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火星ヘリコプタおよび火星ロケットの空力特性に関する数値的研究

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: R23JACA41

利用分野: JSS大学共同利用

PDFはここからダウンロード

  • 責任者: 佐藤允, 工学院大学
  • 問い合せ先: 佐藤 允, 工学院大学(msato@cc.kogakuin.ac.jp)
  • メンバ: 佐藤 允, 白土 百合子, 吉川 昂汰

事業概要

JAXA宇宙研が中心となって火星の洞窟・縦孔探査を目的とした火星ヘリコプタの研究開発プロジェクトを進めている. 宇宙研の大山研究室では火星大気を模擬した低圧環境における火星ヘリの空力特性を実験的に測定する研究が行われている. 本研究では, 当該実験と同様の条件および実験では困難な条件に対して, 火星ヘリロータ周りの流れに関する数値解析を行うことにより, ロータの空力特性と流れ場の特性を明らかにする.

加えて, 火星で得られたサンプルを地球にリターンする際に使用する, 火星ロケットの研究が宇宙研の大山研究室で進められている. 火星では地球と比べて低レイノルズ数かつ高マッハ数環境となるため, 火星環境に即した最適なロケット形状の知見が必要不可欠である. 本研究では, 火星環境におけるロケット周りの流れに関する数値解析を行うことにより, ロケットの空力特性と流れ場から最適な火星ロケット形状を明らかにする.

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

JAXAで開発された流体解析ソルバー「rFlow3D」および「FaSTAR」を用いて, 火星環境下での回転翼周り流れとロケット周り流れに関する大規模数値シュミレーションを行うため.

今年度の成果

火星ヘリコプタ用ロータ周り流れにおける圧縮性の影響を調べるために, 火星ヘリコプタ「HAMILTON」[1]のシングルロータを対象とした解析をおこなった. パラメータとして, ロータブレードの翼端マッハ数を約0.2から0.8まで変化させた. 各ケースでレイノルズ数は一定とした. 数値解析ソルバーにはJAXAで開発されたrFlow3Dを用いた.

図1は各ケースにおけるCT-CQおよびCT-FoMの結果を示している. 結果より, 低CT領域では翼端マッハ数の影響は小さいが, 高CT領域において翼端マッハ数の影響は大きくなり, 翼端マッハ数が高く圧縮性の影響が強いほどロータ性能が減少することがわかった. 図2はピッチ角10度と20度におけるブレード表面のCp分布を示している. ここではブレードスパン方向90%断面の結果を示す. ピッチ角10度の比較的低CT領域では翼端マッハ数の影響は小さいが, ピッチ角20度の高CT領域ではCp分布に明確な差異が現れており, 翼端マッハ数0.21と0.42の結果では流れの再付着により層流剥離泡と同様のCp分布が観察される. 図3は図2と同断面における乱流運動エネルギー分布を示している. ピッチ角10度の条件では翼端マッハ数による差異は小さい. 一方で, ピッチ角20度の条件では, 翼端マッハ数0.21と0.42の場合, 翼面付近に高乱流運動エネルギー領域が形成されている. この領域での乱流への遷移がおこり流れの乱流再付着が生じる.

また, 火星ロケット周り流れにおけるレイノルズ数とマッハ数の影響を調べるために, 既往研究で提案されている形状[2]を対象とした数値解析をおこなった. パラメータとして, レイノルズ数およびマッハ数を変化させた. 数値解析ソルバーにはJAXAで開発されたFaSTARを用いた. 図4はレイノルズ数3.0*10^5, マッハ数0.95におけるロケット周りの流れを示している. 背景は圧力分布, ロケット表面は摩擦応力分布となっている. 解析結果より, 地球環境と火星環境では特に遷音速領域において空力特性に差が生じることがわかった.

[1] Sugiura, M., Tanabe, Y., Sugawara, H., Kimura, K., Oyama, A., Sato, M., Yoshikawa, K., Buto, Y., Kanazaki, M., Kishi, Y., Kikuchi, D., and Minajima, T., “Blade Shape Optimization of Mars Helicopter Exploring Pit Craters”, VFS Forum 78-paper93, 2022.

[2] Jeffrey V. Bowles, Loc C. Huynh, and Veronica M. Hawke:Mars Sample Return: Mars Ascent Vehicle Mission & Technology Requirements, NASA/TM-2013-216511, 2013.

Annual Reoprt Figures for 2023

図1: 空力性能に対する翼端マッハ数の影響

 

Annual Reoprt Figures for 2023

図2: 異なる翼端マッハ数におけるCp分布の比較(左図:ピッチ角10度, 右図:ピッチ角20度)

 

Annual Reoprt Figures for 2023

図3: 異なる翼端マッハ数における乱流運動エネルギー分布の比較(上図:ピッチ角10度, 下図:ピッチ角20度)

 

Annual Reoprt Figures for 2023

図4: 火星ロケット周りの流れ場

 

成果の公表

-口頭発表

[1]Kota Yoshikawa, Yuta Buto, Makoto Sato, Akira Oyama, Masahiko Sugiura, Yasutada Tanabe, Keita Kimura, Kuniyuki Takekawa, Yuki Kishi, Masahiro Kanazaki, “Compressibility Effects on Aerodynamic Characteristics and Flow Fields
of Mars Helicopter Rotor”, 2023 AIAA AVIATION Forum (2023).

[2]吉川昂汰, 佐藤允, 大山聖, “火星ヘリコプタの実現に向けた遷音速ロータの空力特性に関する研究”, 第67回 宇宙科学技術連合講演会 (2023).

[3]白土百合子, 佐藤允, 大山聖, “低レイノルズ数流れとなる火星サンプルリターンロケットの空力特性に関する研究”, 第67回 宇宙科学技術連合講演会 (2023).

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: OpenMP
  • プロセス並列数: 1
  • 1ケースあたりの経過時間: 1920 時間

JSS3利用量

 

総資源に占める利用割合※1(%): 0.11

 

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 2848767.77 0.13
TOKI-ST 4907.05 0.01
TOKI-GP 0.00 0.00
TOKI-XM 0.00 0.00
TOKI-LM 0.10 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 1024.00 0.85
/data及び/data2 168710.00 1.04
/ssd 2510.00 0.24

 

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) 160.20 0.07

※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)