Free-stream calibration in high-enthalpy shock tunnel with tunable diode laser absorption
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19F19717
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 外国 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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| Host Researcher |
丹野 英幸 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主幹研究開発員 (30358585)
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| Foreign Research Fellow |
MANOHARAN ROUNAK 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, その他部局等, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2019-11-08 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2019: ¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000)
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| Keywords | 半導体レーザー / 吸収分光 / 極超音速流 / 衝撃風洞 / 極超音速流れ |
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| Outline of Research at the Start |
大気圏再突入時の秒速8km/sの空気の流れを作り出す衝撃風洞は、空気を10000度に加熱するため、酸素・窒素分子が原子状態に変わってしまい、正確な温度・密度がわかりません。更に、空気の流れが持続する時間が千分の数秒と極めて短いため、一般的な装置での計測は不可能です。この研究では半導体レーザーを用いた分光法（TDLAS：可変波長半導体レーザー吸収分光法）を新たに開発し、極めて短い時間で、秒速8km/sの高温衝撃風洞の空気の温度・密度を計測する技術を開発します。計測結果はコンピュータによる計算予測値と比較し、正しさを検証します。
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| Outline of Annual Research Achievements |
以下の2020年度の成果を示す。
①高温衝撃風洞設備ノズル境界層の影響を回避するための昨年度製作したプラットフォームを改良し、計測精度に最も影響を与える光路上の水分子（大気中の水蒸気）を置換するためのHeガスパージシステムの開発を行った。パージシステムは良好に作動し水分子の影響を数10分の１から数百分の1に低減することに成功した。
②上記プラットフォーム上に2019年度に開発した水分子検出用TDLAS(半導体レーザー吸収分光装置)を構築し、高温衝撃風洞気流中の水分子吸収分光計測を行った。異なる2つの吸収線分布を一度のスキャンで取り込むことで、2ライン吸収線温度計測を実施し、試験気流中の水分子の回転振動温度履歴を計測することに成功した。試験気流温度として700K(よどみ点エンタルピ10MJ/kg)までの温度計測が可能であることを実証した。酸素の吸収線計測結果との比較し、今回計測した温度履歴が異なることも確認された。
③今回の水分子検出用TDLASで計測した温度履歴より、高温衝撃風洞試験気流の静温履歴プロファイルは、試験気流Pitot圧力履歴プロファイルと異なる（特に気流到達時付近）ことが新知見として得られた。原因として気流の熱化学非平衡性が疑われる。この温度履歴計測より、水分子温度が風洞駆動気体(He)到達時間とほぼ等しいタイミングで低下することが確認された。この結果を応用することで、本計測法を高温衝撃風洞気流の試験時間の同定法に発展させる可能性が示唆される。
④熱化学非平衡モデルを組み込んだ数値シミュレーションと今回の計測結果を比較したところ、計測値が数値計算結果よりも20％程度高いことが確認された。この差異は③と同様に熱化学非平衡モデルの精度の問題と推定される。
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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
当初計画していたとおり、高温風洞計測用TDLASの光学系、半導体レーザーの入手・システム構築は問題なく完了した。設備ノズル境界層の影響を回避するための、新設計・製作の光学窓についても設計通り機能しており、風洞試験での健全性評価も完了している。残存水分子の影響を遮断するためのHeガスパージシステムは、微量の水分子の残存が確認されており、改善の必要はあるが、計測精度に致命的な影響を与えるほどでは無い。既によどみ点エンタルピ10MJ/kgまでの気流条件での高温衝撃風洞試験は実施しており、当初の計画通り試験気流の静温の履歴の取得に成功している。
計測結果と数値シミュレーション結果の比較も開始しており、計測結果が数値シミュレーションよりも20%程度高いことが確認されている。これは数値シミュレーションコードに内蔵されている熱化学非平衡モデルの精度の問題と推定されるが、詳細は解析中である。また他の分子(酸素)の吸収線による試験結果との比較も行い、衝撃風洞気流における分子間の非平衡性についての検討も開始した。
コロナウィルス蔓延は、風洞試験へのインパクトはなかったが、研究発表については影響を受けた。発表を予定していた国際学会が中止となり、予定していた発表はできなかった。他の国際学会での発表を昨年度の代替として今年度に行う計画とした。年度当初は中国製光学部品の入手に目処が立たなくなったため、日本製で代替することでコロナの影響を回避した。
また、風洞試験最後で、既存半導体レーザー制御装置の故障により、今回使用していた半導体レーザーを破損することとなったが、これは当初から予定した半導体レーザーの寿命の範囲内であり、計画の進捗に対する大きな問題とはなっていない。
パージ用のガスとして窒素ガスも用いたが一般的な窒素ガスは蒸気が残存しているため、今回の試験ではHeガスをパージガスとして用いている。
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| Strategy for Future Research Activity |
高温衝撃風洞を用いて、更に高速気流条件(よどみ点エンタルピ10MJ/kg以上)でのTDLAS計測試験を実施し、本レーザー吸収分光システムの適用限界を同定する。高速気流条件では気流静温が更に高温となり、1000Kを超える。この高温度域では卓越する水分子吸収線波長が低温条件とは異なるため、高温吸収帯波長で発振可能な半導体DFBレーザーを既存TDLASに追加し、可観測波長域の拡張をすることで可観測範囲を高温度域まで広げることを狙う。また、昨年度の観測で確認された静温履歴プロファイルと気流Pitot圧力履歴プロファイルの乖離を高速気流条件(即ち高温条件)で観測することで、乖離の原因を探る。原因として最も疑われる熱化学非平衡性は温度依存であるため、温度依存性の検証も期待できる。他の分子(酸素、酸化窒素等)による吸収線計測を試みることで、熱化学非平衡性の検証も継続して行う。
計測に最も影響を与える残存水分子の対策として、昨年度までパージガスとして使用したHeガスの代替に分子量の大きい純窒素ガスを用いる。またパージシステムとして室内大気の侵入を防ぐ密閉隔離構造のパッケージを更に改良し整備する。
今年度の風洞試験は2021年6月から4週間を予定し、これまでに得られた研究成果はAIAA Hypersonic conference（2021年11月、LasVegas, USA）で発表予定である。
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Report
(2 results)
Research Products
(1 results)
