宇宙
ラムローターデトネーションエンジン（RRDE）でハイパーソニック旅行を再考する
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航空機推進の第3世代
Since the Wright brothers’ first flight, the central concept of mechanized flying has been compressing air to generate propulsion. This was first done with the ever-larger propellers in WWI and WW2 planes.
次のステップはジェットエンジンで、1939年に初のジェット推進航空機であるハインケル He 178 が飛行しました。ジェットエンジンでは、可動部品が空気を圧縮し、燃料を噴射して強力な燃焼効果を生み出し、これがタービンとジェットノズルへと導かれて推進力を生み出します。
出典: Wikipedia
その後、ラムジェットで改良されました。ラムジェットでは、機体の速度が空気圧縮を生み出し、さらに高速化が可能です。ある速度を超えると、ターボジェットの可動部品は速すぎて破損します。ラムジェットを初めて使用した航空機は、1949年のルデック 0.10 です。
出典: Tech Brief
ラムジェットの改良版として、スクラムジェット（超音速ラムジェット）があります。このエンジンは燃焼のために来る空気を減速させる必要がなく、超音速の気流を維持し、燃料効率を向上させます。
スクラムジェットは1958年に概念化されましたが、実際に試験されたのは2001年のNASAのX-43Aです。3年後、実験機はマッハ6.8（時速5,217マイル／8,396km）とマッハ9.6（時速7,366マイル／11,854km）を達成しました。
これは印象的でしたが、ジェット技術はある程度限界に近づいており、20世紀初頭のプロペラが特定の速度を超えられなかったのと同様です。
このため、科学者やエンジニアは全く異なる概念である回転デトネーションエンジンに注目しています。
回転デトネーションエンジン
From a thermodynamic point of view, detonations are more efficient than the more commonly known deflagration (classic combustion). So, theoretically, they could be used to burn fuel more efficiently and/or achieve higher flight speeds.
熱力学的観点から、デトネーションは一般的に知られるデフラグレーション（従来の燃焼）よりも効率的です。したがって、理論的には燃料をより効率的に燃焼させたり、飛行速度を高めたりすることが可能です。
もちろん、爆発を航空機エンジンの実際の推進力に転換するのは、飛行中に爆発してしまう危険があるため、はるかに困難です。
回転デトネーションエンジンでは、リング状の燃焼室内でデトネーション波を連続的に伝播させることで実現します。デトネーションが高頻度で起こるため、ほぼ連続的な推力が得られます。
Such an engine was NASAによって2020年に初めて成功裏にテストされた.
この種のエンジンは、従来の燃焼ベースのジェットエンジンに比べて最大25％の効率向上が期待されています。また、燃焼室上流に大型コンプレッサーが不要なため、膨大な重量を削減でき、航空機全体の効率をさらに高める可能性があります。
このようなエンジンは、先進的な材料のおかげで最近になって実現可能となりました。主な制約は、極端な高温、絶え間ない衝撃波、酸素リッチな流れに同時に耐える材料の能力でした。
デトネーションラムジェット？
A serious drawback of rotating detonation engines is that they work much less efficiently at atmospheric pressures. So similar to ramjets and scramjets, they ideally need to be propelled to supersonic or hypersonic speed first before activation.
回転デトネーションエンジンの大きな欠点は、常圧下での効率が著しく低いことです。そのため、ラムジェットやスクラムジェットと同様に、作動前にまず超音速またはハイパーソニック速度に加速させる必要があります。
Now, an even more advanced concept is emerging, the ram-rotor detonation engine. It was developed by Chinese scientists working at the School of Aerospace Engineering, in Tsinghua University, Beijing. They published their work in the Chinese Journal of Aeronautics, under the title “ラムローターデトネーションエンジンに関する一次調査“.
ラムローターデトネーションエンジン（RRDE）
The key idea of a RRDE is to stabilize the detonation within a high-speed rotor. The flow channel compresses the air-fuel mixture to the ideal conditions for detonation, whatever the intake speed.
RRDEの核心的な考え方は、高速ローター内でデトネーションを安定させることです。流路は吸気速度に関係なく、空燃比混合物をデトネーションに最適な条件へと圧縮します。
デトネーション波は、吸気流速と排気から出る膨張ガス・衝撃波の相対速度をバランスさせることで位置が保持されます。
このプロセスにより、デトネーション波はブレードに対して静止した状態を保ちます。
RRDEの利点
柔軟性
Because the engine can modulate the compression of the air, it acts more like a classical turbojet than a ramjet, which requires the speed of the airplane to perform the air compression.
エンジンは空気圧縮を調整できるため、空圧縮に機体速度を必要とするラムジェットよりも、従来のターボジェットに近い動作をします。
つまり、RRDEはすべての速度で動作でき、単独エンジンとして機能します。その場合、可変ディフューザー、ガイドベーン、ノズルなどの適切な吸気・排気部品と組み合わせて、安定した作動範囲とシナリオを拡大する必要があります。
将来的には、現在の多くのラムジェットやスクラムジェット設計と同様に、ターボジェットと組み合わせて使用することも可能です。
ハイパーソニック航空機エンジン
By definition, detonation waves travel quicker than the speed of sound, often much quicker. The RRDE is expected to generate stable detonation waves that can reach a Mach number of 4 to 6 relative to the incoming flow.
