2013 Fiscal Year Annual Research Report
氷ペネトレータのダイナミクス解明と生命前駆物質探査への展開に関する研究
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25289301
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鈴木 宏二郎 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (10226508)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | ペネトレータ / 氷 / 高速衝突 / バリスティックレンジ / 極超音速流 / 化学反応流 / 生命前駆物質 / 数値流体力学 |
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| Research Abstract |
本研究は、氷への高速衝突と貫入のダイナミクスを高速流体力学の観点から解明し、ペネトレータを用いた深宇宙における水関与の生命前駆物質探査に向けた先導となることを目的としている。平成25年度は初年度であり、実験および数値解析ツールの整備を重点的に行った。バリスティックレンジ、サボ、サボ分離機構、PVDF振動センサーによる衝突速度計測システムなどを整備し、直径6mm、全長30mm、重量2～2.5gの真鍮製ペネトレータ模型を迎角10度以下の安定した姿勢で150m/s～450m/sの速度で衝突貫入ができるようになった。高速ビデオによる貫入過程の観測に加え、石膏注入による氷表面下の進行経路の可視化を行った。その結果、１）衝突直後にコーン状のイジェクタ噴出が起こった後、100msオーダーの長時間にわたり氷表面から垂直方向に破砕した氷の噴出が続くこと、２）垂直噴出はペネトレータを氷から押し出す効果があること、３）氷は貫入部近傍のピット部、その周辺のスポール部、さらに広範囲に延びるクラック部に分けられ、ピット部とスポール部では表面状態が異なること、４）先端を針状に尖らせるよりはオジャイブ形状が、また、先端から後部に穴を開けて氷からの荷重を逃がすホロー形状の貫入成功率が高いこと、などを見出した。また、衝突の運動エネルギーと貫入距離との相関など、探査機設計に有用な定量的情報が得られつつある。
氷からのアブレーションガスの化学反応について、熱化学非平衡流の数値解析を行い、ドライアイスを含む氷からのアブレーションとアーク放電を組み合わせた極超音速風洞実験の発光観測で見られたCNの生成を再現する結果が得られた。計算では生命前駆物質のひとつであるHCNの生成が示唆されており、その確認は次年度以降の実験課題となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
バリスティックレンジを用いたペネトレータ衝突貫入実験装置の整備が完了し、安定して実験を行えるようになった。テスト実験の過程で、頭部から尾部にかけて穴を開け、氷からの荷重を逃がすホロー形状の貫入成功確率が高いことを見出したことは、今後実施するペネトレータ形状デザインに有用な知見であり、当初の計画以上の進展があったと言える。また、氷周りの極超音速風洞実験については、ドライアイスをコアにした氷を用いた実験を行い、表面の氷の融解によるドライアイス露出で発生する大量の昇華ガスが衝撃波流れの構造を大きく変える現象を観察するなど、順調に進行している。化学反応についても、数値解析の援用により解明が進みつつあり、極超音速風洞とプラズマ放電の組合せによるHCN生成を検知管により直接観察する段階に進むことができるようになった。一方、衝突時の氷の挙動をシミュレーションする数値解析コードの開発については、SPH法の２次元テストコードを作成したが、数値的不安定性などの問題があり、DEMなど他の粒子法や計算格子を用いる有限体積的手法などを検討した上で、適した解法を選ぶアプローチを取ることにした。以上を総合すると本研究は、（２）「おおむね順調に進展している」と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
バリスティックレンジによる氷ペネトレータ貫入実験については装置の整備がほぼ完了したため、衝突体の形状、速度、姿勢、氷の質、雰囲気等を変えてパラメトリックに実施する。新たに高速度カメラを導入し、２方向撮影で、より詳細な観察を可能とする。結果を整理し、氷ペネトレータとして望ましいデザインや衝突条件に関する指針を得る。その際に平成２５年度でテストしたホロー形状は有望なデザインとして重点的に試験と改良を行う。また、実験結果を統計的に整理することにより、機体設計に用いることのできる計算負荷の小さな簡易ダイナミクス解析モデルを構築する。
衝突貫入を模擬する数値解析については、まず、粒子法（SPH法、DEM法）に加え、有限体積法コードも試作し、より適したものを選択してから、氷の破壊モデルを加えるなどの改良を加え、シミュレーションの高精度化を進める。
高速で大気中を飛行する氷片まわりの化学反応に関し、極超音速風洞気流中でプラズマ放電を起す手法を用い、フィルターや分光器、ガスサンプラと検知管を利用して、生命前駆物質（HCN）の生成に関する知見を得る。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初はバリスティックレンジの射出安定と速度向上のため高圧筒の体積増加と銃身（飛翔体加速管）延長の両方を計画していた。その後の検討で、高圧筒増積より銃身延長が費用対効果的に優れていると予想されたため、後者のみ重点的に実施した。そのために次年度使用額が生じた。
これまで、既存の高速ビデオカメラ１台で氷ペネトレータの衝突貫入の様子を観察していたが、現象は３次元的であり、その構造を知るためには別方向からの撮影を同時に行う必要である。また、衝突の瞬間、氷表面を走るクラックなどの現象を撮影し、並行して行う数値シミュレーションと比較するためには、より高性能のカメラが必要である。次年度使用額は高速度ビデオカメラ新規導入に使用する計画である。
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