次世代垂直離着陸型再使用ロケットの着陸安全性に関する空気力学的研究

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11450376
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 鈴木 宏二郎 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助教授 (10226508)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 綿貫 忠晴 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (00182965)
• Keywords: 再使用宇宙輸送システム / 垂直離着陸ロケット / 噴流 / 地面効果 / 数値流体力学

Research Abstract

次世代再使用宇宙輸送システムの有力候補である垂直離着陸ロケットは、着陸時に逆噴射ロケットの噴流と地面および機体が空力的に干渉を起こす。本研究は、その特性と機体の着陸安全性に与える影響を明らかにし、解決策を示す事を目的とする。本年度は底面中央に噴射口を1つ持つ簡単な形状を対象とした。
実験は既存のコンプレッサー/貯気槽を用いた小型単一ノズル模型について行われた。模型底面に多数の圧力測定孔を設けることで圧力分布を得、機体に働く空気力はその面積積分で求められる。その結果:
・噴流による機体底面の流れ場は高度が下がるに従い「周辺大気吸い込み型」から「渦型」に遷移する、
・それに従い、地面効果による下向きの空気力が発生し、ロケットの上向き推力が打ち消されてしまう、
・地面近傍で機体が傾くと、その傾きを促進する向き(不安定)に空力的モーメントが働くことがある、
等が明らかになった。これらの対策として、地面にラフネスを付け厚い地面境界層を作る事や、機体底面にスカートを付け底面流れを制御する事などが試みられ、前者の有効性が示された。次のステップとして、より現実的な機体底面に2〜4個の噴射口を持つ形状についての実験準備を進めている。大容量の圧縮機/貯気槽を導入し、現在、試験模型を製作中である。
上記、実験と同一ケースについてNavier-Stokes方程式による数値解析が行われ、同様の結果が得られている。数値解析では、実験で捉える事の困難な、噴流の非定常振動に重点が置かれて研究が進められた。自由噴流においてショックセル構造が下流で乱れ大規模渦構造を形成する自励振動のメカニズムが明らかにされた。現在は、実験に先行して2〜4の噴流が平行に噴き出ている場合についての解析を進めている。

Research Products

• [Publications] Kojiro Suzuki and Nobuyoshi Fujimatsu: "Application of CIP Method to Viscous Supersonic and Hypersonic Flow Analysis around Aerospace Vehicles"Computational Fluid Dynamics Journal. 8,1. 113-120 (1999)
• [Publications] 和田和彦,藤松信義,綿貫忠晴,鈴木宏二郎: "垂直離着陸型ロケットのノズル噴流と地面の干渉による機体底面空気力に関する実験"平成11年度宇宙航行の力学シンポジュウム論文集. (印刷中).
• [Publications] 藤松信義,鈴木宏二郎: "円形音速自由噴流の数値解析"平成11年度宇宙航行の力学シンポジュウム論文集. (印刷中).
• [Publications] 藤松信義,鈴木宏二郎: "自励振動する超音速自由噴流の数値解析"第13回数値流体力学シンポジュウム講演論文集. 17-17 (1999)