDEの最大比推力 CH4-O2：Isp=150s(φ=1.2~2.0) C2H2-O2：Isp=363s(φ=2.8) RDEの最大比推力 CH4-O2：Isp800s(φ=0.8) C2H2－O2：Isp=1100s(φ=0.6) 結論 ↓ インパルス RDE(上)とPDE(下)の比較 燃焼室容積：669cm3 ・ 二重円筒形状 ・ 開端側は大気開放 ・ 閉端側に燃料－酸化剤供給 と 着火装置を配置 ・ 燃料と酸化剤を連続的に注入 ・ 火炎は二重円筒内を周方向 にいくつかの旋回デトネーション を 形成しながら伝搬 ・ 燃焼室の軸方向長さをPDEより 短くできる ① ② ③ ④ メタン－酸素混合気での5フレーム間の燃焼 2π I = M ⋅ x⋅e ⋅ T Ft I I SP = = m g mg 2 ς (1) (2) M: 懸垂質量[kg] x: 最大変位[m] 𝜁𝜁 : 減衰係数 T: 振動周期[s] Ft: 推力[N] g: 重力加速度[m/s2] m: 推進剤燃焼量[kg/s] 本研究の結果をまとめると以下のとおりである (1) アセチレン－酸素混合気でメタン－酸素混合気の2倍以上のイン パルスおよび比推力を得ることができ，混合気ベース最高比推力 は363sでH2A固体燃料推進ブースタと同程度である． (2) アセチレン－酸素の火炎の旋回速度はおよそ1885m/sであり，デト ネーション燃焼であると考えられる． (3) メタン－酸素の燃焼におけるRDEの比推力は，混合気ベース・燃 料ベースの両方において，PDEと同程度である． (4) 燃料ベース比推力は当量比の増加に対して減少する．結果として エアーブリージングエンジンとしてデトネーションエンジンを作動さ せる場合は希薄燃焼が有利である． (5) 燃料ベース比推力では，アセチレン−酸素混合気がメタン−酸素混 合気の場合の約2倍となり，その最大値は1100sである．
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