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本研究では垂直着陸型再使用ロケットの帰還飛行において、推進剤の消費を最小とする方法として空気力を最大限に利用した減速方法を考え、空気力学および運動力学の観点で考察し、垂直着陸型再使用ロケットのシステム構築に必要となる空力設計や帰還飛行方法の考え方を示すことを目的としている。
1年目の平成30年度においては、再使用ロケットの帰還飛行において推進剤の消費を最小化するための姿勢転回運動を伴う運動解析が可能な解析ツールを構築し、風洞実験により静的な空力特性を取得して空気力を最大限に利用した減速を実現するための飛行方法と機体形状を提案した。
2年目の令和元年度においては1年目に設定した機体形状により、姿勢転回運動を制御する空力デバイス（舵面）の面積を最小化するため、縦の運動を模擬するための動的な風洞実験が可能なスケールモデルを試作して実験を実施した。風洞実験における姿勢制御の成立性を評価するためのパラメータとして、舵面面積、舵面取付位置、機体重心位置の３つを設定し、滑空時の迎角維持と転回時の姿勢制御が成立する範囲を明らかにした。
3年目の令和2年度においては2年目に明らかとなった姿勢制御の課題について研究を進めた。スライディングモード制御による制御則を新たに取り入れることで滑空時の迎角維持を現実的な重心範囲において可能にした。また、迎角0度付近から180度までの転回運動において、転回後のオーバーシュートが課題であったが、スライディングモード制御とエネルギー法を組み合わせた制御則を取り入れることで、小型の舵面においても転回時の姿勢制御が成立することを実証した。運動解析および風洞実験により得られた結果をもとに垂直着陸式の再使用ロケットの帰還飛行における燃料消費を求めた。本研究で提案する帰還方式が、従来のエンジン推力による減速に対して最大で8割程度の燃料消費を削減できることが明らかとなった。
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