60年を経て、爆発推進ロケットの実現は間近に

RDEは他のロケットエンジンと基本的に同じです。燃料と酸化剤に点火し、急速に膨張しながらノズルから高速で押し出され、ロケットを逆方向に噴射します。しかし、いつものように、問題は細部に潜んでいます。SpaceXが使用するような従来の液体ロケットエンジンでは、燃料と酸化剤は大型のターボポンプなどの複雑な機械を用いて加圧され、点火室に送り込まれます。回転デトネーションエンジン（RDE）では、デトネーションの衝撃波によって圧力が供給されるため、このような加圧システムは必要ありません。

アハメド氏とその同僚が開発したRDEでは、水素と酸素が燃焼室に供給されます。細い管を用いて衝撃波を燃焼室に送り込み、デトネーション（爆発）を誘発します。圧力波が燃焼室を通過する際に、数十個の小型インジェクターからエンジン前部に供給される水素と酸素に衝突します。デトネーション波が新鮮な燃料と酸化剤に当たると、ガスの温度と圧力が急激に上昇します。これによりガスが燃焼し、ロケットエンジンから炎が噴出します。

私たちは爆発を一回限りの出来事、つまり何かが爆発したらそれで終わりと考えることに慣れています。しかし、機能的なRDEには、最初のデトネーションを持続させる必要があり、ここで「回転」部分が重要な役割を果たします。推進剤は、数十個の小さな穴が開いた特別に設計された噴射プレートを通してエンジンに供給されます。これらの穴はデトネーション波のレーストラックのように機能し、シリンダーの周りを回転します。回転波は新たな推進剤を供給し、燃焼室への燃料の流入がなくなるまで、無限ループで新たなデトネーション波を生成します。

今月初め、アーメド氏とセントラルフロリダ大学および米空軍の研究チームは、水素と酸素を推進剤とする初の回転デトネーションエンジンの試験結果を発表しました。この化学物質の混合物は、ロケットの軌道投入最終段階で上段の推進に定期的に使用されます。しかしアーメド氏によると、多くのエンジニアはこの混合物は揮発性が高すぎて回転デトネーションエンジンには使用できないと考えていたそうです。「水素は奇妙な燃料です」と彼は言います。「ほとんどのエンジニアは、水素と酸素をデトネーションエンジンで爆発させることは不可能だと思っていました。なぜなら、デトネーションエンジンではなく、一般的なロケットエンジンのように爆燃する傾向があるからです。」

エンジンが生成する波の数は、システムに注入される推進剤の量によって決まります。アハメド氏らが開発したエンジンは5波でしたが、他のRDEでは最大8波を実現しています。波の数がエンジンの性能にどのように影響するかはまだ明らかではなく、波そのものをより深く理解する必要があります。エンジンが生成する波を研究するため、アハメド氏らは推進剤に化学トレーサーを添加し、毎秒20万フレームを超える高速カメラでエンジンを撮影しました。その結果は、コンピューターのアプリケーションがハングアップしたことを知らせる、パソコンの回転するホイール「スロバー」のように見えます。

アハメド氏は、ターボポンプ機構をすべて排除すれば、ロケットの重量を約30%削減できると見積もっている。また、従来のエンジンに比べてエンジンの複雑さがはるかに軽減され、燃料効率も向上する。

爆発を巧みに利用して宇宙へ飛ばすというのは、理論上は魅力的に思えますが、実際には非常に困難です。最大の課題は、エンジン内で発生する基本的な反応を理解することです。「デトネーション波現象のほとんどは、十分に理解されていないようです」と、空軍研究所の回転デトネーションエンジン（RDE）研究を率いるウィリアム・ハーガス氏は、2018年に発表したこのプログラムに関する論文に記しています。彼は、RDEが「ロケット推進コミュニティに性能向上をもたらすかどうかを判断するには、基礎的な理解を大幅に深める必要がある」と結論付けています。

しかし、デトネーションのプロセスは信じられないほど激しく「ものすごく速い」ため、研究が難しいと、ワシントン大学応用数学の暫定ポスドク研究員であるジェームズ・コッホ氏は述べている。モーターに点火する最初のデトネーションは、わずか1センチほどの距離を時速最大4000マイル（約6400キロメートル）で伝わる衝撃波を発生させる。そして、エンジンが始動すると、炎の残りの部分から発生する回転するデトネーション波から微弱な信号を取り出すのは困難だ。

1950年代後半から60年代にかけて初期の研究が盛んに行われた後、爆発制御の複雑さが増したため、NASAをはじめとする宇宙機関は従来型エンジンの改良に注力するようになりました。それ以来、回転爆轟エンジン（RDE）の研究は水面下で進められていましたが、ここ数年で再び注目を集めています。2018年、空軍研究所の職員は、従来のロケット推進剤を使用するRDEの開発・飛行プログラムを発表しました。アハメド氏のチームが開発したエンジンはこのプログラムの成果であり、空軍は2025年までにRDEエンジンの初飛行を目指しているとアハメド氏は述べています。

RDE開発の課題を克服するため、エンジニアたちは数値流体力学（CFD）を用いてデトネーションプロセスの詳細なシミュレーションを作成しています。これは新型航空機、潜水艦、ロケットの設計にも用いられる計算技術ですが、RDEのモデル化はスーパーコンピュータの限界に挑戦することになります。「これは非常に緻密で、力ずくのアプローチです」とコッホ氏は言います。「国防総省はRDEのシミュレーションを実行しており、その実行には最先端のスーパーコンピュータで約3週間から1ヶ月かかります。」

コッホはデトネーション波をより良くモデル化する方法を見つけようと決意し、非線形波動とパターンダイナミクスと呼ばれる数学の分野に着目しました。この分野では、パターンの形成過程を数学的に記述するモデルを作成します。コッホと同僚たちが研究室で製作した小型の回転式デトネーションエンジンを始動させたところ、エンジン内で発生する基本的な物理プロセスが、スーパーコンピューターを必要とせずに、自らの数理モデルで記述できることを発見しました。「このアプローチは非常にうまくいきました」とコッホは言います。「私のノートパソコンでシミュレーションを30秒ほどで実行すれば、国防総省が3週間かけて行ったのと同等の結果が得られます。」

コッホ氏によると、この新技術は研究界で「大きな話題」となっているものの、すぐにスーパーコンピュータによるモデリングに取って代わる可能性は低いという。また、この技術はまだ抽象的であり、特定のRDEをモデル化するのに使用できない。コッホ氏は、インジェクターの数、燃料の種類、エンジンの直径、その他のパラメータを入力するだけで、特定のエンジンのシミュレーションを行えるわけではない。「そのようなことが可能になるには、まだ何年もかかるでしょう」と彼は言う。しかし、この数学モデルは、RDEの基礎物理を十分に理解し、それを実現するための重要な一歩となる。

RDEは、ロケットの改良以外にも多くの可能性を秘めている可能性があります。米国エネルギー省は、RDEを定置型発電に利用する研究に投資しており、ゼネラル・エレクトリック社などの企業はジェットエンジンへの応用を検討しています。しかし、アハメド氏によると、これらのシステムは軽量化と燃料効率の向上によって得られるメリットが非常に大きいため、まずはロケットで実用化されるでしょう。60年にわたる努力の末、爆発式ロケットエンジンはまもなく打ち上げられるかもしれません。

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