2021 Fiscal Year Research-status Report
Study on Understanding of Flow Field in a Fluid Thrust Vectoring Nozzle and Optimization of Thrust Vectoring Performance for Aircraft Attitude Control
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21K04475
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| Research Institution | Muroran Institute of Technology |
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Principal Investigator |
畠中 和明 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (30749320)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
廣田 光智 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (50333860)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 航空機姿勢制御 / 流体的推力方向制御（FTV） / ノズル流れ / 最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，流体力学的推力偏向技術(Fluidic Thrust Vectoring: FTV)をモデル航空機に組み込み，有効な姿勢制御機構として従来の姿勢制御手法と同等以上に機能することを示すことを目的としている。令和３年度の研究実績の概要を以下に示す。
１．FTVノズル内の流れ場を数値計算によりシミュレーションして得られる結果（偏向性能）が，実験と比べて大幅に低くなることが課題となっている。令和３年度は，数値計算において設定しているノズル入口の流入条件が実際の流れ場とは異なっている可能性を考え，FTVノズルへ流入する流れを５孔ピトー管で測定し，数値シミュレーションの境界条件とした。数値計算と実験の整合性が取れることで，設計パラメーター変更によるFTVノズル性能への影響を効率的に求めることが可能になり，FTV機構の設計最適化が進むことが期待される。
２．FTVノズルの設計要素を複数抽出し，それらを単独で変化させた場合のノズル性能への影響を実験的・数値解析的に調査した。これにより，FTV性能に影響を与えうるパラメータを絞り込むことができ，FTV機構の設計最適化に貢献することが期待される。
３．FTV機構の設計最適化のための手法について検討を行った。設計最適化は，数値シミュレーション上で設計変数を変化させ，FTV性能が高い点を探索する。数値計算によって得られる結果はまだ実験結果を再現していないが，上記１．２．と並行して研究を進めることで，設計最適化の期間が短縮されることが期待される。
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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
【研究実績の概要】で述べた項目について進捗状況を示す。
１．数値解析ではこれまで，FTVノズル入口には一様な流れが流入しているという仮定で数値シミュレーションを実施していた。しかしながら，推進器（ダクテッドファン）で発生するジェットは旋回流であり，これが実験と数値解析で異なる一つの大きな要因と考えられた。先行研究において，ファンの回転数から予測される旋回を概算しFTVノズル入口の境界条件としたところ，シミュレーション結果は実験結果を再現する方向へ改善した。この結果を受け，令和３年度は，５孔ピトー管を用いてFTVノズル入口（推進器出口）の速度分布及び旋回の分布を詳細に調べ，数値解析の境界条件とした。その結果，数値解析によるFTVノズルの偏向性能評価は，実験による評価に近いものとなった。
２．FTVノズルの設計変数である「ノズル絞り比」「ノズルスカート角度」「二次流入口・出口形状」「二次流入口・出口位置」「二次流路断面形状」等を抽出し，それぞれの設計変数がFTV性能に及ぼす影響について実験的・数値解析的に調査した。
３．数種類の最適化手法を調査し，有力な候補として応答曲面法が検討された。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，【現在までの進捗状況】で述べた項目について今後の研究の推進方策について示す。
１．実験装置の制約上，推進器出口の流れ場は，FTVノズルを装着しない状態で測定された。本来推進器出口とFTVノズルは接続されており，FTVノズルを装着しない状態での流れ場は，FTVノズルを装着した状態での流れ場と異なると考えられる。今後は，FTVノズルを装着した状態で推進器出口の流れ場を測定し，数値計算の境界条件とする。その結果より実際に近い流れ場が模擬され，実験と数値解析の間の整合性が高まることが期待される。
２．FTVノズルの設計パラメータは，それぞれ単独で値を変化させてノズル性能に与える影響を評価してきたが，最適な性能を得るためにはそれらのパラメータを同時に変化させたときの影響を評価する必要があり，今後最適化手法を取り入れていく必要がある。
３．応答曲面法を使用してFTVノズルの設計最適化を進める。
FTVノズル形状の設計最適化は当初の目標通り概ね順調に進展している。研究期間内に最適化作業を進め，最終的な性能確認としてモデル航空機にFTVノズルを搭載した飛行実証試験を実施する。
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| Causes of Carryover |
当該年度３月に対面で実施される予定だった学会の旅費の一部として支出する予定であったが，開催直前にオンラインに変更されたため，支出されなかった。次年度対面で実施される学会の旅費の一部に充てる予定である。
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| Remarks |
室蘭工業大学大学院工学研究科 生産システム工学専攻 推進工学研究室Webページの研究紹介の一つとして，本研究内容をインターネットで公開している。
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