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第３講 スクラムジェットエンジンの性能
スクラムジェットエンジンの性能といった場合、皆さんは何を思い浮かべますか？
身近な自動車のエンジンの性能の場合を考えて見ましょう。
燃費がよい、音が静かだ、寒いところでも始動できる、海岸沿いを走っても錆びない、壊れにくい、整備をしなくてもよい、整備をしやすい、速く走れる、エンジンが壊れても安全だ、等いろいろなことがありますね。
空を飛ぶスクラムジェット機の場合には、地上を走る車と大きく異なるのは、軽くなければならないということと、非常に安全だ、信頼性が高いということが挙げられます。
軽くなければ空を飛ぶことが出来ないし、落ちる飛行機には乗りたくないですよね。
このように、性能といった場合には沢山の項目が挙げられます。実用化に至るまでにはこれらの項目全てについて要求を満足させる必要があります。
しかし、現在の技術レベルでの当面の性能評価項目は、スクラムジェット機を飛ばすのに必要な推力をそれぞれの飛行速度において発生できるかということです。
自動車に例えると、エンジンの馬力が十分に出て、時速１００ｋｍまで加速できるか、六甲山を登ることが出来るか、ということです。
他の項目を検討するのはその次の段階というのが実情です。
そもそもスクラムジェットエンジンの必要性が叫ばれるようになったのは、ロケットエンジンだと、水素燃料を燃やす酸化剤として液体酸素を運ばなければならないけれど、ジェットエンジンの様に空気中の酸素を利用すれば、液体酸素を運ぶ分だけより大きな衛星を地球周回軌道に投入できる、あるいは沢山の荷物や大勢の人をスペースステーションに運ぶことが出来るといったようなことからでした。
他方、ジェットエンジンだとマッハ２．５からマッハ３．５程度が限界で、その上の速度だとラムジェットエンジンですが、それもマッハ５程度が限界だといわれています。
即ち、スクラムジェットエンジンはマッハ５以上で、ロケットよりも如何に多くの荷物や人を運ぶことができるかで、性能を評価されるということが現時点では多いようです。
したがって、この性能を評価する言葉としてロケット同様比推力という単位が使われますが、自動車の燃費のようなものです。
もう少し比推力について述べます。
スクラムジェット機はロケットのように高速で飛びながら空気を上手く取り込みその空気を使って燃料を燃焼させる必要がありますが、空気の取り入れ方がまずいと、垂直衝撃波が発生し、その衝撃波を通過した空気は急激に圧力と温度が上がり、流れも垂直衝撃波を通過した後は亜音速の流れになります。
自動車のエンジンの場合にはシリンダー内の空気と燃料の混合気をピストンで圧縮しているので、スクラムジェットエンジンの場合も空気が圧縮されて温度と圧力が上がるのは都合がいいのではと思われるかもしれませんが、「過ぎたるは及ばざるが如し」で、温度が上がりすぎるため、燃料を投入して燃焼させた場合に、燃料の持っている化学エネルギーを十分に熱エネルギーとして取り出すことが出来ません。
いわゆる解離という現象がおきます。
これを防ぐには、垂直衝撃波が発生しないように、弱い衝撃波である斜め衝撃波を発生させて、空気の温度が上がらないようにする必要があります。
そうすると別の問題が発生してきます。つまり、斜め衝撃波を通過した空気は超音速で流れるため、超音速気流中で燃料を燃焼させる必要が出てきます。
そこで、超音速気流中でうまく燃料を燃やして熱エネルギーを十分に取り出して比推力を上げるということが必要になってくるのです。
詳細は「理系大学生のためのスクラムジェットエンジン入門」で扱います。
(MM20111231)
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