宇宙エンジンシステム

スペースエンジンシステムズ社（SES）はカナダの航空宇宙企業であり、カナダのアルバータ州エドモントンに拠点を置いています。^[1]同社の主な焦点は、再利用可能なスペースプレーンと極超音速巡航車両に動力を供給する軽量多燃料推進システム（DASSエンジン）の開発です。開発中のポンプ、コンプレッサー、ギアボックス、およびその他の関連技術は、SESの主要な研究開発プロジェクトに統合されています。SESはカルガリー大学と協力して、ナノテクノロジーと高速空気力学の重要な技術分野の技術を研究および開発しています。

Space Engines Systems Inc.は、航空宇宙分野でDASSエンジンと関連技術を開発するために2012年に設立されました。Space Engine Systemsのプロモーターは、20年以上にわたってエンジンの開発に携わってきました。^[2]スピンオフアプリケーションとして、新しいポンプ、コンプレッサー、ギアボックスシステムを航空宇宙産業にもたらすために協力しています。2012年5月10日、SESはファーンボロー航空ショー（2012年7月9日〜15日）で会社の立ち上げを公式に発表しました。^[3] 8月6日、同社はAUVSIのUnmanned Systems North Americaへの参加を発表しました。^[4] SESは、2013年、2015年、2017年のパリ航空ショーや2014年、2016年、2024年の ファーンボロー航空ショーなど、航空宇宙分野の主要な国際見本市に頻繁に参加しています。

DASS エンジンは、広範囲の車両飛行マッハ数(静止から極超音速) にわたって推力を生成できる予冷 複合サイクル 推進コンセプトです。エンジンの派生品は、SSTO車両、長距離ミサイル、極超音速輸送機の推進に使用できます。エンジンは、さまざまな車両とミッション プロファイルに柔軟に対応できるように開発されています。このコンセプトでは、従来のガスタービンコンポーネントなどの既存の航空宇宙技術とナノテクノロジーの新しい開発を使用して、過熱と燃料貯蔵に関連する主要な技術的障害のいくつかを克服します。高速飛行では、流入する空気の動圧が非常に高く、空気力学的減速によって静圧と温度が上昇します。温度は、従来のターボジェットのコンプレッサーブレードの材料限界を超える可能性があります。この問題を軽減する戦略は、機械的圧縮の前にガス温度を下げるために、入口の下流に熱交換器を配置することです。深冷却ターボジェットエンジン^[5]や液化空気サイクルエンジン（LACE ）と同様に、DASSエンジンで流入する空気から抽出されたエネルギーは、燃料ストリーム内の 顕熱として下流のシステムに戻されます。

DASSエンジンのコンセプトは、熱交換プロセスをさまざまな方法で改善します。表面ナノコーティング^[6]を内部熱交換器に施すことで、対流熱伝達率を高め、熱交換器の質量を減らし、不要な空気力学的閉塞を減らします。金属ナノ粒子を吸気コーンから吸入空気に散布することで、熱伝達をさらに高めます。この粒子は補助燃料として機能し、下流の流量制御装置の動作を補助します。金属燃料は水素に比べて貯蔵特性が優れており、体積あたりのエネルギー密度が優れていることが知られています。 ^[7]水素とホウ素ナノ粒子の組み合わせがエンジンの燃料として検討されています。

