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第 56 回宇宙科学技術連合講演会 に参加して
特集 学生の研究活動報告−国内学会大会・国際会議参加記 18 の揚力を利用することで再突入飛行時の飛行経路の 第 56 回宇宙科学技術連合講演会 に参加して 上 健 私たちの研究グループの過去の研究では,宇宙機 二 とバルートを剛体と仮定し,ワイヤーロープのみ柔 Kenji UESHIMA 軟性のある模型で風洞実験を行った結果,バルート 機械システム工学専攻修士課程 嶋 修正や,減速度の低減が可能となる. 2012 年度修了 の姿勢を安定させることが可能であった. そこで本研究では従来まで剛体と仮定していたバ 1.はじめに ールを実際の運用を模擬した柔軟性のあるインフレ 2012 年 11 月 20 日∼11 月 22 日に別府国際コンベ ータブル構造の模型で風洞実験を行い,バルートの ンションセンター(ビーコンプラザ)において, 大きさや位置がバルートの挙動や姿勢に与える影響 「第 56 回宇宙科学技術連合講演会」が開催されまし た. を調べることを目的とする. 2. 2 私はこの講演会で「インフレータブル構造を用い 極超音速風洞実験 2. 2. 1 実験模型 たトーラス型バルートの姿勢の安定性評価に関する 実験模型の写真を図 2 に示す.再突入カプセルを 研究」というテーマでポスター発表を行いました. ステンレス製半球で模擬し,バルートは線径 1 mm の 3 本のステンレスワイヤーロープでスティングに 2.研究内容 2. 1 接続されており,通風中は自由に動くことができ 背景・目的 る. バルート(Ballute)とは,バル ー ン ( Balloon) バルートのインフレータブル構造は図 3 に示すよ とパラシュート(Parachute)の複合語で,再突入飛 うに,耐熱層となる外皮を厚さ約 0.5 mm のザイロ 行時の減速に使用されるインフレータブル構造の減 ン製の生地でトーラス形状を作成し,内部は気密構 速装置である.軽量で大きな投影面積を持つバルー 造となるように厚さ約 0.4 mm のシリコンゴムシー トを再突入機に取り付けることで弾道係数を低下さ トで作成されたチューブを挿入する.このシリコン せ,高高度の低密度域での減速が可能となり空力加 チューブには空気を充填できるように φ 0.5 mm の 熱を避けることができる.図 1 に示すようなトーラ シリコンホースが取り付けてある.通風直前にチュ ス型バルートを再突入機が複数本のテザー(ひも) ーブ内に空気を入れると通風試験時は測定室内部が で曳航する形の場合,抗力だけでなくテザーの長さ 約 100 Pa まで減圧されるのでチューブ内の空気が を調節してバルートを傾けると揚力が発生する.こ 膨張しトーラス状のバルートが形成される. 2. 2. 2 実験方法 宇宙航空研究開発機構,調布航空宇宙センターに ある 1.27 メートル極超音速風洞を使用した.気流 条件は,貯気層圧 P 0 を 1.0 MPa,貯気槽温度 T 0 図1 トーラス型バルート概略図 図2 ― 23 ― 実験模型 図3 バルート断面図 図4 試験模型パラメータ 図5 振動したケース 図6 安定したケース を 650℃,マッハ数 M を 10.0 に設定した. 実験は図 4 に示すパラメータを変更して行った. 通風中の模型の挙動と姿勢の観測は,測定室側面よ りシュリーレン法による撮影と測定室内部の CCD カメラにより模型を斜め前方から撮影を行った. 2. 2. 3 実験結果 実験の結果,バルートが激しく振動するケース 図7 と,ある程度姿勢を維持できるケースの二つに分か れた. 激しく振動を起こしたケースの流れ場の様子を図 5 に示す.再突入カプセルからの衝撃波がバルート バルート位置 とバルート表 面圧力の関係 図8 バルート表面の 圧力分布 8).この圧力分布の変化がバルートの姿勢に影響を 与えたと考えられる. からの衝撃波とバルート前方表面で干渉を起こして いることが確認できる.次にある程度姿勢を維持で 2. 4 まとめ きたケース流れ場の様子を図 6 に示す.バルートが 本研究ではインフレータブル構造を用いたトーラ カプセルからの衝撃波の内側に位置しており,衝撃 ス型バルートによる再突入飛行の実現に向けて,風 波干渉はバルートから離れた位置で発生している. 洞実験と数値流体解析により実現可能性の検討を行 この結果から,衝撃波干渉の発生する位置がバル った.実験は実際の構成を模擬した実験模型を使用 ートの姿勢や挙動に影響を与えていると考えられ してバルートの挙動や姿勢に与える影響を調べた. る. 実験の結果,衝撃波干渉の位置がバルートの挙動や 2. 3 姿勢の維持に大きな影響を与えていることがわかっ 数値流体解析 衝撃波干渉の影響を調べるために二次元軸対称の た.また,数値流体解析より衝撃波干渉が発生する 数値流体解析を行った.再突入カプセルからの衝撃 と急激な圧力上昇が起こることがわかり,バルート 波へバルートを近づけていき,バルート表面圧力の 表面での衝撃波干渉がきっかけとなり,バルート表 変化を調べた.図 7 にバルートの位置とバルート表 面圧力のバランスが変化することで振動が発生した 面の圧力の関係を示す.バルートとカプセルの距離 と考えられる. を短くすると衝撃波干渉が激しくなり,バルート表 面での圧力が高くなることがわかる. 3.おわりに 次に,三次元の数値流体解析によるバルートの姿 学会では様々な研究発表を聞くことができ,また 勢が変化した場合のバルート表面の圧力分布の様子 本研究に多くの意見を頂き貴重な経験となりまし を調べた.バルートの姿勢が前方へ傾くとバルート た.この経験を残りの研究生活に活かしていきたい 上側でのみ衝撃波干渉が発生しバルート表面の圧力 と思います.最後に,ご指導を頂いた大津広敬先 分布のバランスが崩れていることが確認できる(図 生,大津研究室の皆様には厚く御礼申し上げます. ― 24 ―