爆発だ！宇宙に送るんですか？宇宙船のエネルギーの秘密を探る

無限の爆発により極超音速機を宇宙に送り出すことができる

図: これは、斜めデトネーション波エンジンを搭載した極超音速航空機の概念図です。画像クレジット: ダニエル A. ロサト、NASA

終わりのない爆発は、極超音速飛行や、地球から軌道までスムーズに打ち上げられる宇宙飛行機の鍵となるかもしれない。研究者たちは現在、これらの航空機の爆発を引き起こす可能性のある現象を実験室でシミュレーションしている。

これらの爆発は、私たちが理解しているような単純な爆発ではなく、むしろ音速を超える速度で外側に移動する特に強力な爆発です。昨年レバノンのベイルート港を揺るがした大爆発も同様の爆発であり、発生する膨大なエネルギーによって非常に広範囲に放射線被害を引き起こす可能性がある。

科学者たちの長年の夢は、このエネルギーを利用して飛行できる飛行機エンジンを開発することだった。このような航空機は理論上はニューヨークからロンドンまで1時間以内に飛行できる。しかし、爆発は制御が非常に難しく、通常は1マイクロ秒未満しか続かないため、まだこれを実現できた科学者はいない。

現在、セントラルフロリダ大学の研究チームは、数秒間にわたって固定位置で爆発を続けることを可能にする実験装置を開発しており、研究者らはこれが将来の極超音速推進システムに向けた重要な一歩になると考えている。

「ここで私たちがやろうとしているのは、この爆発を制御することだ」と、セントラルフロリダ大学の機械・航空宇宙工学准教授で、米国科学アカデミー紀要に掲載された研究論文の主執筆者であるカリーム・アーメド氏は語った。

「我々はそれを宇宙で凍結し、そのエネルギーを利用したいのです。レバノンで見たように建物を破壊するのではなく、今度はそれを利用して推進力を生み出したいのです」とアハメド氏はライブサイエンスに語った。 「それができれば、超高速で移動できるようになります。」

この画期的な成果は、斜めデトネーション波エンジン（ODWE）として知られる理論的な推進システムに関する数十年にわたる研究に基づいています。このコンセプトは、空気と燃料の混合物を極超音速（音速の5倍以上）で傾斜面に送り込み、衝撃波を発生させるという仕組みです。この衝撃波により燃料と空気の混合気が急速に加熱され、爆発して排気ガスがエンジンの後ろから高速で排出されます。その結果、大きな推進力が得られます。

このように空気と燃料の混合物が爆発すると、燃料のほぼ 100 パーセントが燃焼されるため、燃焼は非常に効率的になります。爆発によって大きな圧力も発生するため、エンジンは通常よりも大きな推力を生み出すことができます。理論上、このような爆発によるエネルギーは航空機を音速の最大17倍の速度で推進できるはずであり、これは宇宙船がロケットに乗せられることなく大気圏から飛び出すのに十分な速度である可能性があると研究者らは述べている。

しかし技術的な課題は、そのような飛行に必要な動力を供給するのに十分な長さの爆発時間を維持する方法にあるが、これまでの実験では、それがせいぜい数ミリ秒に過ぎないことがわかっている。アハメド氏は、最大の難関は、爆発が上流の燃料源に向かって広がるのを防ぐことだと述べた。上流の燃料源に向かって広がると深刻な被害が生じる可能性があるし、下流の燃料源に向かって広がると消火される可能性がある。

「常に疑問になるのは、1 ミリ秒程度保持した場合、それは単に瞬間的に保持しているだけなのかということです。」アハメドは言った。 「安定しているかどうかは分からない。」 「

これまでの記録を上回れるかどうかテストするため、アハメド氏と同僚らは、空気と水素を混合・加熱し、極超音速まで加速して斜面を上空に打ち上げる長さ約2.5フィート（0.76メートル）の一連のチャンバーを製作した。

研究チームは、空気と燃料の混合比、ガス流の速度、ランプの角度を慎重にバランスさせることで、約3秒間の固定位置爆発を起こすことに成功した。アハメド氏は、爆発が安定しており、上流や下流に移動しているのではなく、一定の場所で発生していることを裏付けるにはこれで十分であり、これが実際のODWEを実現するための最初の重要なステップであると述べています。

テキサス大学アーリントン校の機械・航空宇宙工学教授フランク・ルー氏は、安定した爆発を実証できたことは大きな成果だと語った。実用的なエンジンを開発するために、研究者たちは、さまざまな速度と高度でエンジンを動作させる方法を考え出し、燃料と空気の不均一な混合などの要因によって引き起こされる燃焼の不安定性に対処する必要がある。

「研究者たちは素晴らしい仕事をしたと思うし、さらなる結果を楽しみにしている」とルー氏はライブサイエンスに語った。

アハメド氏は、爆発の激しさにより試験室のガラス面が急速に侵食されたことが主な理由で、研究者らは実験をわずか数秒しか行わなかったと説明した。同氏は、爆発を光学的に測定するため、初期のテストではガラスを使用しなければならなかったが、代わりに金属の側面を使用すれば、より長い時間爆発させることができるはずだと述べた。

そして、テストユニットの構造が実物大のODWEの設計とそれほど変わらないことを期待しているとアハメド氏は語った。研究者たちが現在直面している主な課題は、燃料混合、気流速度、傾斜角という3つの重要な要素を変えながら、爆発を安定させ続ける方法を見つけることだ。

「実現可能であることが証明されたので、より広い運用領域でそれをどのように維持するかを考えるという、より技術的な問題になりました」とアハメド氏は語った。

著者:エド・ジェント

FY: 秋白

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