Plasma-assisted rapid flow actuation and its application to hypersonic aerodynamic control
| Project/Area Number |
20H02347
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
渡邉 保真 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (60736461)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
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| Keywords | 放電気流制御 / 高速流体力学 / 放電プラズマ / 空力制御 / 極超音速 / 航空宇宙工学 / プラズマ / 放電 / 極超音速風洞 / 線形安定性解析 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の目的は，高速気流中での直流アーク放電プラズマフィラメントによる気流加熱効果解析モデルを提案し，これを用いた将来型極超音速機用の急速応答型放電空力制御手法を開発することである。
直流アーク放電による極超音速気流制御手法は瞬間的な加熱による高速応答性を有する。これを実機の急速応答空力制御へと応用する為、気流制御効果を支配する高速気流加熱源であるプラズマフィラメント振動現象の特性解明と解析モデル提案を行う。放電気流制御を実機に応用する上で必要不可欠となる，応答速度の特定と気流制御効果のプラズマエネルギー依存性と制御効率を明らかにする。
本手法により将来型高速輸送機の安全性向上に資する事を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和2年度は主として１．極超音速機の機首部を模擬した模型上での放電気流制御デバイスの開発とその気流制御特性調査、及び２．数値解析による気流制御挙動の解析を実施した。
１．将来型宇宙輸送機・極超音速輸送機への応用を見据えた高速空力制御手法の開発のため、従来に比べより高電圧で安定した放電を生成可能な放電制御装置を開発した。これを用いて極超音速機機首部を模擬した二重円錐形状の模型を製作し、東京大学柏極超音速風洞にてマッハ数7.0、よどみ点圧力950kPaの気流中で放電プラズマを生成しプラズマによる気流制御特性計測を行った。実験ではプラズマ下流側での高速圧力計測及びシュリーレン法等による流れ場の可視化を実施し、本手法により生成される圧力変動の計測とそれに伴う空気力の推算を行なった。２．極超音速機機首部での放電プラズマによる気流制御効果を予測するための数値解析を実施した。解析の第一段階として電極配置を２次元的なものに簡略化し、放電初期挙動と放電経路を予測するため、電極近傍の境界層内流れに着目し電子・イオンの移流拡散方程式と電場の支配方程式に対して線形全体安定性解析を適用する事で、放電経路とその時の印加電圧予測を行なった。併せて風洞実験模型に準拠した３次元二重円錐形状でのNavier-Stokes方程式に基づく流れ場の解析を実施した。実験に基づいて算出した流体への加熱を加味することで簡易的に流れ場の変化と下流側での圧力上昇を解析した。実験および数値解析から、当初予測された通りプラズマにより放電領域およびその下流で空力制御に利用可能な有意な圧力変動を実現できる事が判明した。
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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
令和２年度は概ね当初計画の通り実施できた。令和３年度は、令和2年度までに確立した気流制御効果の計測手法および製作した高電圧放電制御装置を用い、引き続き極超音速機の空力制御効果および高速姿勢制御への応用を見据えて実験・解析両面から研究を進める予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験的アプローチ：令和2年度までに従来よりもより広範な気流条件で安定して放電プラズマを生成可能な放電回路を開発済みであり、さらに極超音速気流制御効果を観測するための計測手法を確立できた。令和3年度はこれらを用い、気流制御の高速特性を中心により詳細な制御効果の解明を進める。解析的アプローチ：令和2年度までに２次元的に簡略化された機首形状での放電開始時解析及び定常放電時の流れ場挙動の数値解析を実施した。令和3年度はこれらを融合し、より実現象に近い条件での解析手法確立を目指して研究を推進する。
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
