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大気再突入時において、プラズマに包まれた宇宙機が地上局やデータ中継衛星との通信途絶現象（通信ブラックアウト）に陥ることは大きな問題である。その一方で、再突入機近傍のプラズマ諸量分布や電磁波挙動の正確な予測が難しく、通信ブラックアウト低減に繋がる知見の探索が困難な状況であった。本研究は再突入近傍のプラズマ流・電磁波分布を明らかにするための数値解析ソフトウェアを開発するとともに、それを利用して通信ブラックアウトの低減化を図るための知見を見出すことを目的とした。
研究期間は２年間とした。研究計画は、通信ブラックアウト予測ツールの開発を行うことと、実飛行試験やプラズマ風洞試験によって取得された実験データと解析結果の比較を行うことで本解析モデルの検証を実施することである。
再突入機周りのプラズマ気流諸量と電磁波挙動を予測する数値解析モデル・ソフトウェアの開発を進めた。対象とする宇宙機が３次元的な形状、あるいは複雑な形状であっても柔軟に対応できるようなソルバーの開発方針とした。プラズマ流解析に関しては、JAXAにおいて開発が進められている非構造格子対応流体解析ソルバーFaSTARをベースにし、これに実在気体効果を組み込むことで再突入環境の再現が可能になったRG-FaSTARを新たに開発した。電磁波解析に関しても、FD2TD法を用いた電磁波解析ソルバーArcflow/Arcwaveを新たに開発した。加えて両ソルバーのデータ変換ツールを作成した。
解析モデルの検証としては、実飛行試験（NASA RAM-CやESA ARD）による通信電波の減衰ゲイン履歴や電子数密度分布などの計測データと解析結果の比較を実施した。それらは良好な結果が示し、本解析ツールの有用性が確かめられた。今後の取組として、DLR(ドイツ航空宇宙センター)において取得されたアーク加熱風洞を用いたプラズマ気流中における通信実験データを利用して、本解析ソフトウェアのより精緻な検証を行う。
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