ロケット用超音速ノズル過渡運転時に生じる横方向推力の基礎研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12450075
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 辻本 良信 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (50112024)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 横田 和彦 名古屋工業大学, 機械工学科, 助教授 (70260635) ; 坂爪 則夫 宇宙開発事業団, 宇宙輸送システム本部, 主任開発部員 ; 吉田 義樹 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教授 (80240836)
• Keywords: Mach Disk / Cap Shock / Free Shock Separation / Restricted Shock Separation / Trapped Vortex / フィルム冷却用段差 / CTPノズル

Research Abstract

本研究ではロケットノズルに生じる横雑力発生メカニズムの解明を目的として、本年度は2つの方法で研究を行った。
まず新たに製作した超音速ノズルを用いて2次元サブスケールモデル実験を行った。この結果、昨年度報告したように、起動・停止時に流れ場が非対称になり、2つの剥離形態の同時発生が確認された。すなわち、剥離後再付着しないFree Shock Scparation(FSS)と剥離後再付着するRestricted Shock Scparation(RSS)の同時発生である。このような現象が起こると横推力が大きくなることが、同時に行った数値シミュレーションからも明らかとなった。このような現象が起こる理由としては、Cap-Shock発生に伴う衝撃波構造の変化などが考えられるが、2次元モデル実験においては、実験条件によっては、衝撃波に起因する側壁の剥雛により流れ場の3次元性が生じノズル壁面における剥離形態に影響を与えることが判明した。このような事例は、詳細な研究が行われていないために、今後の基礎研究を行う上で重要なデータになると考えられる。
次にLE-7Aノズルの子午断面を用いた2次元平面流モデル数値シミュレーションを行い、実機スケールにおいて、非対称な流れ場を観察した。このシミュレーションではさらに、実機に設けられたノズル内部のフィルム冷却用段差の影響について詳細に調べた。その結果、起動時・停止時ともにフィルム冷却の有無にかかわらず、横推力に対して、段差が大きく影響していることがわかった。特に起動時とフィルム冷却を行わない場合の停止時には、一定の圧力比の範囲で剥離点の移動が段差で捕獲され、ある圧力比に達すると急激かつ非対称に段差とノズル出口との間で移動するという現象が観察され、横推力発生のメカニズムとして新たな要素が確認された。