DASSエンジンが従来のロケットエンジンに比べて高速飛行において優れている点は、空気吸入モードで大気中の酸素を利用できることである。空気吸入エンジンの比推力（I _{sp ）は、幅広い}マッハ数にわたってロケットよりも優れている。この利点により、より大きなペイロード質量分率を実現できる可能性がある（例えば、NASPからLEOへの4% ^[8]に対し、 Soyuz-2からLEOへの2.6%）。空気吸入エンジンに伴うより高いI _{sp は、}超音速燃焼ラムジェットエンジン開発の主な動機である。空気吸入エンジンは、通常、ロケットに比べて推力対重量比が低い。そのため、DASSエンジンはリフティングボディ車両に統合される。SSTO車両の場合、車両質量の低減とペイロード質量分率の増加は、運用コストの低減につながる。^[9]輸送の場合、極超音速で移動できると、長距離をカバーするのに必要な時間が大幅に短縮されます。極超音速巡航車両が動作する高度は通常、従来の輸送機よりもはるかに高くなります（A2 ^{[10]の場合は30 km、} A380の場合は13.1 km）。これらの高高度では空気密度が低いため、車両全体の抗力が減少し、効率がさらに向上します。現在の研究開発は、高度30 kmでのマッハ5巡航でのエンジン動作に焦点を当てています。30 kmはまだ宇宙の端と考えられている高度（100 km ）よりも大幅に低く、低地球軌道（約200 km）よりもはるかに低いことに注意してください。したがって、DASSエンジンが目標の30 kmおよびマッハ5の動作条件を超えて動作するように、設計が変更されます。高度が高くなると空気密度が低下するため、十分な入口質量捕捉を達成するために車両をより速く移動する必要があります。さらに高い高度では、DASS エンジンは、流路内のロケット モーターで使用するための酸化剤を搭載して保管する必要があります。目標は、ロケット モードに切り替える前に、空気吸入モードで動作しているときに、 軌道速度の主要な要素を達成することです。

低速飛行では、DASS エンジンは、従来の炭化水素燃料で稼働する機内ターボジェットのみに依存します。可変ジオメトリ吸気 (PCT 特許出願中) により、熱交換器 (この段階では動作していません) との間に大きな隙間を形成できるため、吸気圧力損失が最小限に抑えられます。このモード中は、バイパスが閉じられ、すべての空気がターボジェット コアで処理されます。排気ノズル (PCT 特許出願中) は、最適な比推力を得るために亜音速モードで収縮します。エンジンが超音速まで加速すると、吸気の連結部分が熱交換器 (PCT 特許出願中) に直接流れ込みます。液体水素燃料が熱交換器を通過し、エンジン圧縮前の空気の温度が下がります。空気の一部はターボジェット コアをバイパスし、アフターバーナー セクションで熱交換器から排出される水素と混合されます。熱伝達の大きさは、アフターバーナーでの燃焼に使用できる水素の量と連動していることに注意してください。燃焼生成物は、次に超音速ノズル、可変形状ノズルを通って膨張します。エンジンは、推力を最適化するために空気を完全に消費するように設計されます。バイパスのレベルは、超音速飛行モード全体で変化します。エンジンはマッハ 4 で動作し、従来のラムジェットを超える推力を提供できます。マッハ数が高い場合 (約 4.88)、空気をターボジェットの限界 (1200K) 以下に冷却することはできません。その結果、コア ターボジェットでは燃焼が発生せず、エンジンは純粋なラムジェット モードに移行する必要があります。可変インレットは、水素を使用したラムジェット燃焼の吸気口と出口の面積比を最適化しながら、ターボジェットへの空気のアクセスを完全にブロックするために引き続き機能します (PCT 特許出願中)。エンジンは、熱交換器の冷却効果による効率の向上を実現します (ただし、このモードでは大幅に低下します)。最終飛行速度は、水素燃料のラムジェットの速度に制限されます。

DASS GN XおよびDASS GN1エンジンの目標は、静止状態から極超音速（M~5）および高高度（h~30 km）まで、飛行経路全体にわたって低い燃料消費量で効率的な推力を提供し、小型ロケットステージで車両を軌道に乗せることです。エンジンは複数の燃料（水素、炭化水素、金属燃料）で動作します。各タイプの燃料には利点があります。炭化水素燃料は通常、成熟した/従来の技術であると考えられているターボジェット/ターボファンエンジンで使用されます。このエンジンは低速で推力を提供します。水素は熱容量が大きい（~14 kJ/kgK）ため、^[11]熱交換器（特許出願中）の優れたヒートシンクになります。また、あらゆる燃料の中で単位質量あたりのエネルギー含有量が最も高く、軽い分子です。その結果、低い燃料消費量で大きな推力レベルを提供できます。金属燃料は貯蔵性に優れ、単位体積あたりのエネルギー含有量が高く、対流熱伝達を補助することができます。また、ナノスケールでの燃焼特性も優れています。

