次世代有人宇宙ミッション実現へ向けた複合系流れ場解析と再突入軌道設計

• Project/Area Number: 13J04485
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Aerospace engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 石原 知明 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 極超音速流れ場 / 高温衝撃風洞 / 異常加熱 / 異常壁面圧力 / 極超音速流LES / 有人宇宙機 / 乱流解析 / LES / 対流加熱

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は地球帰還友人宇宙機の高精度熱空力予測に向けた熱化学非平衡，輻射，アブレーション，乱流といった高エンタルピー流れの宇宙機周りでの物理現象間相互作用を考慮した複合系の流れ場解析を行うことである. 2年目までに極超音速乱流場における数値解析コードを開発した．しかし，高エンタルピー流れにおいては実験と数値計算との差異が確認されており, コードの妥当性を検証するためにも実機に近い高エンタルピー流れを生成できる高温衝撃風洞HIESTの結果と数値計算結果の差異の解明を目標とした．
HIESTにおける鈍頭物体間周りの計測結果と数値計算結果との比較検証の結果，壁面熱流束と壁面圧力において差異が観測されている．前者の壁面熱流束に関しては, 2年目までにその原因の解明と高精度に予測するための補正法を提案し, 本年度, Transaction of JSASSにJournal論文として刊行された. また壁面圧力については, 鈍頭周り流れ場解析の上流条件を決めるノズル解析コードにおいて従来の手法に問題があることを発見し，その補正法を提案した．この結果についてまとめたものもAerospace Science and TechnologyにJournal論文として刊行された．さらに開発した極超音速乱流場コードとこれらの補正法を用いて，HIESTで行われたダイアモンドラフネスを用いた壁面熱流束測定結果とも比較を行った．非定常乱流場における正確な熱流束を予測するためには, トリップ形状等の工夫が必要があるとわかった．
極超音速乱流場における正確な熱流束を予測するためには, 実験と数値計算のより詳細な検証が求められるが，本研究を通して得られた補正法と極超音速乱流場解析コードを用いることで，高エンタルピー条件下における壁面熱流束及び空力係数を予測可能になることが期待される．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Numerical study on wall pressure over cone region of blunt-nosed body in high enthalpy shock tunnel HIEST (2016)
  • Author(s): Tomoaki ISHIHARA, Yousuke OGINO, Takumi KINO, and Naofumi OHNISHI
  • Journal Title: Aerospace Science and Technology Volume: 50 Pages: 256-265
  • DOI: 10.1016/j.ast.2015.12.015
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Numerical Study on Abnormal Heat Flux Augmentation in High Enthalpy Shock Tunnel (HIEST) (2015)
  • Author(s): Tomoaki ISHIHARA, Yousuke OGINO, Naofumi OHNISHI, and Hideyuki TANNO
  • Journal Title: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES Volume: 58 Issue: 6 Pages: 319-326
  • DOI: 10.2322/tjsass.58.319
  • NAID: 130005107521
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] LES Computation of Turbulent Heat Flux on Reentry Capsule Afterbody with Forced Transition (2015)
  • Author(s): Tomoaki Ishihara, Yosuke Ogino, Naofumi Ohnishi, Hideyuki Tanno
  • Journal Title: Proceedings of 52nd AIAA Aerospace Science Meeting Volume: 1 Pages: 1-11
• [Journal Article] 高温衝撃風洞主流の鈍頭円錐模型壁面圧力への影響に関する数値解析 (2015)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介，大西直文, 丹野英幸
  • Journal Title: 平成26年度衝撃波シンポジウム Volume: 1 Pages: 1-9
• [Journal Article] 高次精度スキームを用いた大気圏突入カプセル後部の壁面加熱率に関する数値解析 (2014)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介，大西直文, 澤田惠介
  • Journal Title: 第46回流体力学講演会/航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2014講演論文集 Volume: 1 Pages: 1-5
• [Journal Article] 高次精度スキームを用いた大気圏突入カプセル後方部の強制遷移流れ場計算 (2014)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介，大西直文, 澤田惠介, 丹野英幸
  • Journal Title: 日本機械学会2014年度年次大会講演論文集 Volume: 1 Pages: 1-6
• [Journal Article] 大気圏突入カプセル後方部の強制乱流遷移流れ場における壁面加熱率計算 (2014)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介，大西直文, 澤田惠介, 丹野英幸
  • Journal Title: 日本流体力学会年会2014講演論文集 Volume: 1 Pages: 1-4
• [Journal Article] 極超音速乱流場解析に向けたWENO法に基づくLESコード開発 (2014)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介，大西直文, 澤田惠介, 丹野英幸
  • Journal Title: 日本機械学会第27回計算力学講演会講演論文集 Volume: 1 Pages: 1-3
  • NAID: 110009940417
• [Journal Article] Numerical Analysis on Aerothermodynamic Characteristics of Blunt-nosed Cone in Free-Piston Shock Tunnel HIEST (2014)
  • Author(s): Tomoaki Ishihara, Reika Aizawa, Yosuke Ogino, Naofumi Ohnishi, Keisuke Sawada
  • Journal Title: Proceedings of 52^<nd> AIAA Aerospace Science Meeting Volume: (CD-ROM)
• [Journal Article] 鈍頭円錐物体周りの流れ場における熱化学過程解析モデルの検討 (2013)
  • Author(s): 石原知明, 相澤怜香, 荻野要介, 大西直文
  • Journal Title: 第45回流体力学講演会/航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2013講演論文集 Volume: (CD-ROM)
• [Journal Article] 鈍頭円錐物体周りの流れ場における化学非平衡モデルの検討 (2013)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介, 大西直文, 澤田惠介
