宇宙エンジンシステム
スペースエンジンシステムズ株式会社
会社の種類プライベート
業界航空宇宙
設立2012
本部エドモントン、アルバータ州、カナダ
主要人物
プラディープ・ダス（会長）
製品SSTO推進システム、ポンプ、コンプレッサー、ギアボックス、永久磁石モーター
WebサイトSpaceEngineSystems.com

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 ]同社の主な事業は、再利用可能なスペースプレーンと極超音速巡航機の動力源とな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、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提携し、ナノテクノロジーと高速空気力学の主要技術分野における技術の研究開発に取り組んでいます。

会社沿革

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年以上エンジンの開発に携わってきました。[ 2 ]は協力して、新しいポンプ、コンプレッサー、ギアボックスシステムをスピンオフアプリケーションとして航空宇宙産業に導入しています。 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）で会社の設立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

DASS GN 1エンジンコンセプト

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。エンジンの派生製品は、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一部を克服しています。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圧縮機ブレードの材料限界を超えることがあります。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エンジンで吸入空気から抽出されたエネルギーは、燃料流中の 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、熱交換プロセスを複数の方法で改善します。内部熱交換器に表面ナノコーティング[ 6 ]を施すことで、対流熱伝達率の向上、熱交換器の質量の低減、不要な空力障害の低減を実現します。さらに熱伝達を高めるため、吸気コーンから吸入される空気に金属ナノ粒子を散布します。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優れた貯蔵特性を持ち、体積当たりのエネルギー密度に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、この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対して高速飛行において有利な点は、空気呼吸モードで大気中の酸素を利用できることである。空気呼吸エンジンの比推力（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。この利点によって、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への飛行では4% [ 8 ]、 Soyuz-2からLEOへの飛行では2.6%）。空気呼吸エンジンの高い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となっている。空気呼吸エンジンは、ロケットに比べて推力重量比が一般的に低い。そのため、DASSエンジンは揚力体車両に統合される。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、マッハ 5 巡航でのエンジン動作に重点を置いています。30 km は、宇宙の端と考えられている高度（100 km）よりもまだ大幅に低く、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 エンジンを目標の 30 km およびマッハ 5 の動作条件を超えて動作させるには、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はより高速で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、流路内にロケットモーターと併用するための酸化剤を搭載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、エアブリージングモードで動作しているときに、 軌道速度の主要な成分を達成することです。

エンジンの詳細

低速飛行時には、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口 (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。このモードの間、バイパスは閉じられ、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) は亜音速モードで収縮し、最適な比推力を実現します。エンジンが超音速まで加速すると、吸気口の関節部分は熱交換器 (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。次に、燃焼生成物は超音速ノズル、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状態全体で変化します。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。高マッハ数 (約 4.88) では、空気をターボジェット限界 (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起こらず、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、水素を使用するラムジェット燃焼の吸気口と出口面積の比率を最適化しながら、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可動します (PCT 特許出願中)。エンジンは、熱交換器の冷却効果から効率の向上を実現します (ただし、このモードでははるかに低くなります)。終端飛行速度は、水素燃料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、全飛行経路に沿って低い燃料消費率で効率的な推力を提供し、小型ロケット段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。各燃料タイプ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）[ 11 ]ため、熱交換器（特許出願中）用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、低い燃料消費率で大きな推力レベルを提供できます。金属燃料は優れた貯蔵特性、単位体積あたりのエネルギー含有量の高さ、対流熱伝達の促進といった特性を有し、ナノスケールでも優れた燃焼特性を示します。

DASS GN 1とDASS GN Xの主要技術コンポーネントは非常に類似しています。DASS GN1は航空宇宙専用で、DASS GN Xは宇宙用途のみを想定しています。エンジンのプロトタイプは地上試験と飛行試験用に計画されています。

エンジン比較

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。低いマッハ数では、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に動作します。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、吸気コーンでの熱伝達 (PCT 特許出願中) 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。

