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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。

目次

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。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。

内燃機関ジェットエンジン含む)は、吸入した空気を圧縮して加熱し燃料を燃焼させる事により、エンジンを駆動する出力を得る。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吸入空気の圧縮を行うため、動作域は超音速領域に限られ、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、吸入空気を亜音速まで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を超えると吸入した空気を亜音速まで減速させる事が困難になり、エンジン内で減速と圧縮がなされても吸入空気は超音速状態を維持してしまう。そこでインテークから吸入された超音速の空気を超音速のまま燃焼させるのがスクラムジェットエンジンである。吸入から排気までの燃焼過程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、マッハ5から理論値の上限であるマッハ15までの広いマッハ数域で高いエンジン効率が維持されることが期待されている。機械的圧縮機によらず、圧縮機・タービンなどを有していない簡易な構造である。

超音速気流内で燃焼を維持させなければならないため技術的難易度は高く、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ない化学反応が起こるなど実現は困難であった。また、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ず、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など、実験段階においても課題は山積していた。

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)。理由としては、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するため供給に難があるのに対し、液体水素であればそのようなことはない上にエンジンの冷却にも利用可能であることが挙げられる。反応速度を速めるために点火機自体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、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。また、初めてスクラムジェット実験機は計画的に回収される予定である。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

現在ペイロードの設計は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解析と、複数の遷移モードの数値予測に利用される。また、データーを比較することで風洞の影響を弱める研究も進められている。

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。空気を燃焼によって加熱するのではなく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。更にこの風洞は時間制限のない運用能力を有するため、長時間にわたるスクラムジェットの試験が可能である。

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。

軍事利用編集

Zircon(ジルコン)はロシアが開発中の極超音速対艦ミサイル。音速の5~6倍(時速約6100km~7400km)という高速で巡行することにより撃墜不可能とされており航空母艦を一撃で破壊できるほどの威力があるとされている。スクラムジェットエンジンを搭載することで極超音速巡行を可能にした。実戦配備されるのは早くても2020年で、ロシア重原子力ミサイル巡洋艦「ピョートル・ヴェリーキイ」に実装される予定[5][6]

注釈編集

出典編集

  • Segal, Corin (2009). The Scramjet Engine: Processes and Characteristics. New York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83815-3. 
  • Hill, Philip; Peterson, Carl (1992). Mechanics and Thermodynamics of Propulsion (2nd ed.). New York: Addison-Wesley. ISBN 0-201-14659-2. 
  • Billig, FS "SCRAM-A Supersonic Combustion Ramjet Missile", AIAA paper 93-2329, 1993.
  • Ingenito, A "Physics and Regimes in Supersonic Combustion", AIAA Journal, Volume 48, Number 3, 2010.
  • HyShot - The University Of Queensland
  • ABC's The Lab The 2002 Hyshot launch.
  • Latest results from the 24 March 2006 QinetiQ HyShot launch.
  • French Support Russian SCRAMJET Tests.
  • A Burning Question. American Scientist.
  • Hypersonic Scramjet Projectile Flys in Missile Test. SpaceDaily.
  • NASA website for National Hypersonics Plan
  • NASA's X-43A
  • University of Queensland Centre for Hypersonics
  • Australia jet dc

関連項目編集

外部リンク編集