本 研 究 で は,火 星 探 査 航 空 機 の 第 一 回 大 気 球 試 験 機(MABE‑Dに お け る 尾 翼 の 平 面 形 と 翼 型 に 起 因 す る 空 力 安 定 性 の 問 題 点 を 改 善 す る た め に,カ プ セ ル へ の 収 納 性 は 制 約 条 件 と しつ つ,水 平 尾 翼,垂 直 尾 翼 の 平 面 形 と 翼 型 の 変 更 に よ り 改 善 を 試 み た,各 尾 翼 の 平 面 形 を 矩 形 に,翼 型 を 薄 翼 のNACAOOO6に 変 更 し,そ の 際 に 水 平 尾 翼 容 積 比 は 縦 安 定 性 を 保 証 す る た め25%増 し の0.5と した.巡 航 時 の 胴 体 の 迎 角 を 小 さ くす る た め,主 翼 取 り付 け 角 は 2。に し た.
本 研 究 で 設 計 を 行 っ たMABE‑2aに 対 してCFDを 実 施 し,MABE‑1のCFD結 果 との 空 力 特 性,舵 効 き 特 性 の 比 較 を 行 っ た,揚 力 係 数,抗 力 係 数 へ の 寄 与 は 主 翼 が 大 部 分 を 占 め, 尾 翼 が 占 め る 割 合 は 小 さ い た め,尾 翼 の 平 面 形 の 変 更,面 積 の 増 加 が 揚 抗 比 を 減 少 さ せ る 影 響 は 小 さ い こ と が わ か っ た,ピ ッ チ ン グ モ ー メ ン ト係 数 は,MABE‑2aの 重 心 位 置 は MABE‑1よ り も後 方 に あ る た め,主 翼 の ピ ッチ ン グ モ ー メ ン ト係 数 が 頭 上 げ 方 向 に 増 加 し た.
MABE‑2砒 で はAoA=4。 以 上 で 主 翼 上 面 の 前 縁 付 近 で 流 れ が 剥 離 し,主 翼 上 面 の 剥 離 渦 に よ っ て 揚 力 係 数 が 緩 や か に 増 加 し て い く よ うな 失 速 特 性 を 持 つ と 考 え ら れ る.
MABE‑1,MABE‑2α の ど ち ら に お い て も胴 体 後 流 は い ず れ の 迎 角 で も 水 平 尾 翼 に 干 渉 す る,主 翼 後 流 は,MABE‑1で はAoA=O"e,MABE‑2α で はAoA=O・‑2。 で 水 平 尾 翼 に 干 渉 せ ず に 水 平 尾 翼 の 下 方 を 流 れ,MABE‑1で はAoA=6。 以 上,MABE‑2α で はAoA=4。 以 上 で 水 平 尾 翼 と干 渉 す る こ とが わ か っ た.後 流 干 渉 に よ る 空 力 係 数 の 減 少 はMABE‑2Ctの 方 が 大 き い も の の,概 念 設 計 で 水 平 尾 翼 容 積 比 をMABE‑1よ り も25%増 加 さ せ た め,全 機 ピ ッ チ ン グ モ ー メ ン ト係 数 に お い て,MABE‑2CtはMABE‑1と 同 程 度 の 静 安 定 性 が 確 保 され た.
