極超音速衝撃波層における固体壁電気境界条件に関する研究

高超声速激波层实壁电边界条件研究

基本信息

批准号：
11875216
负责人：
佐宗章弘
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至 2000
项目状态：
已结题

项目摘要

これまで、大気圏再突入に関わる流体の研究は、壁面の電気的な条件が考慮されずになされてきたものが殆どだった。ところが、超軌道速度での再突入では電離度が10%を越えることも有り得るため、プラズマ流体としての取扱いが必要になる。本研究では、その中の代表的な現象である、固体壁の電気境界条件について実験研究を行った。まず、イクスパンション管を用いた超軌道速度流れの発生法を確立した。実験室の限られた環境でそのような極限的な高エンタルピー流れを発生させるため、自由ピストン駆動部の条件をチューンドオペレーション法を改良することによって確立した。また、試験気流の状態を、従来の静圧、ピトー圧測定のみに頼らず、衝撃波層の高速度写真撮影、時間分解発光分光測定を通して、より精度よく測定した。特に、上記分光測定によって加速気体と試験気体の接触面を明確に測定し、許容誤差の関数として試験時間を評価した。淀み点エンタルピーは、最高37MJ/kgまで達成した。試験気流中に静電探針を置いてその浮遊電位を測定したところ、境界層の状態に依存して大きく変動することがわかった。また、二波長ホログラフィー干渉計法による円柱周りの衝撃波層の可視化実験を行い、浮遊電位金属壁、グランド電位金属壁、絶縁物壁による電子密度の違いを測定した。しかし、その差異は測定誤差の範囲内であり、電子境界条件がシース外部の流れ場に大きな影響をもたらす条件は見出せなかった。本研究の結論として、固体壁の電気境界条件は流れ場の大きな構造を変えるまでには至らないが、浮遊電位は大きく変動し、再突入物体の通信、計測機器への配慮が必要となることが示唆された。

到目前为止，大多数有关重返大气层的流体的研究都是在没有考虑墙壁上的电气条件的情况下进行的。然而，在以超轨道速度再入时，电离程度可能超过10%，因此必须将其视为等离子体流体。在本研究中，我们对实体壁的电边界条件进行了实验研究，这是一个典型的现象。首先，我们建立了一种使用膨胀管产生超轨道速度流的方法。为了在有限的实验室环境下产生如此极高的焓流，通过改进调谐操作方法建立了自由活塞驱动的条件。此外，通过冲击波层的高速摄影和时间分辨发射光谱，可以更精确地测量测试气流的状态，而不是仅仅依靠传统的静压和皮托管压力测量。特别地，通过上述光谱测量清楚地测量了加速气体和测试气体之间的界面，并且将测试时间评估为容差的函数。驻点热函最大达到37MJ/kg。当我们通过将静电探针放置在测试气流中来测量浮动电位时，我们发现它根据边界层的状态而变化很大。我们还进行了利用双波长全息干涉仪方法可视化圆柱体周围冲击波层的实验，并测量了浮动电位金属壁、接地电位金属壁和绝缘体壁之间的电子密度差异。但差异在测量误差范围内，没有发现电子边界条件对鞘外流场产生显着影响的条件。本研究的结论是，虽然固体壁的电边界条件不会改变流场的主要结构，但浮动电势波动很大，建议必须考虑再入物体的通信和测量设备。。