Accurate Prediction of Mars Entry Systems Hypersonic Aerodynamics with Strong Real Gas Effects Involved

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03486
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 藤田 和央 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (90281584)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 野村 哲史 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 研究開発員 (80709361)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 極超音速空力特性 / 実在気体効果 / 非平衡機体力学 / 軽ガス銃 / 火星探査

Outline of Annual Research Achievements

本研究においては，まず火星へ大気突入する探査プローブの飛行環境と等価の試験環境を実現するために，流れ場の無次元数を実飛行環境と実験環境で一致する条件を選定し，これに基づいて軽ガス銃の運用条件と試験部の詳細設計を確定し，地上において火星大気突入と等価の試験環境を実現することに成功した．衝撃波管や衝撃風洞を用いた類似の研究は世界にもいくつか存在するが，軽ガス銃を用いて火星大気突入等価環境を地上に再現した研究は世界で初めてとなる．この開発においては，軽ガス銃によって模型を4.2 km/sの速度で射出するために軽ガス銃ガスドライバの改修を行った．次に，当該試験環境を利用して直径15.4 mmのカプセル模型を全長2.7 mの試験部に自由飛行させ，その運動を4つの窓から観測し，その運動を特定し，観測された運動を生じるための実在気体空力係数を逆問題として算出することによって，火星大気突入等価環境においてカプセルの実在気体空力係数を直接計測することに世界で初めて成功した．この研究開発においては，限られた資金の中で 4.2 km/sで飛行する模型の位置と姿勢の履歴を観測するために，安価なメガピクセルカメラを4台用い，これらの絞りを最大限に絞った状態で模型が自由飛行する間シャッターを開放し，40 nsの発光時間／30 kHzの発光間隔を有するフラッシュ光源をもちいてそれぞれのカメラに複数の模型イメージを多重露光させることによって，シャドーグラフ・イメージを4台のカメラに各2~3イメージ，合計10イメージを取得する可視化システムと，画像処理によってカプセルの運動を特定する手法，さらに当該運動をもたらす実在気体空力係数を逆問題として推定する手法を開発した．この成果は，火星大気突入システムの空力設計の妥当性を，フライト前に地上において検証する手法の原理を実証したという点において，画期的である．