定義上、デトネーション波は音速よりも速く、しばしばはるかに速く伝播します。RRDEは、来る流れに対してマッハ4〜6の安定したデトネーション波を生成すると期待されています。
これにより、RRDE搭載機はマッハ5以上（時速3,836マイル／6,174km）のハイパーソニック飛行が可能となり、他のデトネーションエンジンに比べてはるかに高い効率を実現できます。
高効率は燃料コストの削減だけでなく、同じ燃料でより長い航続距離を可能にします。また、同じ航続距離であれば、燃料重量が軽くなるため、搭載能力が向上します。
理論から実践へ
So far, the RRDE exists only as a design and has proven itself only in theoretical and simulated lab tests.
現在のところ、RRDEは設計段階にあり、理論的およびシミュレーション実験でのみ実証されています。
実用的なプロトタイプが登場するまでにはまだ長い道のりがあり、商業的に大量生産されたRRDEが実現するまでにはさらに時間がかかります。
これは、シミュレーションで考慮されていなかった実世界の課題を解決する必要があることを意味します。例えば、回転デトネーションエンジンの静的リングチャンネルでデトネーション波を維持するのに長時間かかっています。高速ローターでデトネーション波を安定させるのはさらに困難です。
ローターブレードは高速かつ効率的に回転できるほど軽量である必要がありますが、ハイパーソニックの吸気気流やブレード間での継続的な爆発的デトネーションに耐えるだけの強度も必要です。
回転爆発エンジン会社
So far, most of the research done on this new type of engine has been done by public research institutes, mostly space and military agencies, including NASA, the US Air Force, the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Russian Energomash, etc.
これまで、この新しいタイプのエンジンに関する研究の大半は、NASA、米空軍、日本航空宇宙探索機関（JAXA）、ロシアのエネルゴマッシュなど、主に宇宙・軍事系の公共研究機関によって行われてきました。
There is however one private company that 2023年に回転デトネーションエンジンを構築する能力を実証した: General Electric (GE.TO ).
GE 価格チャート
General Electric Aerospace は、2024年に GE コングロマリットが 3 部門に分割された結果です：GE Aerospace (GE ) 、GE HealthCare (GEHC )、および GE Vernova（エネルギー）(GEV )。
これは、数十年にわたる金融化が最終的に純マイナスとなった後、同社をコアコンピタンスに再集中させるために行われました。
同社は航空産業の中心的なサプライヤーで、年間約30億人が GE Aerospace の技術を利用して旅行し、常時約90万人が GE 搭載機で飛行しています（商業便の4分の3）。これは、すべての航空機サイズと用途に対応するエンジンシリーズに基づいて構築されています。
出典: GE Aerospace
長期的には、これらのエンジン群は、長期的な研究開発により燃料効率が向上した新世代に置き換えられると期待されています。民間航空機では燃料効率が10〜15％向上し、軍用機では最大25％向上する可能性があります。
出典: GE Aerospace
エンジンに加えて、同社は電力システム向けのシリコンカーバイド技術や、航空機用エレクトロニクス（アビオニクス）も提供しています。
同社は長年、航空機推進システムのリーダーであり、圧倒的に民間部門（2023年の売上高239億ドル）が主な活動源で、次いで防衛部門（90億ドル）となっています。
同社の収益の70％はサービス、特にエンジンの保守・修理から得られており、非常に安定した収入源となっています。
出典: GE Aerospace
同社は将来技術への投資にも注力しており、特に GE Additive による 3D プリントは、金属積層造形のフルエンドツーエンドソリューションを提供する唯一の OEM です。
出典: GE Aerospace
GEの回転デトネーションエンジン
As discussed before, GE also achieved the 世界初のハイパーソニックデュアルモードラムジェット（DMRJ）装置テスト（超音速流れ中で回転デトネーション燃焼（RDC））.
これは、GE が高温セラミックマトリックス複合材料（CMCs）、シリコンカーバイド電力エレクトロニクス、積層技術、先進的な熱管理を熟知しているおかげで実現しました。
“これまでに得られた重要な成果は、我々が正しい方向に進んでいるという自信を与えてくれます。
チームは非常に迅速に進めており、RDC を用いた DMRJ のデモは開始から完了までわずか 12 ヶ月で実施しました。チームは来年、スケールアップしたフル DMRJ with RDC の実証という目標に向けて順調に進んでいます。
Mark Rettig – 副社長兼ゼネラルマネージャー、Edison Works ビジネス＆テクノロジー開発、GE Aerospace
このようなハイパーソニックエンジンは、戦闘機やミサイルなどの先進的な軍事用途で最初に使用される可能性がありますが、将来的には民間のハイパーソニック航空機にも導入される見込みであり、GE が両市場に存在することでこの新興技術を活用できるでしょう。
全体として、長期間にわたり方向性のないコングロマリットとして金融工学に注力してきた後、GE は米国のエンジニアリングと製造の中心として再び軌道に乗り始めているようです。再産業化とリショアリングが強いトレンドとなっている時期において、これは重要な転換点です。
