| 研究課題/領域番号 |
19K04186
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| 研究機関 | 岩手大学 |
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研究代表者 |
上野 和之 岩手大学, 理工学部, 教授 (20250839)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 風洞 / 磁気支持 / 空気力 / 動安定 |
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| 研究実績の概要 |
空中を不安定運動する物体（航空機・宇宙機・スポーツの変化球など）のまわりの流れを解明するための風洞模型用磁気支持装置を開発を進めた。永久磁石を内蔵した風洞模型を磁場によって浮上保持しつつ、風洞気流中でピッチ角変化と揚力方向並進運動の２自由度自由運動を可能にすることが目的である。この磁気支持装置が完成したなら、空気力を反映した模型の２自由度運動を風洞内で詳しく観察・計測することが可能になる。これは通常風洞では不可能な実験であり、空気力学研究に大きく貢献すると期待される。
令和元年度は、２自由度磁気支持を実現するための磁気回路と制御システムを設計し、その実装を行った。そして、レーザー変位計によって風洞模型の位置検出を行い、そのデータ使った自動制御により風洞模型の安定浮上(無風状態)を達成した。
続いて、風洞に風を流した状態での模型の自由運動を達成できるように装置に改良を加えた。レーザー変位計のレーザー光が模型からはずれないようにするために電動シリンダを設置して、通風実験の最中にレーザー変位計の位置を微修正することを可能にした。この工夫によって、風洞模型を磁気浮上させつつ、風速 4 m/s までの気流中で空気力を反映した模型の２自由度運動を達成した。
風洞実験の際には、磁気支持装置とは独立したモーションキャプチャシステムを使って模型の自由運動を計測した。現在、この計測データを詳しく調べ、風洞模型の運動に影響を与えている空気力について考察を進めている。
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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
令和元年度は、まず、申請備品の15cm角縦型風洞を導入した。科研費交付に先立って試作した小型磁気支持装置の知見に基づいて15cm角風洞に合わせてスケールアップした磁気支持装置を設計した。それを製作して、風洞の計測部に実装した。そして、レーザー変位計を使った自動制御により風洞模型の安定浮上(無風状態)を達成した。
その後、通風状態での模型の自由運動を達成できるように装置に改良を加えた。レーザー変位計のレーザー光が模型からはずれないようにするために電動シリンダを設置して、通風実験の最中にレーザー変位計の位置を微修正することを可能にした。この工夫によって、風速 4 m/s までの気流中で風洞模型が空気力を反映した２自由度運動する磁気浮上を達成した。
風洞実験では、磁気支持装置とは独立したモーションキャプチャシステムを使って模型の自由運動を計測した。現在、この運動に影響を与えている空気力について考察を進めている。
次のステップの準備として、ラインセンサーカメラを使った画像式位置検出システムの開発の予備実験を行った。センサーから取得された情報を無駄な時間ロスなく制御システムに反映させることが課題であることが判明した。
さらに、これらの実験と並行して、交流発振器と位相検波器を使った電磁誘導式位置検出システムの開発を進めた。現状はまだ荒削りな状況ではあるが、予備的な小型実験装置で無風状態での風洞模型浮上が達成された。
以上のように、研究計画はおおむね順調に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和元年度の成果をまとめて、2021年1月に米国テネシー州のNashville開催されるアメリカ航空宇宙学会 (AIAA) の学術講演会 SCITECH で講演発表することを計画している。2自由度運動浮上を可能にする風洞模型用磁気支持装置の有用性を主張することが目的である。その講演会での討論を踏まえて、原著論文として学術誌に投稿したい。
磁気支持装置開発の次のステップとして、ラインセンサーカメラを使った画像式位置検出システムの開発を推し進める。平成元年度の実験で風速 4 m/s までの気流中で風洞実験が達成された。しかし、風速 5 m/s 以上の気流中では模型が激しく振動するためにレーザー変位計の光軸から模型がはずれてしまった。これは当初計画時点から予想されていたことであり、これを克服するために平成元年度中からラインセンサーカメラを使った画像式位置検出システムの開発に着手している。平成２年度中にラインセンサーカメラを使った画像式位置検出システムを完成させたい。これが成功すれば、模型の運動範囲が大きくなっても位置検出を継続できるようになる。これを使い、大気圏突入カプセルの動的不安定現象の解明に関する研究を深める。
上記の開発と並行して、電磁誘導式位置検出システムに関する予備実験も進める。流れの可視化実験のために確保できる視野の大きさは [レーザー変位計] ＜ [ラインセンサーカメラ] ＜ [電磁誘導式位置検出] の順番である。電磁誘導式位置検出が成功すれば、センサー類に視野をふさがれることなく流れの可視化実験ができるようになる。令和２年度は電磁誘導式位置検出システムについて解決すべき課題を洗い出し、令和３年度には15cm角縦型風洞に実装して実用化したい。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2021年1月に米国テネシー州のNashville開催されるアメリカ航空宇宙学会 (AIAA) の学術講演会 SCITECH において、風洞模型用磁気支持装置に関するセッションの実施が認められた。科研費研究実施期間中に各国の風洞用磁気支持装置の研究者が一同に集うセッションが組まれたことは幸運である。この機会に研究をアピールし、最新の研究動向の情報収集をするために、当初令和３年度に予定していた国際会議発表を令和２年度(2021年1月)に前倒しにして行う計画である。
令和２年度の予算だけでは外国旅費を捻出できない。いっぽうで、令和元年度の研究計画遂行の目途がたった時点で予算に残りがあった。そのため、この残額を次年度の外国旅費にあてることとした。
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