| 研究課題/領域番号 |
23K26307
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| 補助金の研究課題番号 |
23H01613 (2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分24010:航空宇宙工学関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
藤田 和央 東北大学, 工学研究科, 学術研究員 (90281584)
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| 研究分担者 |
桑原 聡文 東北大学, 工学研究科, 准教授 (30601033)
野村 哲史 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (80709361)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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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 |
18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)
2025年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2024年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円)
2023年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
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| キーワード | 大気突入 / 熱化学非平衡 / 真空紫外吸光分光 / 輻射解析 / 衝撃波管 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
衝撃波管を用いた世界初の高速真空紫外吸収スペクトルフィット法によって，衝撃波管において発生した衝撃層内の強い非平衡状態にある分子・原子の吸収スペクトルの時間的・空間的変化を捉え，電子基底状態の内部モード変遷および数密度の時間・空間的変化を定量化することによって，実在気体空力性能を決定する衝撃層内の熱化学過程を正確に予測する手法を世界で初めて獲得する．これを用いて，大気突入システム周りの実在気体空力現象を高精度で予測可能な数理モデルを提案し，これによって実在気体空力性能を事前に高い精度で予測し設計に反映することによって，地球帰還機等の目標地点への正確な着陸（帰還）を実現する技術を獲得する．
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| 研究実績の概要 |
地球大気への大気突入システム周りの衝撃層で発生する熱化学反応のうち、特にエネルギー吸収量が大きい窒素分子の解離速度計数を定量的に計測するためには、基底状態にある窒素分子または窒素原子の数密度の空間・時間的な変化をとらえることが必要であるが、基底状態にある窒素分子や原子の数密度は、基底状態から高準位への光励起の頻度（吸収係数）を計測することによって計測可能である。このような窒素分子や原子の基底状態からの光励起を選定したところ、波長 150 nm 以下の極真空紫外領域に該当する吸収遷移が認められたが、これより長波長側には適切な遷移が認められなかった。特に吸収感度が高いのは窒素原子の 113 nm の吸収線スペクトルであるが、波長 113 nm を透過する光学窓は存在せず、また当該波長を発生する光源も合理的な価格で調達できるものは存在しないため、大きな技術挑戦が必要であることが認識された。
そこでまず、衝撃波管において波長 120 nm 以下の真空紫外分光という世界初の試みに挑戦することとなった。衝撃波管における発光プラズマの圧力は 10^5 Pa のオーダーであるのに対し、分光器内では雰囲気窒素の吸収を抑制するために 1 Pa 以下の真空度に維持する必要がある。両者を隔絶する光学窓は使用できない。そこで、両者の間に、多段のクライオ排気装置を設け、単一段で一桁の圧力降下を実現するダクトの概念設計を行った。当該装置については、次年度以降の試作を行う計画である。また真空紫外分光用に 120 nm 以下の波長域にも感度を有するフォトダイオードアレイを選定し、これを真空紫外分光器へ取り付けるインタフェースとアンプの設計を行って、真空紫外分光計測に向けた準備を進めた。当該分光センサーは 2024 年度に制作を行い、多段のクライオ排気装置と合わせて、衝撃波背後の真空紫外分光を試みる計画である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
計測対象となるスペクトルが 120 nm 以下の波長域に存在し、光学ガラスによる遮蔽が不可能であることが判明したが、これを解決するための多段クライオ排気装置を用いた採光ダクトの検討を行った結果、原理的には可能であることが確認され、概念設計を行って、当該波長域における光を窓なしで分光器へ導入できる可能性が示された。また、真空紫外分光システムにおいても、当初予算の範囲内で実現できる目途が立ち、基本設計まで進めることができた。以上の事実から、おおむね順調に進展していると判断している。
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| 今後の研究の推進方策 |
FY2023 で得られた概念検討結果を踏まえて、多段のクライオ排気装置による採光ダクトの設計を完了し、これを製造して、衝撃波管へ装着し、期待される圧力低下が実現できるかどうかを確認する。また、FY2023 で設計された真空紫外分光センサーの製造に着手し、真空紫外分光器へ装着して、高速真空紫外分光が可能であるかどうか、確認を行う。両者が確認されれば、衝撃波管を用いた極真空紫外領域の分光計測を実施し、得られたスペクトルに対してスペクトルフィットを行って、数理モデルと比較し、また温度や上準位の数密度などの所量を定量化する。その後、衝撃波背後の発光あるいはアーク放電等を光源として当該波長領域の光を発生させ、同じく多段のクライオ排気装置による採光ダクトを通してプラズマに入射して吸収分光を実現し、基底状態の数密度を定量化する。
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