超音速班

我々人類にはまだまだ未知なる世界が存在します。足を踏み入れることすら困難な宇宙空間や深海、顕微鏡でさえ見ることのできないほど微小な量子力学的スケールを持つ世界など、その枚挙に暇がありません。さまざまな物理現象やその工学応用によって創られる新たな技術が、未だ見ぬ明日への扉を開き、好奇心と探求心を駆り立てます。まさにロマンと言えるでしょう！

18 世紀 英国の産業革命における蒸気機関の発明によって生活環境や文化は加速度的に変化を遂げ、現在に至るまで人類は工業化の道を歩んできました。その基盤とも言える輸送技術の進歩は特に目覚ましく、内部・外部流班の興味対象でもある船舶や鉄道、自動車、航空機を経て、現在では人工衛星や宇宙ステーション建設を目的とした超高速宇宙輸送にまで展開しています。さらに、火星への移住計画やはやぶさに代表される小惑星探査と、未来への道程に世界中の多くの人々が心奪われ関心を寄せています。

我々の班では高速流動現象の物理的な解釈とその工学応用に関して、コンピュータによる解析技術を道具として駆使し、様々な研究課題に取り組んでいます。現在の研究例の一部をご紹介します。

打ち上げロケットに乗って宇宙空間まで達した宇宙飛行士は、カプセル型宇宙機に乗って地球へ帰還します。宇宙飛行士の命を運ぶ移動手段として非常に大事なカプセル型宇宙機は、過酷な加熱環境に耐えねばなりません。本研究では、大気圏突入環境を再現したプラズマから取得された発光スペクトルに対して、現行のモデルで使用されているパラメータ（反応速度定数）を変化させることで数値計算によるスペクトルを適合し、反応速度定数の高精度化を行います。

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による加熱量の数値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。特に今年度からは、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。

航空機の離着陸時に大きくなる機体騒音の低減を図るためには、機体周りの空力音響計算が必要です。しかし、空力音の計算を行う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ているものの、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。本研究では、より計算コストの低い格子ボルツマン法を用いた航空機の機体騒音低減を目指した音響計算コードの開発を進めている。

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。