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大気圏突入カプセルの熱流体解析

JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2023年2月~2024年1月)

報告書番号: R23JDU10300

利用分野: 宇宙科学

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  • 責任者: 澤井秀次郎, 宇宙科学研究所宇宙飛翔工学研究系
  • 問い合せ先: 永田 靖典(nagata.yasunori@jaxa.jp)
  • メンバ: 永田 靖典, 小山 颯大, 佐藤 立樹, 竜田 響, 飯田 怜央

事業概要

はやぶさサンプルリターンカプセルのような大気圏突入カプセルでは, 高速度で大気圏に突入する際に, 空力加熱をはじめとしたさまざまな流体現象が発生し, これを適切に予測することがカプセルの設計上重要である. 本研究では, 大気圏突入カプセルの熱流体解析を実施し, さまざまな現象把握を進めている. 具体的には, (1)展開型柔軟エアロシェルのフライト実験機の熱空力環境予測, (2)膨張波管実験におけるカプセル型模型の熱空力環境の推定, (3)MHD相互作用効果に関する流体現象の把握, を進めている.

参照URL

なし

JAXAスーパーコンピュータを使用する理由と利点

極超音速で飛行する大気圏突入カプセル周りの流体解析を適切に実施するためには, 物体適合構造格子を用いて, 高品質の計算格子を用いる必要がある. ISVソフトウェアとして提供されているPointwiseは, 物体に沿った計算格子を生成できるだけでなく, 計算格子の調整も柔軟に行うことが可能であり, 格子生成に要する時間を大幅に短縮することができる. 特に, 比較的複雑な形状の展開型柔軟エアロシェルのカプセルに対しても, Pointwiseの強力なスムージング機能により高品質の計算格子を生成することができる. よって, ISVソフトウェアを利用することとした. なお, 流体解析は内製コードを使用し, 自前のワークステーションで計算を行った.

今年度の成果

(1)について, 2021年に実施した展開型柔軟エアロシェルのフライト実験の熱空力環境を模擬するために, 2次元軸対称熱流体解析を実施した. 特に, エアロシェルが柔軟であるため, 大気圏再突入中の空気力を受けたことによるエアロシェルの変形を考慮した(図1). 結果として, 変形を考慮することで衝撃波離脱距離は変化し, 変形を考慮しない場合よりも熱流束はよどみ点で大きくなり, エアロシェルでは小さくなる傾向があることが明らかとなった. 今後は, 適切な熱収支モデルについてを検討し, フライト中の温度データの再現を目指す.

また, 展開型柔軟エアロシェルを有する大気圏突入機用のADS (Air Data System)センサについて, 2次元軸対称流体解析を用いて検討を行った(図2). ADSは機体壁面の圧力差から対気姿勢を推定するセンサであり, 流体解析の結果として, 一様流動圧が大きいと圧力差も大きくなる傾向があることが明らかとなった. 今後は, 3次元流体解析を行い, ADSの検討を進めていく.

(2)について, 膨張波管は高速・高エンタルピー気流を生成可能な実験装置であり, 大気圏突入飛行環境を模擬することができる. この装置を用いて, はやぶさサンプルリターンカプセル模型の前面および背面の熱流束計測が行われているが, 実験計測から十分な気流の情報を得ることが困難であるため, 実験計測と流体解析の両方から現象把握を進めている. 流体解析では, 膨張波管で生成される気流のパラメータを推定した上で, 解析によって実験における模型周りの流れ場を再現し(図3), 模型前背面の熱流束計測結果との比較を進めている.

(3)について, 電磁力を利用した気流制御技術に関し, 流体に与える影響について電磁流体解析を実施した. 2次元くさび形状周りに電磁力を作用させることで, 衝撃波形状が大きく変化すると同時に, 壁面圧力分布にも影響を与えることが明らかとなった(図4). 電磁力の与え方によって, 壁面圧力が上昇する場合と, 減少する場合があり, これらを組み合わせることで機体に作用する空気力を制御できる可能性がある. 今後は, 実験による実証と現象理解を進めていき, 空力制御に応用できるかの検討も進めていく.

