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。

这项研究的进步远不止其原始概念，这是一种方法，该方法使用基于机器学习的遗传算法和替代模型结合了传统优化方法，以及使用GPU（图像处理设备）的信息科学技术，例如大量平行的计算和深入学习。关于在压缩和减速以高超音速速度流动的气流，在虽然加速和增加的同时增加恒定动态压力的飞行路径中发挥作用的进度，多个设计点是针对多个性能变量（例如压缩效率和抵抗）的多个设计点的优化，例如压缩效率和抵抗，考虑多个操作条件，以及对鲁棒性侵入式和绩效的重要知识，并且在绩效设计和身体上的关系和物理现象之间的重要知识。对于通过压缩，点燃和燃烧燃料将燃料注入高温和高压空气的燃烧器，使用自由曲线灵活地表达了注射孔形状，以及使用计算流体分析（CFD）生成的数据库构建的替代模型，用于通过大规模评估，并在多种模型中进行大量反应和GPU，并进行多个模型，以及GPU的重大模型，并进行GPU，并使用GPU进行重大反应和GPU，并进行了GPU，并进行了GPU，并进行了GPU，并使用与Jaxa和海外大学合作进行了整合Cramjet Rockets的联合循环发动机的模式过渡，获得了有用的见解。此外，还开发了新方法，例如低维和深度学习，使用基于流场的性能评估来实现高速，高度准确的流场预测，优化和敏感性分析以及不确定性分析被应用于摄入量和燃烧器内的流场。该公司使用火箭助推和弹药夹设计了一个完全可重复使用的空间返回飞机系统，并同时实现了多个设计点的优化，考虑了空气动力学性能和供暖，以及多功能同时优化飞行路径的多用途飞行路径，这些飞行路径可以考虑到通过启动和构建空间的序列，并考虑到空间的空间和启动的序列，并从启动加速和构建空间，并且分析整个系统的建立，仅使用火箭弹展示其优于太空传输的优势。