将来型宇宙輸送に向けた革新的スクラムジェットの熱空力解析と統合最適化

用于未来太空运输的创新超燃冲压发动机的热空气动力学分析和集成优化

基本信息

批准号：
17K20144
负责人：
小川秀朗
金额：
$ 26.21万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Fund for the Promotion of Joint International Research (Home-Returning Researcher Development Research)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

スクラムジェットエンジンとそれを用いた宇宙輸送システムについて、遺伝的アルゴリズムや機械学習に基づく代替モデルによる従来的な最適化手法に加え、GPU（画像処理装置）による超並列演算・深層学習といった情報科学分野の技術を融合したアプローチにより、本研究は当初の構想よりも進展している。極超音速で流入する気流を圧縮・減速する役割を果たすインテークに関し、動圧を一定に保ちながら加速上昇する飛行経路において、複数の作動条件を考慮し圧縮効率や抵抗など複数の性能変数に関する多設計点同時最適化を実施し、ロバストなインテーク設計ならびに性能と物理現象の関連に関する重要な知見を獲得した。圧縮により高温・高圧となった空気に燃料を噴射し着火、燃焼する燃焼器については、噴射孔形状を自由曲線により柔軟に表現し、数値流体解析（CFD）により生成したデータベースで構築したサロゲートモデルを用い、多設計点においてGPU超並列評価により多目的同時最適化を行い、また化学反応モデルの低次元化やスクラムジェット・ロケットを統合した複合サイクルエンジンの燃焼モード遷移に関する研究をJAXAや海外の大学と共同で実施し、有益な洞察を得た。さらにインテーク・燃焼器内の流れ場に関して、低次元化や深層学習を適用し、高速かつ高精度の流れ場予測を実現し、それに基づく性能評価を用いた最適化および感度解析・不確定性解析といった新手法を開発した。ロケットブースターとスクラムジェットを用いた完全再使用型宇宙往還機システムを考案し、空力性能や加熱を考慮した多設計点同時最適化や、打ち上げから上昇加速・分離を経て宇宙空間まで到達するシークエンスについても、空力・推進特性を考慮した飛行経路の多目的同時最適化を実施し、システム全体の成立性に関する検証および分析を行うためのフレームワークを構築し、ロケットのみを用いた宇宙輸送に対する優位性を示した。

关于超燃冲压发动机和使用它们的太空运输系统，除了使用基于遗传算法和机器学习的替代模型的传统优化方法之外，在信息科学领域，例如使用GPU（图像处理单元）的大规模并行计算和深度学习，该研究也取得了进一步进展由于结合了这些技术的方法，比最初设想的要好。对于对高超音速流入的气流起到压缩和减速作用的进气口，我们考虑了多种工况，并在保持一定速度的同时加速和上升的飞行路径中进行了压缩效率和阻力等多个性能变量的研究。进行了同步设计点优化，并获得了有关稳健进气设计以及性能与物理现象之间关系的重要知识。对于将燃料喷射到因压缩而变得高温高压的空气中并点燃并燃烧的燃烧器，使用自由曲线灵活地表达喷射孔的形状，并使用使用生成的数据库构建了代理模型使用多个设计点的计算流体分析 (CFD)。我们利用GPU大规模并行评估进行了多目标同时优化，并与JAXA和海外大学合作，对集成超燃冲压发动机的联合循环发动机的化学反应模型和燃烧模式转变进行了降维研究，获得了一些见解。此外，我们将降维和深度学习应用于进气和燃烧室的流场，以实现高速且高精度的流场预测，并在此基础上，我们通过性能评估和灵敏度分析/不确定性分析进行了优化。一种新方法。我们设计了一种使用火箭助推器和超燃冲压发动机的完全可重复使用的航天器系统，我们将同时优化多个设计点，考虑空气动力性能和加热，以及从发射到外层空间到上升加速和分离的顺序。考虑到空气动力学和推进特性的多目标同时优化飞行路径，构建了验证和分析整个系统可行性的框架，并显示了相对于仅使用火箭的太空运输的优势。