マッハ2でのエンジン比較
エンジン（10 km）比推力（m/s）燃料消費率（g/kNs）T最大/T 0P最大/P 0私はsp（s）
ダス GN14.2330.915.123.93299
灯油/H 2ラムジェット3.4138.415.16.02654
H2ラムジェット3.4428.515.66.03569
マッハ4でのエンジン比較
エンジン（28 km）比推力（m/s）燃料消費率（g/kNs）T最大/T 0P最大/P 0私はsp（s）
ダス GN13.6730.017.82283410
灯油/H 2ラムジェット3.6430.117.8573383
H2ラムジェット3.6526.918.0573786

地上試験施設

スペース・エンジン・システムズは、超音速飛行に伴う高高度における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。「多燃料ジェットエンジン試験施設」と名付けられたこの施設は、高度なモジュール化設計を採用しており、様々な用途に容易に適応可能です。この施設には以下の設備が含まれます。

• 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

• 各種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マウント機構

• フロー特性

ナノテクノロジーの導入

主要な課題の一つは、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。次に、流動混合物の熱伝達特性を特性評価します。

エンジンに必要な熱伝達率の向上には、少量のナノ粒子のみが必要です。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 ]そのため、利用可能な水素を粒子のキャリアとして使用することが可能です。燃焼器に到達する前に制御不能な発火を防止するために、水素含有量が希薄可燃性限界未満に保たれ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、エンジン内部の流れが減速するときに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。重要な指標として、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があります。車両は通常、抵抗を考慮して単位体積あたりで設計されます。[ 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、水素ほどではありません。したがって、DASSエンジンは、炭化水素燃料、水素燃料に加えて、ホウ素の優れた特性を活用します。

熱交換器

提案する熱交換器の構造は、ナノ多孔質フォームです。このフォームは、ナノ多孔質構造を強化しながら、熱伝達を最大化し、圧力損失を最小限に抑えます。さらにナノ粒子分散効果と組み合わせることで、熱交換器の小型化が期待されます。

研究

DASSエンジンの主要な技術的課題は、エンジン部品へのナノテクノロジーの導入に関連しています。SESはカルガリー大学との提携により、熱交換器への表面ナノコーティングの適用可能性を評価し、ナノ粒子懸濁液が対流熱伝達に及ぼす影響を研究し、金属ナノ粒子を補助燃料として使用する可能性を評価します。カナダ政府も（NSERCの資金提供を通じて）DASSエンジン・プロジェクトのパートナーです。

熱交換器の表面ナノコーティング

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伴う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 ]基本的に、ナノ粒子は、熱交換器の効率を向上させることが知られている小規模のフィンとして機能する可能性があります。[ 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て、圧力降下もはるかに小さくなります。これにより、熱交換器を通過する流体をポンプで汲み上げたり圧縮したりするために必要な作業が軽減されます。ナノ粒子の堆積に伴う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。

熱伝達のためのナノ粒子懸濁液

大量の小さな固体粒子を気体中に懸濁すると、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わります。たとえば、Lee et al. (1999) と Wang et al. (1999) は、直径 24 nm と 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、ナノ粒子を懸濁させた気体の熱伝導率の向上の可能性を調査します。

ナノ粒子の燃焼

金属粉末は、液体炭化水素燃料に比べ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考えられてきた。[ 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、水素燃料は、実用的な量の質量を蓄積するために、非常に高圧で貯蔵するか、極低温で冷却するか、または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、より低温で発火し、燃焼速度が速いことがわかっている。[ 22 ]そのため、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。

専門的な製品とサービス

SESはCAN-Kグループと提携し、航空宇宙関連部品およびサービスを幅広く提供しています。すべての製造工程は、AS 9100 CおよびISO 9001品質管理基準に準拠しています。製品には以下が含まれます。

  • 特殊プラネタリーギアボックス（超軽量）は、周囲温度420℃まで動作可能です（全負荷状態で45分間テストし、オイルを真空引きで完全に抜き取りました）。冶金学的および機械的損傷はありません。
  • 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）
  • ヘリコプターの用途に適応可能な、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。
  • カスタマイズされた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。

参考文献

  1. ^スペースエンジンシステムズ株式会社 メインページ
  2. ^ CAN-K メインページ
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