JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2016年4月～2017年3月)

報告書番号: R16J0051

• 責任者: 高橋 聖幸(東京大学大学院 工学研究科)
• 問い合わせ先: 高橋 聖幸(mtakahashi@rhd.mech.tohoku.ac.jp)
• メンバ: 高橋聖幸
• 利用分類: 宇宙分野(宇宙輸送)

概要

ビーム推進システムにおける電離構造を数値的に再現すべく,運動論的粒子モデル及び流体モデルによるプラズマ計算と電磁波伝搬計算との連成解析を行った.ビーム照射による衝撃波伝搬を圧縮性流体計算により再現し,外部磁場を印加する事でビーム推進機の推進性能及び安定飛行性能が改善可能である事を数値的に実証した.

目的

次世代宇宙輸送システムとしてビーム推進機の実現を目指し,推進性能と安定飛行性能の向上を達成する為の新技術提案を行う.また,ビーム誘起放電の物理現象を解明し,プラズマを用いた航空宇宙技術の革新を促す事を目的とする.

目標

ビーム推進機の放電室に外部磁場を印加し,推進性能と安定飛行性能を改善する為に技術目標(①磁場印加による電離構造遷移の実証,②誘起衝撃波強化の実証,③誘起衝撃波構造制御の実証)を達成する.

参照URL

なし

スパコンの用途

運動論的粒子モデル及び流体モデルによるプラズマ計算と電磁波伝搬計算の連成解析,及び中性粒子数密度変化を捉える圧縮性流体解析をスパコンにより行い,ビーム推進機の推進性能及び飛行性能評価を行う.

スパコンの必要性

電子衝突電離が頻繁に生ずる状況下で粒子計算を行う為,荷電粒子数が膨大となり,大規模並列計算が必要となる.また,流体モデルによる計算を行う場合は,多次元且つ広領域に渡る数値計算を行う為,大規模並列計算が必要となる.

今年度の成果

荷電粒子計算と電磁波伝搬計算を結合する事で,ビーム誘起放電時の電離構造を再現した (Fig. 1).また,外部磁場を印加する事で電離波面伝搬速度が低下,更には電子サイクロトロン共鳴吸収条件を満たす事で加熱率が改善された.伝搬速度低下と加熱率上昇により,従来と比較して 100 倍以上の推進性能を得る事に成功した(Fig. 2).

Fig.1:粒子計算により再現されたビーム誘起放電

Fig.2:外部磁場印加による推進性能改善

成果の公表

査読付論文

1) M. Takahashi and N. Ohnishi, 'Plasma Filamentation and Shock Wave Enhancement in Microwave Rockets by Combining Low-Frequency Microwaves with External Magnetic Field,' Journal of Applied Physics, Vol. 120, 063303 (2016).

2) M. Takahashi, 'Development of Plasma Fluid Model for a Microwave Rocketsupported by a Magnetic Field,' Journal of Physics: Conference Series (accepted).

3) M. Takahashi, 'Asymmetric Shock Wave Generation in a Microwave Rocket Using a Magnetic Field,' Journal of Physics: Conference Series (accepted).

4) M. Takahashi and N. Ohnishi, 'Open-front Approach of a Microwave Rocket Sustained by a Resonant Magnetic Field,' Journal of Propulsion and Power (under review).

5) M. Takahashi, Y. Kageyama, and N. Ohnishi, 'Joule-Heating-Supported Plasma Filamentation and Branching duringsubcritical Microwave Irradiation,' Applied Physics Letters (under review).

査読なし論文

1) M. Takahashi, 'Gas-Species Dependency of Energy-Absorption Rate in Filamentary Plasma Induced by an Intense Microwave,' Proceedings of ISPlasma2017/IC-PLANTS2017 (2017).

2) K. Hamasaki, M. Takahashi, and N. Ohnishi 'Frequency Dependence of Filamentary-Plasma Structure in Microwave Breakdown in Air,' Proceedings of ISPlasma2017/IC-PLANTS2017 (2017).

3) 高橋聖幸,大西直文,'繰り返しパルス照射による剥離流れ制御の数値的研究,' 平成28年度衝撃波シンポジウム講演論文集 (2017).

計算情報

• 並列化手法: プロセス並列
• プロセス並列手法: MPI
• スレッド並列手法: 非該当
• プロセス並列数: 100
• プロセスあたりのスレッド数: 1
• 使用ノード数: 10
• 1ケースあたりの経過時間(時間): 80
• 実行ケース数: 20

利用量

総仮想利用経費(円): 863,543

内訳

注記: 仮想利用経費=2016年度設備貸付費用の単価を用いて算出した場合の経費

JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2016年4月～2017年3月)