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境界層の吸込を考慮した,機体適合三次元インテーク形状最適化と全機エネルギ効率改善

研究課題

研究課題/領域番号 21K04491
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分24010:航空宇宙工学関連
研究機関国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

研究代表者

丸 祐介  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (20524101)

研究分担者 佐藤 哲也  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80249937)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
キーワードエアインテーク / 境界層 / 空気吸込式エンジン / 超音速飛翔体
研究開始時の研究の概要

本研究では,空気吸込式エンジンを搭載した超音速飛翔体を想定し,機体との干渉効果を考慮した空気取入口(インテーク)の最適設計化手法の構築とその評価を行う.全機抵抗の低減を考え,機体形状に適合する三次元形状Busemannインテークの設計手法を導入する.Busemannインテークは理論的には性能が高いが,機体の厚い境界層の取り扱いが課題であり,飛行速度や姿勢の変化も考慮した総合的な最適化設計が必要である.さらに,境界層を積極的にインテークに吸い込ませることにより,Boundary Layer Ingestion (BLI) 理論を応用し,エンジン単体ではなく,全機でのエネルギ効率の向上を図る.

研究実績の概要

2022年度までの研究により,対象とする超音速エアインテークの流路形状設計上の課題として,(1)超音速ディフューザー部の境界層流路補正,(2)亜音速ディフューザ部での剥離抑制,が識別されていた.2023年度は,まず,(1)の超音読ディフューザー部の流路形状設計の研究を進めた.Busemannインレットの設計パラメータとして,流路出口のマッハ数があり,このマッハ数が,インテークの収縮比を決める.自己始動性を確保でき,かつできるだけ損失の少ない流路形状を設計した.その上で,Busemannインレット形状が,基本的に軸対称流れを利用していることに鑑み,軸対称境界層積分方程式に基づいて,流路の境界層厚さを推算し,推算した厚さ分だけ流路をオフセットさせて流路形状を補正した.このように設計した流路形状について,CFDによって性能や特性を評価し,CFD上は,始動性の確保や,境界層厚さ分の流路補正の有効性を確認することができた.一方,(2)の亜音速ディフューザ部の流路形状設計については,面積変化率のパターンを機械的にいくつか変えた流路を試行したが,剥離を劇的に抑制することはできなかった.結果として,流路全体にわたって一律のパラメータを機械的に当てはめる方法では適切な流路形状を表現できず,柔軟な自由表面を表現する手法の必要性を認識するに至った.研究の成果を反映したインテーク流路形状の風洞実験模型を製作し,風洞実験に供試して,実験的に流路形状設計の有効性を評価する計画であったが,亜音速ディフューザ部の流路形状設計が完了しなかったため,風洞実験による評価は実施できなかった.

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

インテーク流路の2つの大きな区分のうちの一つである亜音速ディフューザ部の流路形状設計を完了することができず,評価用の風洞実験模型の製作を行うことができなかった.そのため,超音速ディフューザー部の設計上の工夫の有効性を実験的に評価できなかったため.

今後の研究の推進方策

亜音速ディフューザ部の流路形状設計に対しては,流路全体にわたって一律のパラメータ(面積変化率,など)を調整する方法では不十分であることがわかった.そこで,流路の部分毎にパラメータを設定する方法や,自由形状を表現する手法の適用を検討する.亜音速ディフューザ部の流路形状設計およびその結果を反映した風洞実験模型の製作,さらにその模型を用いた風洞実験の実施を,研究期間を1年延長して行うこととした.

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 学会発表 (13件) (うち国際学会 5件)

  • [学会発表] 境界層補正によるATRIUMエンジン用三次元Busemannインテークの始動性改善2024

    • 著者名/発表者名
      松本和真,渡辺大貴,丸祐介,佐藤哲也
    • 学会等名
      第63回航空原動機・宇宙推進講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] ATRIUMエンジンを搭載した再使用観測ロケットの検討2024

    • 著者名/発表者名
      丸祐介, 佐藤哲也, 小林弘明, 大山聖, 坂本勇樹
    • 学会等名
      第63回航空原動機・宇宙推進講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Experimental and Numerical Investigation of a Three-Dimensional Supersonic Inlet for the Reusable Sounding Rocket with ATRIUM Engine2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuma Matsumoto, Haruaki Seta, Daiki Watanabe, Yusuke Maru, Tetsuya Sato
    • 学会等名
      34th International Symposium on Space Technology and Science (ISTS)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ATRIUMエンジン用Busemannインテークの性能の背圧特性の調査2023

    • 著者名/発表者名
      渡辺大貴,松本和真,宇都宮大地,佐藤哲也,丸祐介
    • 学会等名
      令和5年度宇宙航行の力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] エアブリージングエンジンを搭載した再使用観測ロケットの飛行軌道検討とその技術課題2023

    • 著者名/発表者名
      丸祐介, 小林弘明, 大山聖, 坂本勇樹, 三浦政司, 江口光, 山城龍馬, 佐藤哲也, 野中聡
    • 学会等名
      第33回アストロダイナミクスシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Flow and Performance Characteristics of a Streamline- traced Air Inlet Designed at Mach 2 for the ATRIUM Engine2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Maru, Kazuma Matsumoto, Daiki Watanabe, Haruaki Seta, Tetsuya Sato
    • 学会等名
      Asian Joint Conference on Propulsion and Power 2023
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Sub-scale Flight Test Plan for ATRIUM Engine Development2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Sakamoto, Hiromitsu Kakudo, Ryoma Yamashiro, Masashi Miura, Akira Oyama, Shujiro Sawai, Shinichiro Tokudome, Yusuke Maru, Hiroaki Kobayashi, Tetsuya Sato, Matthew Richardson, Hikaru Eguchi, Daisuke Nakata
    • 学会等名
      Asian Joint Conference on Propulsion and Power 2023
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development Status of the Air- turbo Rocket Engine “ATRIUM”2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Kobayashi, Shinichiro Tokudome, Yusuke Maru, Sakamoto Yuki, Sato Tetsuya
    • 学会等名
      Asian Joint Conference on Propulsion and Power 2023
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ATRIUMエンジンを搭載した新観測ロケット用インテークの研究2023

    • 著者名/発表者名
      松本 和真, 瀬田 晴明, 渡辺 大貴, 学, 丸 祐介, 佐藤 哲也
    • 学会等名
      令和4年度 宇宙輸送シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 再使用型宇宙輸送システムにおける大気アシスト飛行の実証研究の活動報告2023

    • 著者名/発表者名
      丸祐介
    • 学会等名
      第23回 宇宙科学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] A Streamline-traced Air Inlet for the Reusable Sounding Rocket with Airbreathing Engines2022

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Maru , Haruaki Seta , Kazuma Matsumoto , Tetsuya Sato
    • 学会等名
      33rd International Symposium on Space Technology and Science
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 新観測ロケット用ATRIUMエンジンエアインテークの流路形状設計と性能評価2022

    • 著者名/発表者名
      松本 和真 , 瀬田 晴明 , 佐藤 哲也 , 丸 祐介
    • 学会等名
      第61回航空原動機・宇宙推進講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] エアターボロケットエンジン(ATRIUM)を搭載する「新観測ロケット」用インテークの設計および評価2021

    • 著者名/発表者名
      瀬田 晴明 , 丸 祐介 , 佐藤 哲也 , 松本 和真
    • 学会等名
      第65回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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