  • Journal Title: 日本流体力学会年会2013講演論文集 Volume: (CD-ROM)
• [Presentation] Computation of Turbulent Heat Flux with Roughness Induced Transition in High Enthalpy Shock Tunnel (2016)
  • Author(s): Tomoaki ISHIHARA, Yousuke OGINO, Naoufmi OHNISHI, and Keisuke SAWADA
  • Organizer: AIAA Science and Technology Forum and Exposition 2016
  • Place of Presentation: Manchester Grand Hyatt
  • Year and Date: 2016-01-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 極超音速流中の強制遷移流れにおける壁面加熱率解析 (2015)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介, 大西直文, 澤田惠介, 丹野英幸
  • Organizer: 第59回宇宙科学技術連合講演会
  • Place of Presentation: 鹿児島県かごしま県民センター
  • Year and Date: 2015-10-07
• [Presentation] 極超音速乱流場における大気圏突入機の壁面加熱率解析 (2015)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介, 大西直文, 澤田惠介, 丹野英幸
  • Organizer: 日本機械学会2015年度年次大会
  • Place of Presentation: 北海道大学工学部
  • Year and Date: 2015-09-14
• [Presentation] LES Computation of Turbulent Heat Flux on Reentry Capsule with Forced Transition (2015)
  • Author(s): Tomoaki ISHIHARA, Yousuke OGINO, Naoufmi OHNISHI, Keisuke SAWADA, and Hideyuki TANNO
  • Organizer: 第30回宇宙科学技術に関する国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター
  • Year and Date: 2015-07-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 極超音速流中の強制遷移流れにおける壁面加熱率解析 (2015)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介, 大西直文, 澤田惠介, 丹野英幸
  • Organizer: 第４７回流体力学講演会／第３３回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学 生産技術研究所 駒場リサーチキャンパスAn棟
  • Year and Date: 2015-07-02
• [Presentation] 高温衝撃風洞主流の鈍頭円錐模型壁面圧力への影響に関する数値解析 (2015)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介，大西直文, 丹野英幸
  • Organizer: 平成26年度衝撃波シンポジウム
  • Place of Presentation: 群馬県渋川市伊香保温泉ホテル天坊
  • Year and Date: 2015-03-09
• [Presentation] LES Computation of Turbulent Heat Flux on Reentry Capsule Afterbody with Forced Transition (2015)
  • Author(s): Tomoaki Ishihara, Yosuke Ogino, Naofumi Ohnishi, Hideyuki Tanno
  • Organizer: 52nd AIAA Aerospace Science Meeting
  • Place of Presentation: Kissimmee, FL, USA
  • Year and Date: 2015-01-05
• [Presentation] 極超音速乱流場解析に向けたWENO法に基づくLESコード開発 (2014)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介，大西直文, 澤田惠介, 丹野英幸
  • Organizer: 日本機械学会第27回計算力学講演会
  • Place of Presentation: 岩手県盛岡市 岩手大学 工学部キャンパス
  • Year and Date: 2014-11-24
• [Presentation] 大気圏突入カプセル後方部の強制乱流遷移流れ場における壁面加熱率計算 (2014)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介，大西直文, 澤田惠介, 丹野英幸
  • Organizer: 日本流体力学会年会2014
  • Place of Presentation: 宮城県仙台市 東北大学 川内キャンパス
  • Year and Date: 2014-09-17
• [Presentation] 高次精度スキームを用いた大気圏突入カプセル後方部の強制遷移流れ場計算 (2014)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介，大西直文, 澤田惠介, 丹野英幸
  • Organizer: 日本機械学会2014年度年次大会
  • Place of Presentation: 東京都足立区 東京電機大学 東京千住キャンパス
  • Year and Date: 2014-09-10
• [Presentation] 高次精度スキームを用いた大気圏突入カプセル後部の壁面加熱率に関する数値解析 (2014)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介，大西直文, 澤田惠介
  • Organizer: 第46回流体力学講演会/航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2014
  • Place of Presentation: 青森県弘前市弘前文化センター
  • Year and Date: 2014-07-03
• [Presentation] Numerical Analysis on Aerothermodynamic Characteristics of Blunt-nosed Cone in Free-Piston Shock Tunnel HIEST (2014)
  • Author(s): Tomoaki Ishihara, Reika Aizawa, Yosuke Ogino, Naofumi Ohnishi, Keisuke Sawada
  • Organizer: 52^<nd> AIAA Aerospace Science Meeting
  • Place of Presentation: Gary load national resort, National Harbor, Maryland, USA
  • Year and Date: 2014-01-16
• [Presentation] 鈍頭円錐物体周りの流れ場における化学非平衡モデルの検討 (2013)
  • Author(s): 石原知明, 荻野要介, 大西直文, 澤田惠介
  • Organizer: 日本流体力学会年会2013
  • Place of Presentation: 東京農工大小金井キャンパス
  • Year and Date: 2013-09-14
• [Presentation] 鈍頭円錐物体周りの流れ場における熱化学過程解析モデルの検討 (2013)
  • Author(s): 石原知明, 相澤怜香, 荻野要介, 大西直文
  • Organizer: 第45回流体力学講演会/航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2013
  • Place of Presentation: タワーホール船堀
  • Year and Date: 2013-07-05