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Development of Arc Flow Enthalpy Measurement Method using Magnetohydrodynamic Shock Layer Enlargement Effect

Research Project

Project/Area Number 16K14505
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Aerospace engineering
Research InstitutionYamaguchi University

Principal Investigator

Katsurayama Hiroshi  山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (80435809)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 酒井 武治  鳥取大学, 工学研究科, 教授 (90323047)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2017: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2016: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Keywordsアーク風洞 / 惑星突入 / 電磁流体力学 / 惑星大気突入 / 熱防御 / 電磁力ブレーキング / セラミック / エンタルピー計測 / 電磁力 / 発光分光 / 衝撃層 / アーク気流 / 電磁力衝撃層拡大 / 惑星突入気流 / 航空宇宙工学
Outline of Final Research Achievements

To establish the enthalpy measurement method using the emission spectroscopy with the aid of the magnetohydrodynamic shock layer enlargement effect, a magnetohydrodynamic probe was heated in the JAXA 750 kW arc wind tunnel. The probe was newly designed, and it has a water-cooling system for resisting the heating of 3.75 MW/m2. As a result of the heating test, the probe has no damage, and the on-board magnet was free from the thermal demagnetization. In the emission spectroscopy, no significant difference was found in the spectrum in the measurements with and without the magnetic field. This cause will be attributable to the weak ionization degree of the flow and the resulting small magnetohydrodynamic force. On the other hand, the spectral analysis revealed that the area near the stagnation point was close to thermal equilibrium, and the derived enthalpy showed a reasonable value. Consequently, we confirmed the effectiveness of the present method for the enthalpy measurement.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

宇宙船は、惑星大気に突入する際、強烈な加熱に晒される。この加熱から宇宙船を守るために、熱防御材が使われるが、その開発にはアーク風洞が使用される。しかし、風洞の重要なパラメータである気流エンタルピーを正確に計測する手段が確立されていない。本研究では、電磁力による気流拡大効果と発光分光法を組み合わせることで、エンタルピーを計測する方法を提案し、JAXA大型アーク風洞での試験をおこなった。結果として、電磁力による効果は、得られなかったものの、発光分光による気流エンタルピー計測値は妥当な値を示し、本手法の有効性と将来性に一定の成果を得た。

Report

(4 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Research-status Report
  • 2016 Research-status Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2019 2018 2017 2016

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] アーク気流エンタルピー計測のための 水冷式電磁力プローブの試作機開発と加熱予備試験2018

    • Author(s)
      葛山浩、濱田柔久、矢野智也、酒井武治、松井信
    • Journal Title

      プラズマ応用科学

      Volume: 26 Pages: 39-44

    • NAID

      130008066884

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  • [Journal Article] Total Drag Measurement in Electrodynamic Braking in Arc Plume with Variable Backpressure2017

    • Author(s)
      H. Katsurayama, N. Fukuda, T. Toyodome, M. Matsui, and Y. Katoh
    • Journal Title

      Frontier of Applied Plasma Technology

      Volume: 10 Pages: 35-38

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    • Peer Reviewed
  • [Presentation] アーク風洞での電磁力模型の発光分光計測とレーザートムソン散乱計測2019

    • Author(s)
      葛山浩,濱田柔久,合志義亜,上部航洋,飯沼智章,酒井武治,高木耀一,八木秀明,富田健太郎,鈴木俊之,松井信
    • Organizer
      平成30年度航空宇宙空力シンポジウム
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] アーク気流エンタルピ計測のための電磁力模型の開発と発光分光計測2019

    • Author(s)
      濱田柔久,飯沼智章,葛山浩,酒井武治,高木 耀一,八木秀明,鈴木俊之,松井信
    • Organizer
      平成 30年度衝撃波シンポジウム
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] レーザートムソン散乱法を用いたアーク気流の電子密度・温度計測2019

