| 研究課題/領域番号 |
20H05654
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| 研究種目 |
基盤研究(S)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
大区分C
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
佐藤 哲也 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80249937)
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| 研究分担者 |
津江 光洋 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50227360)
土屋 武司 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50358462)
松尾 亜紀子 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70276418)
田口 秀之 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究領域主幹 (90358515)
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| 研究期間 (年度) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
195,780千円 (直接経費: 150,600千円、間接経費: 45,180千円)
2024年度: 37,050千円 (直接経費: 28,500千円、間接経費: 8,550千円)
2023年度: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円)
2022年度: 39,000千円 (直接経費: 30,000千円、間接経費: 9,000千円)
2021年度: 39,520千円 (直接経費: 30,400千円、間接経費: 9,120千円)
2020年度: 42,250千円 (直接経費: 32,500千円、間接経費: 9,750千円)
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| キーワード | 極超音速機 / 飛行試験 / フライトテストベッド / 機体推進統合制御 / 飛行実験 / HIMICO |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は、我が国で先行している極超音速空気吸込みエンジン技術をマッハ５環境下で飛行実証することにより、機体／推進統合制御技術を構築するとともに、希少な極超音速フライトデータを獲得する。その実証実験（名称：HIMICO）を国産S-520観測ロケットを用いて行うことで、国産技術によるフライングテストベッド（FTB）の確立を目指す。本研究は、空力、軌道、熱構造、推進に跨がる学際的テーマを数多く含む大型システムであり、統合制御技術、ロバスト複合最適化技術等の学術的要素を持ち、次世代有人宇宙輸送機の実現を目指す多分野の学生にとっての教育効果も高い。
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| 研究実績の概要 |
極超音速機の機体／推進統合制御技術の構築と推進風洞実験及び極超音速飛行実験での技術実証に向け、以下の通り研究を進めた。
(1) 推進風洞実験による機体／推進干渉の調査と飛行実験に向けた機能確認：実験機の詳細設計および熱構造解析，振動解析を実施した。解析結果から、安全性確保のために軌道と機体形状を見直す必要があることが判明し、実験機の再設計を行った。サブスケール模型によるMach 5の機体空力特性試験によって、設計手法の妥当性を検証した。また、搭載用エンジンを用いて極超音速風洞でMach 5のインテーク性能試験を行い、始動条件や基本性能、バズ特性を取得した。
(2) 飛行実験による極超音速統合制御技術の確立：飛行安全性の検討として、飛行軌道の解析を実施した。3自由度運動方程式を使用し、ロケットと分離後のHIMICO有翼機の軌道をそれぞれ解析し、実験時間を最長化した。ロケットの落下分散解析はモンテカルロ法を用い、打ち上げ仰角と方位角に3σの誤差を持たせて行った。有翼機の落下分散解析では操舵翼の固着や故障モードを考慮している。その他、エアデータ取得システム(FADS)の試作と試験を実施した。
(3) 学術的基盤技術：空力加熱を含む熱構造CFDコードを開発し、極超音速風洞実験との比較により解析手法の妥当性を評価し、速度場と圧力場での良好な一致を確認した。本コードを用いて、HIMICO実験機の熱構造解析に必要なデータが得られた。ラム燃焼器の研究では、ロバスト性の高い安定な点火と保炎を有する燃焼器開発を目指し、水素燃焼実験の実施と次年度からのNOx計測に使うFTIRの構築に着手した。また、CAM5ベースの大気モデルに航空機NOxエミッションモデルを組み込み、エンジン排気の大気への影響を解析する数値計算手法を構築し、妥当性を確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
実験機の熱構造解析と振動解析の結果を元に、観測ロケットグループと議論を重ねた結果、安全性確保のために軌道と機体形状の見直しが必要であることが判明した。基本設計の見直しと新型機体形状に対する新たな熱構造解析と振動解析を行い、計画よりも約4ヶ月の遅れが発生した。現在、性能確認と詳細データ取得のために風洞実験とCFD解析を行っている。また、世界的な半導体の価格急騰と在庫不足により、CPUやセンサーなどの価格上昇と納期の遅れが発生している。さらに、ヨーロッパ情勢の影響で特殊なGPS機器の調達も遅れる可能性がある。これらの課題に対処するために、関係者と協議し、専門家の助言を仰ぎながら研究を進め、全体の計画に影響を与えないように努める。
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| 今後の研究の推進方策 |
2022年度以降の研究計画において、主な取り組みは以下の通りである。
(1) 機体／推進干渉の調査と飛行実験準備： 基本設計が完了したため、2022年度内に実験機の構造体を完成させ、推進風洞実験に向けた準備を行う。また、燃料供給系、電装系、フライトコンピュータを製作し、機能確認試験を実施する。推進風洞のスケジュールなどにより実施年度が遅れているが、風洞側とインターフェイス調整を密に行いながら研究を加速する。
(2) 極超音速統合制御技術の確立： フィージビリティスタディを実施し、飛行実験に向けた準備を進めてきたが、安全性に関する検討が不十分であると判断され、2024年度の飛行実験には採択されなかった。現在、飛行安全に関する解析や飛行安全装置の追加、シーケンスの変更を検討しており、安全審査を受けながら2025年度の採択を目指す。また、新規開発品である分離機構についても具体的な検討に着手する。
(3) 学術的基盤技術研究：計画通りに進んでいる。複合領域最適化の研究により、ロバスト性を持つシステムを構築することができた。エアインテークに関しては多くの査読論文を含む業績を得た。今後は自励振動（インテークバズ）の新たなモデル構築に取り組む。ラム燃焼器解析も予定通り進行し、構築中のFTIRシステムを用いた計測を開始する。極超音速機の熱構造解析においては、一通りの成果を得たため、今後は精度の向上に取り組む。
(4) 引き続き、研究会やシンポジウムでの企画セッションを開催し、内部連携と外部への情報発信を強める。
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| 評価記号 |
中間評価所見 (区分)
A: 研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの進展が認められる
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