信頼性の高い超音速燃焼を実現するナノ秒パルスパワー点火システム

Feb 18, 2024

導入

音速の数倍で飛行できる極超音速航空機の研究開発に対する注目と努力は、ここ数年で大幅に高まっています。 現実世界の家系図の 1 つの架空の描写 (2017年に発表されたロッキード・マーチンの先進開発プログラムの無人SR-72 ）は、2022 年の 10 億ドルを超える夏の大ヒット作『トップガン：マーベリック』でも重要な役割を果たしました。 極超音速飛行用に設計されたエンジンは、先進的な極超音速兵器として国家安全保障に、地球低軌道にアクセスするための再利用可能なステージとして宇宙探査に、そして世界中の乗客を高速かつ長距離で航空輸送する手段として民間航空に革新的な用途を持っています。

極超音速飛行における大きな課題の 1 つはフレームアウトです。 フレームアウトとは、エンジンの燃焼器内の火炎の消滅による推進力の損失です。フレームアウトは、燃料の枯渇、高度の超過、降水量の多さ、周囲温度の非常に低いなど、さまざまな理由で発生する可能性があります。 初期のジェット エンジンは、吸気流の乱れやスラスト レバーの突然の動きによってフレームアウトが発生しやすく、その結果、燃焼室内の空燃比が不正確になります。 最新のエンジンはより堅牢であり、多くの場合デジタル制御されているため、すべてのエンジンパラメータをより効果的に制御してフレームアウトを防止し、フレームアウトが発生した場合には自動再始動を開始することもできます。

しかし、極超音速では、燃焼器を通過する空気の流速が信じられないほど速く、高高度を飛行し、最大対気速度を達成するために必要な空気抵抗が減少するため、再点火の課題はさらに増大します。

速く走れば走るほど点火は難しくなる

によるとNASA 、フレームアウトが発生したら、できるだけ早くエンジンを再点火することが重要です。 しかし、フレームアウトを引き起こした条件は、再点火を困難にする条件と同じです。 最初のステップは、再点火に適した低高度まで降下することです。 ミッションによっては問題が発生する可能性があります。 再点火を試みるには、エンジン点火装置を点火することによって、点火核 (高エネルギー流とフリーラジカルのポケット) が燃焼室に導入されます。 カーネルは火炎面に発展し、カーネルの初期状態と乱流の展開に応じて、最終的に火炎の安定化または消滅に達します。 強い乱流と、点火火花を確実に放出させることがエンジンの再点火を困難にしています。

こうした再点火の問題は、スクラムジェットのような先進的なエンジンではさらに複雑になります。 スクラムジェット (超音速燃焼ラムジェット) は、ラムジェット空気呼吸ジェット エンジンの一種で、超音速気流の中で燃焼が起こります。 空気流は、回転要素を必要としない吸気システムを通じて動的に圧縮され、燃料と酸化剤は燃焼器内で超音速条件下で燃焼します。 しかし、このような高速度では、反応物が燃焼するために利用できる総滞留時間は通常、超音速の流れでミリ秒の何分の一であるため、混合および燃焼プロセスを燃焼器の長さ内に簡単に収めることはできません。 別のポートを介して燃焼器に噴射される燃料は、燃焼化学反応が起こるために、吸入空気流中に存在する酸素と分子レベルで混合される必要があります。 したがって、せん断層内の大規模な乱流構造が成長し、反応物間のマイクロスケールの混合を引き起こす小さな渦にカスケードするために、十分な滞留時間を割り当てる必要があります。 この成長速度の減衰は、必要な混合を遅くする圧縮性の影響により、超音速で発生します。 最終的に、燃料と酸化剤は化学的な順序で混合されて燃焼します。

つまり、スクラムジェットの超音速燃焼という課題は、サイクロンの中でマッチに火をつけるのと同じくらい難しいのです。