宇宙飛行士が地球に帰還する際に使用されるカプセルは非常に高速で大気圏に突入することで衝撃波を発生させ、流れ星のように光を放ちます。本研究では、この光がカプセルに与える加熱を詳しく調べるために、アーク加熱風洞と呼ばれる地上実験設備で実際に衝撃波を発生させます。そこで生じた発光を高分解能・広波長域で測定可能な分光機器で計測を行うことで、高精度な加熱率計算を目指しています。昨年度は、プローブヘッドオン分光と呼ばれる、供試体内部にレンズなどの光学系を搭載する方法を用いることで、より高強度な光を捉えることに成功しました。また、はやぶさカプセル模型の背面加熱を調べる実験も行いました。今後は、実験データを用いて、本研究室で開発中の輻射計算コードの精度向上に繋げて行きます。

アーク加熱風洞で衝撃波を発生させている様子 (JAXA/ISASにて撮影)

航空機の離着陸に起因した環境問題とも認識されている騒音の低減を図るためには、音波の発生と伝播の解析が必要です。しかし、様々な音源から発生する騒音の計算するためには流れから発生する微小な渦とごく僅かな圧力変動である音波の両方を直接計算しなければならず、計算コスト (演算回数と物理メモリ容量) が非常に高くなってしまう。我々のこれまでの研究成果によって必要な計算コストの一部削減には成功したものの、航空機の設計・開発現場に資するツールとするためには更なる計算コストの削減が求められるます。そこで我々の班では、着陸時に機体と気流が干渉して発生する渦が騒音源となる機体騒音の低減を目指し、より低い計算コストとなる格子ボルツマン法を用いたコード開発を進めている。

はやぶさ、スペースシャトルといった宇宙機が大気圏に突入する際、空力加熱によって機体は過酷な加熱環境に曝されます。このため、宇宙機はアブレータ等を用いた熱防御設計がなされますが、その際、数値シミュレーション等による加熱量の予測が必須となります。

予測精度を向上させることで大気圏突入時の安全性向上や打上時の重量削減につながります。本研究では、流体と非平衡プラズマ、輻射を結合して数値解析を行うことで、従来法よりも詳細な大気圏突入環境の再現を目指します。特に高度が高く、大気密度が低い環境での予測精度向上を図るために、分子の振動励起非平衡性を考慮した非平衡モデルの構築を進めていく予定です。さらに、解析可能な化学種の種類を増やすことで様々な流れを再現できるよう、計算コードの拡張を進めていきます。

はやぶさカプセルまわりの温度分布の計算結果

大気圏高高度を極超音速で飛行する旅客機の実現を目指してHIFiREという国際研究開発プロジェクトが進められています。世界中の極超音速風洞で空力加熱試験と数値解析が実施され、模擬飛行試験も行われています。超高速飛行中の機体前方には衝撃波が形成され、飛行条件によっては境界層が剥離または乱流化することもあります。その場合、高温衝撃層内の流体が乱流輸送によって壁面を著しく加熱するため、乱流状態へ遷移する位置を知ることは熱防御対策の根幹を成し極めて重要です。本研究では乱流へ繋がる流体不安定性の原因を、全体安定性解析と呼ばれる手法などを用い、擾乱成長を追跡することで考察しています。

楕円錐模型周りの壁面加熱率分布とマッハ数分布