DASS GN 1 と DASS GN X の主要技術コンポーネントは非常に似ています。DASS GN1 は航空宇宙専用で、DASS GN X は宇宙用途専用です。エンジンのプロトタイプは地上および飛行テスト用に計画されています。

以下の表は、DASS エンジンと従来の高速エンジン (ラムジェット) を 2 つのマッハ数で比較したものです。2 種類のラムジェットが検討されました。最初のラムジェットは、DASS エンジンと同様の比率で燃料 (灯油と水素) の組み合わせを使用します。2 番目のラムジェットは純粋な水素を使用します。マッハ数が低いほど、DASS エンジンの方が比推力が高くなるのは明らかです。これは、ターボジェットで利用できる圧力が高いためです。マッハ 4 では、DASS GN1 はラムジェットと同様の性能を発揮します。この速度では、DASS GN1 エンジンは純粋なラムジェットに変換される可能性があります。記載されている仕様には、吸気コーン (PCT 特許出願中) での熱伝達や金属燃料の燃焼によって実現される可能性のあるゲインは含まれていません。一般的なロケットの比推力は 250 ～ 500 秒です。

Space Engine Systems は、超音速飛行に伴う高高度での高温の吸気流をシミュレートできる地上試験施設を開発しています。この施設は「マルチ燃料ジェットエンジン試験施設」と名付けられ、高度にモジュール化されており、多くの用途に簡単に適応できます。この施設には次のものが含まれます。

• マッハ 5 までの超音速気流をシミュレートするために、エンジンに高温の気流を供給する直接接続システム。

• 液体水素、ジェット燃料、固体ナノ粒子など、複数の燃料をエンジンに供給する燃料システム。

• テストされたすべての機器のデータ収集と分析を可能にする測定スイート。

多燃料ジェットエンジン試験施設は、以下の点をより深く理解するために使用できます。

• 予冷複合サイクル推進

• さまざまなタービンエンジン材料/部品の温度制限

• 多種燃料燃焼（従来型燃料、固体燃料、ロケット燃料）

• 多燃料アフターバーナー

• 高高度でのエンジン始動モード

• 高高度における推力特性

• バイパス比制御

• エンジンテストスタンドと取り付け機構

• フロー特性

主な課題の 1 つは、均一な混合を促進する方法でナノ粒子を注入する技術を開発することです。2 番目に、流動混合物の熱伝達特性を特徴付けます。

エンジンに必要な熱伝達率の向上には、少量のナノ粒子しか必要ありません。非常に小さな質量負荷（0.1%）でも、熱伝達率の大きな増加（40%）が達成できることがわかっています。^{[12] [13]}したがって、利用可能な水素を粒子のキャリアとして使用することは可能です。燃焼器に到達する前に制御不能な発火を防ぐために、水素含有量が希薄可燃性限界を下回るように注意する必要があります。空気中のナノ粒子と水素の質量負荷を 0.1% にするために、ナノ粒子と水素の 1:1 質量比の混合物が自由流に注入されます。注入された混合物は自由流の空気を冷却し、エンジン内で流れが減速するにつれてよどみ点圧力の増加が実現されます。粒子から空気への熱伝達だけでなく、吸気コーンの表面でも熱伝達が発生します。

一部のナノ粒子は、エネルギー貯蔵の点で水素（単位体積あたり）や炭化水素（単位質量および単位体積あたり）よりも優れています。2つの重要な指標は、単位質量あたりのエネルギーと単位体積あたりのエネルギーです。車両は通常、単位体積あたりで設計されます（抗力を考慮して）。^[14]単位体積あたりでは、ホウ素は水素と炭化水素の両方よりも優れています。単位質量あたりでは、ホウ素は炭化水素燃料よりも優れていますが、水素ほど優れていません。したがって、DASSエンジンは、炭化水素、水素燃料とともにホウ素の優れた特性を活用します。

熱交換器の提案構造は、ナノ多孔質フォームです。このフォームは、熱伝達を最大化し、圧力降下を最小限に抑えながら、ナノ多孔質構造を強化します。これにナノ粒子分散の追加効果を組み合わせることで、より小型の熱交換器を実現できます。