    • Author(s)
      合志義亜,上部航洋,葛山浩,富田健太郎
    • Organizer
      平成 30年度衝撃波シンポジウム
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] レーザートムソン散乱法を用いたアーク気流中の電磁力鈍頭模型周りの電子密度・温度計測2018

    • Author(s)
      合志義亜,上部航洋,葛山浩,富田健太郎
    • Organizer
      第62回宇宙科学技術連合講演会
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  • [Presentation] アーク気流エンタルピ計測のための電磁力プローブと計測手法の開発2018

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      濱田柔久,飯沼智章,葛山浩,酒井武治,鈴木俊之,松井信
    • Organizer
      日本航空宇宙学会西部支部講演会(2018)
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  • [Presentation] アーク気流中に置かれた電磁力鈍頭模型周りの電子状態のレーザートムトン散乱法による高精度計測2018

    • Author(s)
      合志義亜,上部航洋,葛山浩,富田健太郎
    • Organizer
      日本航空宇宙学会西部支部講演会(2018)
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  • [Presentation] JAXAアーク風洞での電磁力模型の加熱試験と発光分光計測2018

    • Author(s)
      濱田柔久,飯沼智章,葛山浩,酒井武治,高木耀一,八木秀明,鈴木俊之,松井信
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      平成30年度宇宙航行の力学シンポジウム
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  • [Presentation] アルゴンアーク風洞での電磁力模型のレーザートムソン散乱計測2018

    • Author(s)
      合志義亜,上部航洋,葛山浩,富田健太郎
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      平成30年度宇宙航行の力学シンポジウム
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  • [Presentation] 電磁力による衝撃層増大効果を用いたアーク気 流用エンタルピー計測プローブの開発2018

    • Author(s)
      矢野智也、濱田柔久、葛山浩、酒井 武治、松井信、高木耀一、上村圭市、加藤泰生
    • Organizer
      平成29年度衝撃波シンポジウム
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  • [Presentation] アーク気流中での電磁力エアロブレーキング抗力増大実験のDSMC計算による検証2018

    • Author(s)
      幅野将司、福田直生、合志義亜、葛山浩、加藤泰生
    • Organizer
      平成29年度衝撃波シンポジウム
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  • [Presentation] 電磁力エアロブレーキング惑星突入法での希薄流効果解明に向けた実験的試みとそのエンタルピー計測技術への展開2017

    • Author(s)
      葛山浩,豊留拓磨,福田直生,酒井武治,加藤泰生
    • Organizer
      平成28年度航空宇宙空力シンポジウム
    • Place of Presentation
      鳥羽シーサイドホテル(三重県鳥羽市)
    • Year and Date
      2017-01-20
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  • [Presentation] An Electrodynamic Aerobraking Experiment in a Rarefied Arc-Heated Flow2017

    • Author(s)
      H. Katsurayama, N. Fukuda, T. Toyodome, K. Tomita, M. Makoto, and Y. Katoh
    • Organizer
      31th International Symposium on Shock Waves
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      2017 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Experimental Investigation of the Role of an Insulating Boundary in the Electrodynamic Force Generation in a Rarefied Arc Flow2017

    • Author(s)
      N. Fukuda, T. Toyodome, H. Katsurayama, K. Tomita, M. Makoto, and Y. Katoh
    • Organizer
      31th International Symposium on Space Technology and Science
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電磁力エアロブレーキングの希薄流効果解明を目指したアーク気流実験の数値予測とそのエンタルピー計測技術への応用の試み2016

    • Author(s)
      葛山浩,豊留拓磨,福田直生,上村圭市,矢野智也,酒井武治,加藤泰生
    • Organizer
      平成28年度宇宙航行の力学シンポジウム
    • Place of Presentation
      宇宙科学研究所(神奈川県相模原市)
    • Year and Date
      2016-12-09
    • Related Report
      2016 Research-status Report

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Published: 2016-04-21   Modified: 2020-03-30  

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