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CentraleSupélec and DR4 of CNRS(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: CentraleSupélec and DR4 of CNRS
• [Journal Article] Simulations of CO2-CO Infrared Radiation Measurements in Shock and Expansion-Tubes (2020)
  • Author(s): Dubuet, U., Nomura, S., Matsuyama, S., Lemal, A., Takayanagi, H., and Fujita, K.
  • Journal Title: Journal of Journal of Thermophysics and Heat Transfer Volume: TBD Pages: TBD
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploration Technology Development for Moon to Mars (2020)
  • Author(s): Fujita, K., Usui, T., and Sato, N.
  • Organizer: Symposium on Planetary Sciences 2020（惑星圏研究会2020)
  • Invited
• [Presentation] 火星カプセル実在機体効果評価のための軽ガス銃による自由飛行試験 (2020)
  • Author(s): 野村哲史、浅井勝利、水野雅仁、藤田和央
  • Organizer: 2019年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] レーザー干渉計を用いた衝撃波近傍の電子数密度測定に対する衝撃波管管径における影響の検証 (2020)
  • Author(s): 岡本誉史、藤田和央、野村哲史、山田和彦、松井信
  • Organizer: 2019年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] 膨張波管HVETにおける火星大気突入環境模擬 (2020)
  • Author(s): 髙栁大樹, 野村哲史, 藤田和央
  • Organizer: 2019年度衝撃波シンポジウム
• [Presentation] Study of Ablative Thermal Protection System with Density Gradient (2019)
  • Author(s): Suzuki, T., Kubota, Y., Ishida, Y., Aoki, T., Fujita, K., Yamada, K., and Hirai, K.
  • Organizer: 32nd International Symposium on Space Technology and Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Conceptual Study of Mars Aerocapture Orbiter for Engineering Demonstration and Science Observation (2019)
  • Author(s): Fujita, K., Hatakeyama, R., Nishi, K., Ikenaga, T., Takeuchi, H., Suzuki, T., and Haruki, M.
  • Organizer: 32nd International Symposium on Space Technology and Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nonequilibrium Effects in Precursor Electron ahead of Shock Waves (2019)
  • Author(s): Kawakami, T., Nomura, S., and Fujita, K.
  • Organizer: AIAA Aviation 2019 Forum
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simulations of CO2-CO Infrared Radiation Measurements in Shock and Expansion-Tubes (2019)
  • Author(s): Dubuet, U., Nomura, S., Matsuyama, S., Takayanagi, H., Fujita, K., and Lemal, A.
  • Organizer: AIAA Aviation 2019 Forum
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] オートクレーブを使用した傾斜機能型アブレータ製造性の初期検討 (2019)
  • Author(s): 鈴木俊之，久保田勇希，石田雄一，青木卓哉，藤田和央，山田和彦，平井研一
  • Organizer: 第51回流体力学講演会/第37回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
• [Presentation] 吸収分光法のCO2膨張波管気流温度計測への適用 (2019)
  • Author(s): 野村哲史、高柳大樹、Ulysse Dubuet, 藤田和央
  • Organizer: 第51回流体力学講演会/第37回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
• [Presentation] 衝撃波管二酸化炭素気流からの赤外線発光強度計測における誤差評価 (2019)
  • Author(s): 髙栁大樹, 野村哲史, 藤田和央
  • Organizer: 第51回流体力学講演会/第37回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
• [Presentation] Measurement of Real-Gas Aerodynamics for Martian Atmospheric Entry Using a Light-Gas Gun (2019)
  • Author(s): Fujita, K., Nomura, S., Matsuyama, S., and Tanno, H.
  • Organizer: 32nd International Symposium on Shock Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Absorption Spectroscopy of CO2 Flows in Expansion Tube (2019)
  • Author(s): Nomura, S., Fujita, K., and Dubuet, U.
  • Organizer: 32nd International Symposium on Shock Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TRANSLATIONAL TEMPERATURE MEASUREMENTS OF CO2 FLOW IN EXPANSION TUBE (2019)
  • Author(s): Nomura, S., and Fujita, K.
  • Organizer: The International Conference on Flight vehicles, Aerothermodynamics and Re- entry Missions and Engineering (FAR2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of Functionally Graded Ablative Material with Density Gradient (2019)
  • Author(s): Suzuki, T., Kubota, Y., Ishida, Y., Aoki, T., Fujita, K., Yamada, K., and Hirai, K.
  • Organizer: The International Conference on Flight vehicles, Aerothermodynamics and Re- entry Missions and Engineering (FAR2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental radiation measurement from CO2 flow in shock tube and expansion tube (2019)
  • Author(s): Takayanagi, H., Dubuet, U., Nomura, S., and Fujita, K.
  • Organizer: The International Conference on Flight vehicles, Aerothermodynamics and Re- entry Missions and Engineering (FAR2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hypersonic Aerothermodynamic Researches for TPS development (2019)
  • Author(s): Fujita, K
  • Organizer: High Temperature Material Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] アブレーションセンサユニット（ASU）の飛行実証結果について (2019)
  • Author(s): 藤田和央, 鈴木俊之, 酒井武治, 岩本健太, 小澤宇志, 石田雄一
  • Organizer: 第63回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 極超音速自由飛行試験にむけたJAXA25mm軽ガス銃の高速化について (2019)
  • Author(s): 野村哲史, 藤田和央
  • Organizer: 第63回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 実在気体空力実測に向けた自由飛行模型の運動解析 (2019)
  • Author(s): 浅井勝利.、野村哲史、藤田和央、松井信
  • Organizer: 令和元年度 宇宙航行の力学シンポジウム