2021 Fiscal Year Research-status Report
大型プラズマ風洞を用いた再突入ブラックアウト低減化研究の深化と加速
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17KK0123
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
高橋 裕介 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (40611132)
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2018 – 2022
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| Keywords | 惑星大気再突入 / 通信ブラックアウト低減化 / プラズマ中の電磁波伝播 / 表面触媒効果 / エアフィルム効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大気再突入時に高温プラズマに包まれた宇宙機が、地上局やデータ中継衛星との通信途絶現象（通信ブラックアウト）に陥ることがある。通信ブラックアウト低減化は着地着水点の高精度予測や再突入中のデータ送受信の上で重要な課題である。これまで磁場印加や、柔軟構造再突入機、テラヘルツ波など様々な低減化手法が提案されている。いま課題実施者の研究グループでは、表面触媒性を用いた宇宙機後流プラズマ密度低下を利用することによる新しい通信ブラックアウト低減を提案している。ここでは表面効果による通信ブラックアウト低減化メカニズムおよび低減化技術の指針を見出すことを目的とする。
再突入機近傍のプラズマ諸量分布や電磁波挙動の正確な予測が難しく、通信ブラックアウト低減に繋がる知見の探索が困難な状況であった。この問題を緩和するために、再突入時における宇宙機近傍の電磁波挙動を明らかにすることは有効である。本課題実施者は、これまでプラズマ流解析・電磁波解析ソフトウェアを開発し、再突入時における宇宙機近傍の電磁波解析を明らかにしてきた。ここではそれをコア技術として、大型風洞による低減化実証と合わせて研究を推進する。
昨年度に引き続き本年度でもドイツ航空宇宙センター（DLR）に滞在し通信ブラックアウト低減化研究を実施する予定だったが、新型コロナウイルス感染症拡大防止方策に伴う海外移動制限から今年度も残念ながら断念した。一方でDLR研究者との議論は継続しつつ、現所属機関（北海道大学）において遂行可能な低減化研究の実施を行った。それはJAXAプラズマ風洞における実証試験とスーパーコンピューター富岳などを用いた大規模数値計算である。主にはこれら２つのアプローチを用いて従来課題の低減化手法の研究を行うとともに、新しい低減化技術の実験的・数値的実証も実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
JAXAプラズマ風洞を用いたエアフィルム効果による通信ブラックアウト低減化の実証実験を実施した。加えて、数値解析手法によって風洞実験環境の再現を図った。その意図は実験前の適切な実験条件の策定と、実験後のメカニズム調査を行うことである。エアフィルム低減化法は機体表面からガスを噴出することで機体をフィルム状に覆い、そのフィルム内と後流に電磁波伝播経路を形成するものである。これは本課題実施中に海外研究機関DLR研究者との議論を通して新しい低減化手法の着想を得たものである。
プラズマ風洞を用いた実験においては、エアフィルムを形成する試験模型を作成し風洞気流への投入を実施した。この投入期間において冷却空気（エアフィルム）を模型表面から噴出することでエアフィルム領域を形成する。とくに今回は噴出流量をパラメータとして、ブラックアウト低減化に対する依存性を調べた。一定の流量でブラックアウトを回避できることを見出した。同様に数値解析でも噴出流量によってブラックアウト回避を達成することを見出した。
これまで本課題で取り組んできた表面触媒効果の長所が明らかになりつつある一方で、表面触媒では十分な低減化効果を見いだせない条件もわかってきた。本課題を通してエアフィルム効果という新しい低減化技術につながる表面技術を見出し、さらに実験的・解析的な実証を進めた点は大きな進捗であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
依然として新型コロナウイルス感染症拡大防止方策により海外移動・滞在が厳しく制約される状況であり、海外研究機関への渡航可能性が不明瞭である。今後としては、国内に設置されている大型プラズマ風洞や数値解析的アプローチ、海外研究機関の共同研究者との連絡を密に取っていくことで、下記の研究内容を推進する。また感染状況が改善され、海外移動の制限が緩和された折にはできる限り滞在予定先研究機関に渡航し研究継続を行う。
（１）JAXA宇宙科学研究所1MW アーク加熱風洞を用いてプラズマ気流を生成し、通信装置・冷却ガス噴出機構を有する試験模型を用いて通信ブラックアウト低減化研究の深化を実施する。前年度において噴出流量をパラメータとした実験を複数回実施したが、本年度ではパラメータ条件を増やしより詳細な低減化挙動データを取得する。合わせてエアフィルム形成に伴う加熱率低減にも注目したい。エアフィルム形成時の加熱状況を取得し、どの程度の加熱率低減が見込まれるかも評価する。
（２）前年度では円柱を一部切り落としたような単純形状の試験模型で実験を実施したが、実際の宇宙機とはかけ離れた形状であった。幾何的形状がエアフィルム効果に及ぼす影響も調べるために、より実際の宇宙機に近い形状での試験も実施する。適切な噴出し位置の検証も課題である。
（３）本課題を通して表面効果を用いた通信ブラックアウト低減化は数値的・実験的に実証されつつある。将来のステップとして重要なのは実飛行試験による実証である。それには超小型衛星などを利用した再突入試験が必要となるが、このミッションデザインについて数値解析等を利用して行っていく。このときエアフィルム噴出位置などを適切に配置した宇宙機形状をいくつか提案し、数値解析によるエアフィルムによる通信ブラックアウト低減化効果の検証を実施する。
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Research Products
(5 results)