舵 効 き 特 性 に つ い て は,MABE‑1で は 舵 角 変 化 に 対 し て 全 機 ピ ッチ ン グ モ ー メ ン ト係 数 の 変 化 が 非 線 形 で あ っ た の に 対 して,MABE‑2aで は 線 形 に 増 加 す る こ と が わ か っ た.水 平 尾 翼 の 翼 型 を 薄 翼 に し た こ と,水 平 尾 翼 の 平 面 形 を 矩 形 に した こ と,垂 直 尾 翼 を 水 平 尾 翼 翼 端 に 配 置 した こ と に よ っ てMABE‑2aで は,MABE‑1と 同 程 度 の 揚 抗 比 を 確 保 しつ つ,舵 効
き の 改 善 を す る こ と が で き,MABE‑1よ り も 縦 安 定 性 と制 御 性 を 改 善 で き た と 言 え る,
謝辞
本 研 究 を進 め る に 当 た り多 大 な る ご指 導 ご教授 下 さっ た 首都 大 学 東 京 大 学 院 シ ス テ ムデ ザ イ ン研 究 科 シ ス テ ムデ ザ イ ン専 攻 航 空 宇 宙 シ ス テ ム エ学 域 金 崎 雅 博 准 教 授 に心 よ り感 謝 の意 を表 しま す,
本 論 文 の火 星 探 査航 空 機 次 期 大 気 球 試 験機 の 概 念 設 計 お よびCFDに 関す る研 究 は,金 崎 准 教 授 の所 属 す る火 星 探 査 航 空 機 ワー キ ン グ グル ー プ(現=リ サ ー チ グル ー プ)の 先生 方, 学 生 達 の 協 力 の 下 で 成 り立 ちま した.会 議 や 学会 等 で貴 重 な ご意 見 を 下 さ り誠 に有 難 うご ざ い ま した.特 に,概 念 設 計 に 関 して ご 指 導 して 下 さ った 東 北 大 学 の 藤 田昂 志 助 教,火 星 探 査 航 空機 リサ ー チ グル ー プ 代 表 で あ りJAXA宇 宙研 の 大 山聖 准 教 授,リ サ ー チ グル ー プ 副 代 表 で あ り東 北 大 学 流 体 研 の 永 井 大 樹 教授 に 心 よ り感 謝 申 し上 げ ます,
研 究 を行 う際 に はJHPCNの 「実用 的 な 宇 宙 往 還 機 の設 計 研 究 チー ム 」 の一 員 と して,志 を同 じくす る大 学 の 教 授 方 や 学 生 と交流 を す る機 会 な どの充 実 した 環 境 が あ っ た か ら こそ 研 究 を進 め る こ とが で き ま した,そ の研 究 活 動 の一 環 と して,北 海 道 大学,名 古 屋 大 学 の ス ー パ ー コン ピ ュー ター を利 用 させ て頂 き有難 うご ざい ま した.
そ して,日 々 の研 究 活 動 で 助 言 を 下 さっ た 金 崎 研 究 室 の 皆 様 に 深 く感 謝 致 しま す,み な さん の お か げ で研 究 室 生 活 の3年 間 を充 実 した もの に す る こ とが で き ま した.最 後 に,大 学 生 活 全 般 に お い て 金 銭 面 や 精神 面 等 で,援 助 を して 下 さ っ た 両 親 と兄弟,家 族 全 員 に心 よ り感 謝 を 申 し上 げ,こ れ を謝 辞 と させ て頂 きます,
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Appendix
A.MABE‑2aの 空 力 デ ー タ A.1釣 合 飛 行 条 件
TableA.1に 地 球 環 境 お よ び 火 星 環 境 で のMABE‑1とMABE‑2ctに 働 く 重 力 を 示 す, MABE‑1とMABE‑2aの 質 量 は そ れ ぞ れ4.987kg,5.109kgで あ る.Fig,A,1にMABE‑1と
MABE・‑20rの 機 体 に 働 く鉛 直 上 向 き の 力 を 示 す.AoA=O‑・12。 で はMABE‑1とMABE‑2aの ど ち ら に お い て も,本 研 究 に お け る 動 圧16.09Pa,マ ッ ハ 数0.2(61.65iiVs)に お い て は,機 体 重 力 と釣 り合 う鉛 直 上 向 き の カ は 発 生 で き な い こ と が わ か る.火 星 環 境 に お い て,機 体 重 力 と釣 り合 う鉛 直 上 向 き の 力 を 発 生 さ せ る 動 圧 お よ び マ ッ ハ 数 を概 算 す る と,MABE‑1で は 動 圧37.96Pa,マ ッ ハ1$(O.307(94.41m/s),MABE‑2aで は 動 圧38.84Pa,マ ッハ 数0.311(95.80m/s)
と な る.こ こ で 用 い た 揚 力 係 数 と抗 力 係 数 は 最 大 揚 抗 比 時 の/直 を 用 い,レ イ ノ ル ズ 数 とマ ッ ハ 数 の 変 化 に よ る 空 力 係 数 の 変 化 は 小 さ い も の と仮 定 した.
