2018 Fiscal Year Research-status Report
垂直着陸式再使用型ロケットの帰還飛行における推進剤消費最小化の研究
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18K04569
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
野中 聡 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, 准教授 (40332150)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 再使用ロケット帰還飛行 / 推進剤消費最小化 / 姿勢転回運動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では垂直着陸型再使用ロケットの帰還飛行において、推進剤の消費を最小とする方法として空気力を最大限に利用した減速方法を考え、空気力学および運動力学の観点で考察し、垂直着陸型再使用ロケットのシステム構築に必要となる空力設計や帰還飛行方法の考え方を示すことを目的としている。
1年目の平成30年度においては、再使用ロケットの帰還飛行において推進剤の消費を最小化するための姿勢転回運動を伴う運動解析が可能な解析ツールを構築し、風洞実験により静的な空力特性を取得して空気力を最大限に利用した減速を実現するための飛行方法と機体形状を検討した。検討のベースとなる機体胴体部の形状として宇宙航空研究開発機構において研究が進められている再使用ロケット実験機の機体胴体形状を設定し、6分力計測用の風洞試験模型を製作した。宇宙航空研究開発機構・宇宙科学研究所の風洞設備において、製作した模型を用いて空力特性を取得するための風洞試験を実施した。また、飛行時における舵効き特性を評価するため、小型の舵面（尾翼形態）を風洞試験模型に取り付け、縦の姿勢運動の評価に必要な空力特性を取得するための風洞試験を実施した。これらの試験により取得された空力特性データを用い、構築した運動解析ツールにより機体重心位置や舵効き特性による姿勢運動の成立性を評価した。
姿勢転回運動時の機体角速度および転回後の姿勢安定性について機体重心位置をパラメータとして評価し、角速度を抑えながら転回後の姿勢を安定できる重心位置範囲を明らかにした。実際のロケットにおける重心位置は一般的にさらに機体後方に位置するため、風洞試験により得られた舵効き特性を反映することで、より現実的な重心位置範囲において姿勢運動を成立するための空力デバイスとなる最小面積の舵面の検討を進めている。
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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
垂直着陸式の再使用型ロケットでは、地上への軟着陸に向けて帰還飛行中に減速が必要であるが、海外で実用化されつつあるシステムのように、エンジン推力を主とした減速では推進剤の消費量が多いため、打ち上げ能力が低下することとなる。本研究では垂直着陸型再使用ロケットの帰還飛行において、推進剤の消費を最小とする方法として空気力を最大限に利用した減速方法を考え、運用システムとして成立する機体形状や姿勢運動を含めた飛行プロファイルなど、空気力学および運動力学の観点で考察し、垂直着陸型再使用ロケットのシステム構築に必要となる空力設計や帰還飛行方法の考え方を示すことを目的とする。
1年目の平成30年度の当初計画としては、最小面積の空力デバイスで運動可能な機体形状を検討して風洞試験により静的な空力特性を取得し、機体形状に対する課題を整理した上で、姿勢運動を可能とする機体形状を設定することとしていた。これに対し、ベースとなる機体形状を設定し、風洞試験を実施して得られた空力特性により運動解析を実施して、運動を成立可能な機体重心位置範囲を明らかにするとともに、重心位置を空力デバイスにより改善する必要があるという課題を明らかにできている。2年目においては、この空力デバイスの面積を現実的な重心位置範囲における姿勢転回運動の成立性の観点で最小化し、縦の運動を模擬するための動的な風洞試験が可能なスケールモデルを設計および試作して、滑空時の迎角維持や大迎角における姿勢安定性など空気力による減速に必要となるロケットの運動の成立性を風洞内において実証し、機体形状および姿勢運動に対する課題を抽出する計画である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では機体形状検討と風洞試験による空力特性の取得を行うとともに、動的な風洞試験により空気力による減速に必要となる、ロケットの運動の成立性を風洞内において実証する。
1年目に引き続き、研究代表者が機体形状検討、風洞試験、運動解析の方針、計画、実行を取りまとめて3か年で本研究を行う。研究協力者の補助のもとに機体形状検討および風洞試験を行い、研究協力者と連携して運動解析および姿勢運動の成立性評価を行う。また、宇宙航空研究開発機構・宇宙科学研究所の風洞設備を効率的に利用することで、本研究に関わる空気力学的な課題を早期に抽出するとともに、抽出された課題に対しては空気力学および飛行力学に関して多くの知見を有する研究協力者と協力・連携して対策を行う。
本研究期間において動的な風洞試験を実施し、空力デバイスによる姿勢制御を行うことで姿勢制御性を含めて帰還飛行の成立性を明らかにする。風洞試験に供する模型は光造形技術などを利用して短期間で製作し、データを効率的に取得する計画である。風洞試験から得られた結果をもとに帰還飛行の解析に必要なパラメータをモデル化し、帰還飛行における姿勢運動と減速および垂直着陸フェーズの解析を行い、帰還飛行において消費する推進剤を最小化するための帰還方式を明らかにする。これらの結果をまとめ、本研究のゴールである垂直着陸型再使用ロケットのシステム構築に必要となる空力設計や帰還飛行方法の考え方を示す。
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Research Products
(1 results)
