大気突入機の熱空力評価システムの高度化

事業形態 一般研究

事業の責任者・構成員

責任者：航空本部 空力技術研究グループ，伊藤 健(ito@chofu.jaxa.jp) 構成員：航空本部 空力技術研究グループ，松山新吾(smatsu@chofu.jaxa.jp)

研究開発本部未踏技術研究センター，小澤宇志(ozawa.takashi@jaxa.jp)

事業の目的

惑星探査カプセルが大気圏突入時に受ける空力加熱および空気力学的な力（以下，熱空力特性と呼称 する）を数値シミュレーションにより高精度に予測することを目的とする．また，熱空力特性の予測精 度を向上するための熱化学モデル・数値解析手法を開発することを目的とする．

事業の目標

惑星大気圏突入において，

・極超音速飛行時に受けるカプセル壁面熱流束および空力特性の高精度な評価

・パラシュート展開点付近の亜音速～遷音速～超音速飛行時における空力特性の高精度な評価 を可能にする．

事業の中でスパコン利用が果たす役割

揚力飛行（有迎角飛行）による大気圏突入において極超音速飛行時の空力加熱量を正確に評価するた めには，突入軌道に沿って何ケースもの三次元解析を行う必要がある．そのような多数ケースの三次元 解析を短期間で実施し，軌道やカプセル形状の変更にともなう再評価などの要請にも対応するためには スパコンが不可欠である．また本事業では，パラシュート展開点付近での超音速以下のマッハ数領域で はカプセル周りの乱流場を高精度に解くために Large Eddy Simulation（LES）を活用している．LES による三次元の非定常解析は非常に計算コストが高く，カプセル設計に必要な多ケースの解析を実施す るためにはスパコン利用が不可欠である．

今年度の成果

火星探査カプセルを想定した風洞模型について LES による乱流解析を実施し，超音速領域における カプセル空力特性を評価した．LES による解析結果を風洞試験データ（JAXA 1m×1m 超音速風洞）

と比較することで，超音速領域での空力特性を高精度（誤差 5% 以下）に再現可能であることを示した．

図1 LES によるマッハ 1.4 におけるカプセル模型まわりの解析

（上：マッハ数分布，下：渦度分布）

【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：

250時間 2ケース 181プロセス 4コア MPI

OpenMP，自動並列(VISIMPACT含む) JSS-M

成果の公表状況 査読なし論文

1) S. Matsuyama, H. Takayanagi, K. Fujita, K. Mitsuo, M. Watanabe, and H. Nishijima, “Prediction of Supersonic Aerodynamics for a Mars Entry Capsule Using Large Eddy Simulation,” AIAA Paper 2014-2692, 2014.

口頭発表

2) S. Matsuyama, H. Takayanagi, K. Fujita, K. Mitsuo, M. Watanabe, and H. Nishijima, “Prediction of Supersonic Aerodynamics for a Mars Entry Capsule Using Large Eddy Simulation,” 32nd AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2014.

年間利用量

※ JSS-Mの利用

事業形態 一般研究

事業の責任者・構成員

責任者：航空本部 構造技術研究グループ，中村俊哉(nakamura.toshiya@jaxa.jp) 構成員：航空本部 構造技術研究グループ，高戸谷健(takatoya.takeshi@jaxa.jp)

事業の目的

金属と複合材料の継手構造に適用可能な光ファイバセンサを埋め込んだボルトの有用性を検討してい る．

事業の目標

航空宇宙機に適用した場合，多点の継手に用いられることが多いが，すべてのボルトに光ファイバセン サを埋め込むのは実用的ではないため，できるだけ本数を減らすべく周囲の異常を検知する限界を解析的 に追い込んでいる．

事業の中でスパコン利用が果たす役割

繰り返し計算が必要な非線形接触問題の構造解析を実施している．

今年度の成果

光ファイバセンサを埋め込んだボルトのひずみの出力変化により周囲のボルトのゆるみを検出できる ことを解析的に示した．