DASS エンジンの主な技術的ハードルは、エンジン部品へのナノテクノロジーの実装に関連しています。カルガリー大学との提携により、SES は熱交換器の表面ナノコーティングの使用の実現可能性を評価し、ナノ粒子懸濁液が対流熱伝達に与える影響を研究し、補助燃料として金属ナノ粒子を使用する実現可能性を評価します。カナダ政府 (NSERC の資金提供を通じて) も DASS エンジン プロジェクトのパートナーです。

固体をナノ粒子でコーティングすると、固体からの対流熱伝達率が向上することが科学文献で示されています。^[15]ナノコーティングに関連する総表面積の増加など、いくつかのメカニズムが提案されています。^[16]本質的には、ナノ粒子が小規模のフィンとして機能する可能性があり、これは熱交換器の効率を向上させることが知られています。^[17]これらのナノスケールのフィンは小さいため、大規模なフィンの圧力損失と比較した場合、圧力降下もはるかに小さくなります。これにより、流体が熱交換器を通過するときにポンプで送ったり圧縮したりする作業要件が軽減されます。 ナノ粒子の堆積に関連する表面粗さの存在も混合を促進し、対流熱伝達に直接影響します。

大量の小さな固体粒子をガス中に懸濁すると、表面積と体積の比が大きくなります。科学文献の研究では、固体ナノ粒子の特性とキャリア流体の特性の間には独特の相互作用があることが示されています。^{[18] [19]}その結果、より大きなサイズの粒子（つまり、ミクロン）では観察されませんが、バルク流体の特性が変化します。たとえば、Lee et al. (1999) と Wang et al. (1999) は、直径 24 および 23 nm の CuO 粒子を水中に懸濁すると、水の熱伝導率が 34% 向上することを実験的に示しました。SES は、懸濁したナノ粒子を含むガスの熱伝導率の潜在的な向上を調査します。

金属粉末は、液体炭化水素燃料と比較して単位質量および単位体積あたりのエネルギー含有量が大きいため、空気吸入エンジンの代替燃料として検討されてきた。^[7]水素は単位質量あたりのエネルギー含有量が金属燃料よりも大きいが、実用的な量の質量を蓄積するためには、水素燃料を非常に高圧で貯蔵するか、極低温で冷却するか、他の材料に吸収させる必要がある。^[20]対照的に、金属粒子は効率的かつ安全に梱包して貯蔵することができる。全体的な燃焼速度は表面積に比例するため、より小さなサイズの粒子を使用すると燃焼が改善され、エンジン性能が向上する。^[21]ナノ粒子は一般に、より大きなサイズの粒子よりも融点が低く、より低い温度で発火し、燃焼速度が速いことがわかっている。^[22]したがって、SESの新しい航空エンジン設計では、粒子燃料または従来の燃料への粒子サプリメントの使用が検討されている。

SES は CAN-K グループ企業と連携して、航空宇宙用コンポーネントとサービスを幅広く提供しています。すべての製造は AS 9100 C および ISO 9001 品質管理基準に従って行われます。製品には次のものがあります。

• 最大 420 ℃ の周囲温度で動作可能な特殊な遊星ギア ボックス (超軽量) (全負荷状態で 45 分間テストされ、オイルは真空で完全に抜かれています)。冶金的または機械的な損傷はありません。
• タービンエンジン用高速ギアボックス。
• 効率的で軽量な熱交換器。
• 航空宇宙用途向けの液体/多相ツインスクリューおよび 3 スクリューポンプ。
• 自動トルクチェンジャーやその他の航空宇宙用途向けの油圧マルチスクリューポンプ。
• 高度な等速 (CV) ジョイントを備えた駆動システム。
• カスタムベアリング（流体力学および静水力学）
• 高温ベアリング;
• 真空操作装置（カスタム設計）
• ヘリコプター用途に適応可能な、反対方向に回転するダブルローターシステム。
• 航空宇宙および宇宙の要件に適応可能な永久磁石モーター システム。
• カスタム軽量および高温材料。
• 顧客の要件に合わせてカスタムメイドされた航空宇宙および宇宙サブアセンブリ。
• 宇宙用途のDASS着陸機
• 長期使用に適したナノオイル。