極超音速流れにおける放電プラズマ現象の物理の解明

阐明高超声速流中放电等离子体现象的物理原理

基本信息

批准号：
11J06441
负责人：
渡邉保真
金额：
$ 1.22万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2013
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は, 将来の極超音速空力制御を見据えた放電プラズマによる気流制御メカニズムの解明とその物理モデル考案であり, 最終年度に当たる平成25年度は, 昨年度までに完了した気流制御現象への理解とその物理モデルを基に, 実用的な空力制御への応用を扱った. ここでは, ①直流アーク放電プラズマを用いた極超音速空力制御法として有望な制御装置コンセプトとして, ボディーフラップ前方での放電による空気力制御を提案し, ②その制御効果を数値解析により評価, 更に③極超音速風洞実験により制御性能及び効率を検証・評価した.①本研究で提案する放電空力制御装置として, ボディーフラップ前方での放電プラズマにより舵面での空気力を瞬時に制御し機体の制御モーメントを操作可能とする装置を考案した. この模型は2平面が舵角20度を成して接合された二重楔形状であり, 斜面前方に電極を配置し, 後方の舵面を模した斜面上の空気力変動をまずは数値解析により評価した.②数値解析の結果, 放電気流制御により舵面で発生するピッチングモーメント及び抗力係数は, 何れも舵角が小さい場合に相当する値に減少する事が判明した.③この空力制御効果と制御効率を定量評価する為極超音速風洞実験を行った. 配線接続を有する実験模型の空気力計測の為, 新型の力計測系を開発し, これを実験に用いた. 実験の結果, 数値解析での予測と同様の空力制御効果が確認された. 投入電力ベ一スで評価した抗力低減効率は300%を超える高効率であった. 更に, 空気力が静定するまでに掛かる応答時間は0.1秒以下と, 数秒から10秒程度の応答時間を有する従来型の舵面制御に比べ極めて優位性のある制御手法である事が解明された. 上記とは別に放電に対し磁場を印加した際の補助的な気流制御効果を実験により調査したが, 永久磁石による0.1テスラ程度の磁場を用いた場合では圧力を始め流れ場に余り大きな影響を与えないことも判明した. (800字)

这项研究的目的是阐明使用放电等离子体的气流控制机制，并为其设计一个物理模型，着眼于未来的高超声速气动控制。这项研究的最后一年，即2013财年，将致力于气流控制的改进基于这一理解及其物理模型，我们讨论了其在实际空气动力学控制中的应用。在这里，我们将讨论（1）一种有前景的使用直流电弧放电等离子体进行高超声速空气动力学控制的控制系统概念；我们提出了在机身襟翼前使用放电进行气动控制，（2）通过数值分析评估其控制效果，（3）通过高超声速风洞实验验证和评估控制性能和效率（1）本文提出的放电空气动力学。研究作为控制装置，我们设计了一种装置，利用机身襟翼前面的放电等离子体来瞬间控制操纵面上的气动力，从而使得操纵飞机的控制力矩成为可能。该模型具有双楔形形状，其中两个平面以 20 度的转向角连接，电极放置在斜坡前面，首先通过数值分析来模拟后控制面的斜坡上的气动力波动。 ②数值分析结果，控制面上因流量控制而产生的俯仰力矩和阻力系数为：发现这两个值均下降至与转向角较小时相当的值。 ③进行高超声速风洞实验，定量评估带接线连接的实验模型的气动控制效果和控制效率。为了测量，我们开发了一种新型力测量系统并将其用于实验。实验结果证实了与数值分析预测的相同的气动控制效果。基于输入功率评估的减阻效率超过300%，并且，气动力稳定的响应时间小于0.1秒，并且已经发现响应时间在几秒至约10秒之间。除此之外，我们还进行了一项实验来研究在放电时施加磁场时补充气流控制的效果。还发现使用永磁体约 0.1 特斯拉的磁场对压力和其他流场不会产生太大影响（800 个字符）。