2015 Fiscal Year Research-status Report
極超音速希薄風洞を用いた火星希薄空力計測システムの構築及び凝縮による影響評価
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15K06611
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
小澤 宇志 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究員 (70567544)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 俊之 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究員 (20392839)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 航空宇宙工学 / 希薄風洞 / 数値解析 / 希薄気体力学 / DSMC / 極超音速流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，極超音速希薄風洞実験と粒子数値解析を行うことにより，極超音速希薄気体空力現象の観測手法の確立とともに，物質表面係数の計測手法・凝縮による影響評価手法の確立を目的とする．火星等の大気を想定した二酸化炭素環境下で極超音速希薄流れの気流検定手法を確立し，模型を用いた希薄空力計測と粒子数値解析の融合による手法を用いて物質表面係数の特定および凝縮による影響の評価を目指す．今年度の主な研究の成果を以下に示す．
1. CO2ノズル流DSMC数値解析を行い，ノズル部及びヒーター部を設計し，製作する：CFD-DSMC連成計算を行うことにより，クヌーセン数0.1以上，マッハ数10以上の気流を生み出すノズル部及びヒーター部を設計した．淀み温度が700 K以上になる必要があり，その仕様を満たすヒーターの製作を2015年11月20日納期にて発注した．しかし，納入されたヒーターに初期不良(リーク等)が生じたため，現在2016年5月末に納期を変更して再製作中である．
2. 極超音速希薄流計測用ピトー管を開発し，気流検定システムを構築する：DSMC数値解析においてCNT(Classical Nucleation Theory)法を用いた凝縮モデルを開発し，凝縮がピトー圧計測にあたえる影響を評価した．凝縮の気流検定への影響はノズル内部における核生成メカニズムに大きく依存することが判明した．ヒーターを使用しない非加熱環境にてCO2気流のピトー圧計測を行ったところ凝縮による影響は見られなかった．
3. ピトー圧計測により希薄風洞の性能を高精度に評価するとともに，過飽和による凝縮線を評価する：ヒーター納入遅延のため，ヒーターを使用しない非加熱環境でのみピトー圧計測を行った．その結果，凝縮による影響は確認されず，凝縮モデルを組み込んだノズル流解析結果と比較したところ，CNT核生成モデルの凝縮核閾値は比較的高く，数密度は低いことがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
数値解析では，CFD(Computational Fluid Dynamics)-DSMC(direct simulation Monte Carlo)連成計算を行うことにより，クヌーセン数0.1以上，マッハ数10以上の気流を生み出すノズル部及びヒーター部を設計した．また，CNT(Classical Nucleation Theory)法を用いた凝縮モデル開発を行い，CO2ノズル流の試験環境を推定した結果，淀み温度が700 K以上になる必要があることがわかった．さらに，ピトー管周りの流れ解析を行い，凝縮がピトー圧に及ぼす影響を評価した．
一方，今年度は希薄風洞用CO2ヒーターを設計・製作し，気流検定を実施する予定であったが，納品されたヒーターに初期不良が確認されたため，ヒーター納入が遅延した．そのため数値解析モデルの検証はヒーターを使用しない非加熱環境においてのみ実施した．その結果，非加熱環境においても凝縮によるピトー圧への影響は見られなかった．
現在のところ，2016年5月末までにヒーター納入予定であるため，納入され次第加熱環境下におけるピトー圧計測気流検定を行い，数値解析モデルの検証と過飽和による凝縮線の評価を実施する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
1. ヒーター加熱環境にてピトー圧計測を行い，CO2ノズル流の試験部における気流検定を行い，CO2気流検定システムを構築する．必要が生じればピトー管改良・ピトー圧補正モデル開発を行う．
2. ヒーター加熱環境にてピトー圧計測を行い，凝縮による影響を評価し，過飽和によるCO2凝縮線を評価する．
3. 吊り下げ模型を用い，画像処理技術・レーザー変位計を組み合わせたCO2希薄空力特性計測システムを構築する．
4. 希薄風洞計測と数値計算の融合による解析を行い，CO2気流における表面適応係数決定手法を確立し，新しい希薄気体表面モデルを開発する．また，凝縮による影響を評価する．
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| Causes of Carryover |
今年度CO2ヒーターの設計を行い，ヒーター製作を当初2015年11月20日納期にて発注した．しかし，納入されたヒーターに初期不良(リーク等)が生じたため，ヒーターの修理・再製作が必要となり，今年度使用予定であったヒーター費用が来年度に持ち越された．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
現在上記のヒーターを再製作中であり，2016年5月末に納期を設定している．
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Research Products
(6 results)