A.2水 平 尾 翼 の 舵 角 に 対 す る 表 面Cp分 布
Fig.A.2にMABE‑LMABE‑20rのAoA=o‑・12eに お け る 舵 角 に 対 す る 水 平 尾 翼 表 面cp分 布 を 示 す.MABE‑1で は,δe=‑5。 で 水 平 尾 翼 上 面 の]E圧 の 増 加 は 小 さ く,δ,ニ ー10。で 水 平 尾 翼 上 面 の エ レベ ー タ 前 縁 付 近 の 正 圧 が 急 激 に 増 加 す る,MABE‑1の 垂 直 尾 翼 は 水 平 尾 翼 中 腹 に 位 置 し て い る た め,垂 直 尾 翼 周 りの 流 れ が 加 速 して 水 平 尾 翼 上 面 の 中 腹 で 負 圧 領 域 が 存 在 して い る.一 方,MABE‑2aで は 舵 角 の 増 加 に 対 して,舵 面 の 上 面 全 体 で 舵 角 変 化 に 対 して 正 圧 領 域 が 一 様 に 増 加 して い る,ま た,エ レベ ー タ は フ ル ス パ ン で あ る た め,正 圧 の
増 加 す る 領 域 が 水 平 尾 翼 ス パ ン 全 域 に 見 ら れ る,垂 直 尾 翼 は 水 平 尾 翼 翼 端 に 配 置 し た た め, 垂 直 尾 翼 付 近 の 負 圧 はMABE‑1よ り も 小 さ く な っ て い る.こ れ ら は,4,3(Fig,4.12)で 述 べ たAoA;O。 に お け るCp分 布 と 同 様 の 傾 向 で あ る ,
A.3主 翼 荷 重 と 水 平 尾 翼 荷 重
第4章 で 行 っ たCFD結 果 を 用 い て 求 め たMABE‑2皿 の 主 翼 と水 平 尾 翼 に お け る ス パ ン方 向 に 対 す る 荷 重 分 布wをFig.A.3に 示 す.動 圧 は 第 一 回 大 気 球 試 験 で の 最 大 動 圧200Paと
し た,主 翼 と 水 平 尾 翼 の ど ち ら に お い て も 迎 角 が 増 す に つ れ て あ る ス パ ン位 置 に 対 す る 荷 重 は 増 加 して い る が,主 翼 で はAoA=6。 か らAoA=8。 で の 増 加 量 が 少 な い.こ れ は,MABE‑2砿 に お い て はAoA=4e以 上 で 前 縁 剥 離 が 起 き 揚 力 係 数 の 増 加 が 小 さ く な る た め で あ る,一 方 で, 水 平 尾 翼 で は 大 規 模 な 剥 離 は 見 られ な い た め,迎 角 に 対 す る 荷 重 の 増 加 量 が 一 様 で あ る, MABE2α の 主 翼 と 水 平 尾 翼 に お け る 荷 重 分 布 を 積 分 した 値(揚 力,抗 力)か ら求 め た 翼 の 垂 直 な 方 向 に か か る カF、 をFig.A.4に 示 す,
B.MABE‑2pの 概 要
MABE‑1は 機 首 部 に1553kgの バ ラ ス トを 搭 載 す る こ と で 重 心 位 置 を 調 整 した た め, MABE‑2aに つ い て も 機 首 部 へ の バ ラ ス トの 搭 載 で 重 心 位 置 を 調 整 す る こ と が 想 定 され る,
し か し,こ の バ ラ ス トの 搭 載 は 機 体 質 量 が 増 加 して し ま う た め,搭 載 し な い こ と が 望 ま し い,そ こ で,第2章 で 再 設 計 を 行 っ たMABE‑2α に つ い て,主 翼 配 置 位 置 を 変 更 す る こ と に よ っ て バ ラ ス トを 搭 載 せ ず に 重 心 位 置 を38%cに 調 整 す る こ と を 検 討 す る と,MABE‑1よ り も 約80mm後 方 に 主 翼 を 配 置 す る こ と で 重 心 位 置 を 調 整 で き る こ と が わ か っ た.こ こ で, 搭 載 機 器 な ど の 質 量,配 置 位 置 をMABE‑1と 同 様 だ と仮 定 した,Fig,B,1にMABE‑2ctと
MABE‑2β の 主 翼 位 置 の 比 較,TableB.1に そ れ ぞ れ の 形 状 諸 元 の 比 較 を 示 す,MABE‑2β に つ い て は,MABE‑2uよ り も 水 平 尾 翼 容 積 比,垂 直 尾 翼 容 積 比 が そ れ ぞ れ1割 程 減 少 して い る,MABE‑2β のCFD結 果 に つ い て は 参 考 文 献[21],[22]を 参 照 され た い,