Annual Reoprt Figures for 2023

図1: 展開型柔軟エアロシェル実験機の大気圏突入時のCFD解析結果(マッハ数分布. 上図:エアロシェルの変形を考慮. 下図:エアロシェル設計形状)

 

Annual Reoprt Figures for 2023

図2: 展開型柔軟エアロシェル飛行体の超音速飛行時のCFD解析結果(圧力分布と流線)

 

Annual Reoprt Figures for 2023

図3: はやぶさSRC型実験模型に対する膨張波管模擬気流のCFD解析結果(並進温度分布(上図)と振動温度分布(下図))

 

Annual Reoprt Figures for 2023

図4: 2次元くさび形状に対するMHD解析結果(衝撃波形状比較. 上図:肩部付近磁場印加ケース. 下図:先端付近磁場印加ケース)

 

成果の公表

-口頭発表

1) 竜田響, 山田和彦, 永田靖典, 手塚亜聖, RATS飛翔試験における展開型柔軟エアロシェルの空力加熱環境に関する研究, 日本航空宇宙学会第54期年会講演会, 1D02, 2023.

2) 佐藤立樹, 今村宰, 永田靖典, 山田和彦, くさび形状周りの極超音速プラズマ流に対する電磁流体制御効果のMHD流体解析, 第67回宇宙科学技術連合講演会, 3H02, 2023.

3) 小山颯大, 黒坂洋介, 嶋村耕平, 永田靖典, 山田和彦, 丹野英幸, 膨張波管を用いた超軌道速度でのSRC全面空力加熱評価, 第67回宇宙科学技術連合講演会, 3H08, 2023.

4) 竜田響, 山田和彦, 永田靖典, 手塚亜聖, 形状変化を考慮した展開型柔軟エアロシェルの空力加熱解析, 第67回宇宙科学技術連合講演会, 3H09, 2023.

5) 飯田怜央, 中尾達郎, 羽森仁志, 永田靖典, 山田和彦, 笠原次郎, 観測ロケット実験データ回収機「RATS-2」の開発, 令和5年度宇宙航行の力学シンポジウム, ISAS2023-SFMA-042 , 2023.

6) 小山颯大, 嶋村耕平, 永田靖典, 山田和彦, 丹野英幸, 膨張波管HEK-Xを用いた超軌道再突入時のSRC前背面空力加熱評価, 令和5年度宇宙航行の力学シンポジウム, ISAS2023-SFMA-050, 2023.

7) 佐藤立樹, 永田靖典, 山田和彦, 今村宰, くさび形状周りの極超音速プラズマ流に対する電磁流体制御効果に関する研究, 2023年度衝撃波シンポジウム, 1C3-2, 2024.

JSS利用状況

計算情報

  • プロセス並列手法: 非該当
  • スレッド並列手法: 非該当
  • プロセス並列数: 1
  • 1ケースあたりの経過時間: 1 時間

JSS3利用量

 

総資源に占める利用割合※1(%): 0.00

 

内訳

JSS3のシステム構成や主要な仕様は、JSS3のシステム構成をご覧下さい。

計算資源
計算システム名 CPU利用量(コア・時) 資源の利用割合※2(%)
TOKI-SORA 0.00 0.00
TOKI-ST 0.00 0.00
TOKI-GP 0.00 0.00
TOKI-XM 0.00 0.00
TOKI-LM 0.00 0.00
TOKI-TST 0.00 0.00
TOKI-TGP 0.00 0.00
TOKI-TLM 0.00 0.00

 

ファイルシステム資源
ファイルシステム名 ストレージ割当量(GiB) 資源の利用割合※2(%)
/home 0.00 0.00
/data及び/data2 0.00 0.00
/ssd 0.00 0.00

 

アーカイバ資源
アーカイバシステム名 利用量(TiB) 資源の利用割合※2(%)
J-SPACE 0.00 0.00

※1 総資源に占める利用割合:3つの資源(計算, ファイルシステム, アーカイバ)の利用割合の加重平均.

※2 資源の利用割合:対象資源一年間の総利用量に対する利用割合.

 

ISV利用量

ISVソフトウェア資源
利用量(時) 資源の利用割合※2(%)
ISVソフトウェア(合計) 127.65 0.06

※2 資源の利用割合:対象資源一年間の総利用量に対する利用割合.

JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2023年2月~2024年1月)