世界初の火星飛行探査実現に向けた基盤研究と高高度飛行試験

事業形態

科研費

事業の責任者・構成員

責任者：宇宙科学研究所 飛翔工学系，大山 聖(oyama@flab.isas.jaxa.jp) 構成員：宇宙科学研究所 飛翔工学系，野々村拓(nonomura@flab.isas.jaxa.jp)

客員准教授，Li Weipeng(li@flab.isas.jaxa.jp) 東京大学，関本諭志(sekimoto@flab.isas.jaxa.jp) 東京大学，李 東輝(lee@flab.isas.jaxa.jp)

東北大学，森澤征一朗(morizawa@flab.isas.jaxa.jp) 東京大学，阿部圭晃(abe@flab.isas.jaxa.jp)

東京大学，Taufik Slaiman(taufik@flab.isas.jaxa.jp) 東京理科大学，近藤勝俊(kondo@flab.isas.jaxa.jp) 東京理科大学，長田裕樹(nagata@flab.isas.jaxa.jp) 東京大学，寺門大毅(terakado@flab.isas.jaxa.jp) 東北大学，安藤善紀(andoh@flab.isas.jaxa.jp) 東京大学，加藤宏基(terakado@flab.isas.jaxa.jp) 九州工業大学，佐々木岳(sasaki@flab.isas.jaxa.jp) 東京大学，Gabriel Pichon(pichon@flab.isas.jaxa.jp) 東京大学，Fortunate Nucera(nucera@flab.isas.jaxa.jp) 東京大学，福本浩章(fukumoto@flab.isas.jaxa.jp)

The Ohio State University，浅田健吾(asada.2@osu.edu)

事業の目的

世界初の火星飛行探査実現に向けた翼周りの低レイノルズ数流れの基本特性理解．

事業の目標

世界初の火星飛行探査実現に向け，高解像度数値シミュレーションを用いて翼周りの低レイノルズ数 流れの基本特性を理解し，高性能な翼設計に繋がる知見を得る．

今年度の成果

低レイノルズ数領域において，大規模3次元数値シミュレーションによりレイノルズ数変化による流 れ場特性変化を理解した．また，2次元解析により2次元計算の信頼性および幅広いレイノルズ数領域 における流れ特性に関する知見を得た．

図1 レイノルズ数変化による3次元流れ場構造変化

【計算情報】

1ケースあたりの経過時間：

ケース数：

ジョブの並列プロセス数：

プロセスあたりのコア数(=スレッド数) ： プロセス並列手法：

スレッド並列手法：

利用計算システム：

30時間 51ケース 1プロセス 1コア なし 自動並列 JSS-M

成果の公表状況 査読付論文

1) D. Lee, S. Kawai, T. Nonomura, M. Anyoji, H. Aono, A. Oyama, K. Asai, and K. Fujii, “Mechanisms of surface pressure distribution within a laminar separation bubble at different Reynolds numbers”, Physics of Fluids 27 (023602), 2015

口頭発表

2) D. Lee, S. Kawai, T. Nonomura, A. Oyama, and K. Fujii, “Mechanisms of pressure distribution within laminar separation bubble at different Reynolds numbers”, American Physical Society 67th Annual Meeting Division of Fluid Dynamics, San Francisco USA, 2014.

3) D. Lee, T. Nonomura, A. Oyama, and K. Fujii, “Two- and three-dimensional numerical analysis for flow characteristics at various low Reynolds numbers”, International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows, Stockholm Sweden, accepted for oral presentation 2015.

(a) (b) (c)

(d) (e)

Rec= 8.0�10³

-50.0 50.0u^c1

✓@u

@z−@w

@x

◆

x z y

x z y

x z y

x z y

x z y

4) D. Lee, S. Kawai, T. Nonomura, A. Oyama, and K. Fujii, “Characteristics of pressure distribution and skin friction within the laminar separation bubble at different Reynolds numbers”, 9th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena, Melbourne Australia, accepted for oral presentation 2015.

年間利用量

※ JSS-Mの利用

事業形態 一般研究，科研費

事業の責任者・構成員

責任者：宇宙科学研究所 宇宙飛翔工学研究系，船木一幸(funaki@isas.jaxa.jp) 構成員：東京工業大学大学院 総合理工学研究科，川﨑 央・奥野喜裕

研究開発本部 数値解析グループ，窪田健一 静岡大学大学院，佐野達郎

事業の目的

電気推進ロケットならびに将来型推進機の数値設計技術を獲得する．

事業の目標

将来の大型宇宙機のメインエンジンとして期待され，高推力密度，高比推力といった特長を持つMPD スラスタならびに将来型スラスタの数値モデリングと性能予測ツールの構築を行う．

事業の中でスパコン利用が果たす役割

計算リソースを必要とするプラズマ流解析コードにて，数値設計最適化を実施するために不可欠であ る．

今年度の成果

MPDスラスタの数値設計では，推力と電力クラスを最初に設定した後，初期スラスタ形状を推定する．

解析ツールは，スラスタ形状・動作パラメータ推定作業と，放電プラズマ（電磁流体）解析コード，そ して熱構造解析コードから構成され，ツール全体を複数回反復利用することで熱構造的に妥当なスラス タの形状を求め，推力・性能特性を算出する．放電プラズマ解析コードは，放電室形状と動作条件（放 電電流，推進剤種類と流量）を与えた際の推力・放電電圧を予測し，推進性能および壁面熱流束を評価 する．放電プラズマ解析コードとしては，JAXAと東工大が開発したMAPSコードを用いた．MAPSコ ードは，Navier-Stokes方程式とMaxwell方程式を組み合わせた電磁流体コードである．一方，熱構造解 析コードは，電極等の放電室壁面への熱流束を与えた際のスラスタ構体温度分布を予測する．熱構造解 析コードにはNASTRANを用いており，現時点では熱解析のみ実施している．両コードを接続するのが シース熱伝達モデルであり，シース電圧降下とシース部への投入電力を予測すると共に，プラズマ解析 結果をもとに電極ならびに絶縁体壁面への熱流束を予測する．今回はシースモデルの見直しを行い，自 己無頓着なプラズマ流と電極の接続が可能となった．図1には，スラスタヘッドの構成と，典型的なヘッ ド内放電分布を示した．

今回は後者の弱連成解析により100kW～1MWクラス自己誘起磁場型MPDアークジェットの熱・プ ラズマ解析を実施し，放電室設計を行った．設計結果は，別途実施した実験で確認され，数値解析予測 が正確であることが示された．