航空機用水素燃焼器による排出ガス低減

航空分野の脱炭素化においては、化石燃料の燃焼を排除しつつ、エンジン高負荷運用時におけるサーマルNOx（熱発生窒素酸化物）の抑制を両立させることが技術的要件となる。川崎重工業株式会社は、新開発の水素燃焼器を搭載した小型航空機エンジンの地上作動試験を完了し、民間航空機向け推進システムの実現に向けた重要な技術的進展を示した。

水素燃焼の燃焼動特性とサーマルNOxの抑制機構
100%水素の燃焼は二酸化炭素の排出を完全に排除する一方、水素は従来のJet A-1ケロシンと比較して層流燃焼速度が約1桁速く、断熱火炎温度は2,200℃を超える。従来のガスタービン燃焼室において局所的な高温領域が形成されると、ゼルドビッチ機構が急速に進行し、サーマルNOxの生成が指数関数的に増大する。

この熱プロファイル上の課題を解決するため、新開発の燃焼器には、川崎重工業が発電用ガスタービン向けに開発・商用化した独自のマイクロミックス燃焼技術が適用されている。単一の大きな火炎領域へ燃料を供給する構造とは異なり、マイクロミックス方式は微小な水素燃料噴射孔を格子状に多数配列し、交差する空気噴流と局所的に混合させる。

この構造により、燃焼反応領域が無数の微小火炎（マイクロフレーム）へ分散される。個々の火炎体積およびピーク温度領域における燃焼ガスの滞留時間を大幅に短縮することで、局所的なホットスポットの発生を抑える。この燃焼機構は逆火のリスクを排除しながら安定した保炎を可能にし、100%水素燃料の運用下で低NOx濃度を達成する。

作動実証プロファイルとシステム統合
本実証試験は、秋田県に所在する宇宙航空研究開発機構（JAXA）能代ロケット実験場にて実施された。試験では、実際の飛行運用を模擬した全運転領域において、燃焼安定性、機械的健全性、および推力発生が確認された。

制御された燃料遮断およびエンジン停止動作
取得されたデータにより、マイクロミックス燃焼室は燃料流量の急激な変動下でも火炎安定性を維持し、国際民間航空機関（ICAO）が定める航空機排出ガス環境基準に適合し得る能力を持つことが確認された。

開発ロードマップと航空分野への適用
本試験は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のグリーンイノベーション基金事業「次世代航空機の開発」プロジェクトにおいて採択された「水素航空機向けコア技術開発」事業の中核的なマイルストーンとなる。

本事業の開発期間は2021年度から2030年度までを対象とし、極低温燃料貯蔵技術と推進システムの統合に取り組んでいる。川崎重工業はこれまでにも小型水素航空機エンジンの作動試験や液体水素（LH2）燃料貯蔵タンクの実証試験を完了している。今後の開発フェーズでは、機体インターフェース、エンジンコア、燃料供給マニホールド、断熱燃料タンクを結合した統合地上実証試験へと進み、システム全体の適合性と性能を評価する計画である。

追加の背景情報
本セクションでは、元の発表には含まれていない技術仕様および競合ベンチマークの詳細を記述する。

世界の航空宇宙産業では、水素推進技術としてガスタービンによる直接燃焼と水素燃料電池電動システムの2つの経路が並行して研究されている。出力密度への要求が現在のメガワット級電動モーターおよび燃料電池スタックの実用限界を超えるリージョナル機、単通路狭胴機、および広胴機においては、直接燃焼方式が主要な技術的アプローチとなっている。

同分野の先行開発事例としては、エアバスの「ZEROe」実証プログラムや、CFMインターナショナル（GEエアロスペースとサフランの合弁会社）による水素実証計画が存在し、いずれも改修型ターボファン構造を用いた燃焼実証を進めている。欧米のプロジェクトが従来の航空用燃焼器から派生した希薄予混合（Lean-Premix）や多点噴射方式を中心に検証しているのに対し、産業用マイクロミックス噴射技術の適用はマイクロ拡散燃焼を中心とする別個の機械的アプローチである。マイクロミックス配列は、水素の希薄予混合火炎で懸念される燃焼振動や狭い可燃範囲に伴う火炎伝播の不安定性を抑制する特性を有する。

極低温供給系においては、マイナス253℃の液体水素を機内熱交換器によって気化させ、燃焼器ノズルへ噴射する前に供給圧力を正確に調定する配管・弁構造が必須となる。水素直接燃焼エンジンに関する耐空性認証基準および規制フレームワークは、SAEインターナショナルE-40電動推進委員会やEUROCAEワーキンググループ122において検討が進められており、燃料ベント制御、機体安全ゾーニング、ならびにICAO Annex 16 Volume IIの枠組みを超える排出基準の整備が重点領域となっている。

編集：Evgeny Churilov、Induportals Media - AIによる翻案。

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