次世代有人宇宙ミッション実現へ向けた複合系流れ場解析と再突入軌道設計

实现下一代载人航天任务的复杂流场分析和再入轨迹设计

基本信息

批准号：
13J04485
负责人：
石原知明
金额：
$ 1.92万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は地球帰還友人宇宙機の高精度熱空力予測に向けた熱化学非平衡，輻射，アブレーション，乱流といった高エンタルピー流れの宇宙機周りでの物理現象間相互作用を考慮した複合系の流れ場解析を行うことである. 2年目までに極超音速乱流場における数値解析コードを開発した．しかし，高エンタルピー流れにおいては実験と数値計算との差異が確認されており, コードの妥当性を検証するためにも実機に近い高エンタルピー流れを生成できる高温衝撃風洞HIESTの結果と数値計算結果の差異の解明を目標とした．HIESTにおける鈍頭物体間周りの計測結果と数値計算結果との比較検証の結果，壁面熱流束と壁面圧力において差異が観測されている．前者の壁面熱流束に関しては, 2年目までにその原因の解明と高精度に予測するための補正法を提案し, 本年度, Transaction of JSASSにJournal論文として刊行された. また壁面圧力については, 鈍頭周り流れ場解析の上流条件を決めるノズル解析コードにおいて従来の手法に問題があることを発見し，その補正法を提案した．この結果についてまとめたものもAerospace Science and TechnologyにJournal論文として刊行された．さらに開発した極超音速乱流場コードとこれらの補正法を用いて，HIESTで行われたダイアモンドラフネスを用いた壁面熱流束測定結果とも比較を行った．非定常乱流場における正確な熱流束を予測するためには, トリップ形状等の工夫が必要があるとわかった．極超音速乱流場における正確な熱流束を予測するためには, 実験と数値計算のより詳細な検証が求められるが，本研究を通して得られた補正法と極超音速乱流場解析コードを用いることで，高エンタルピー条件下における壁面熱流束及び空力係数を予測可能になることが期待される．

这项研究的目的是开发一个复杂的系统，考虑到高焓流航天器周围物理现象之间的相互作用，例如热化学非平衡、辐射、烧蚀和湍流，以高精度地预测友方航天器返回的热空气动力学到地球的第二年，我开发了高超声速湍流场的数值分析代码。然而，在高焓流中，实验和数值计算之间的差异已经得到证实，为了验证代码的有效性，我们对比了可以产生高焓流的高温激波风洞HIEST的结果接近实际机器，并通过数值计算的结果来澄清差异。将HIEST中钝头物体周围的测量结果与数值计算结果进行比较，结果发现壁面热通量和壁面压力存在差异。关于以前的壁面热流密度，到了第二年我们已经弄清楚了它的原因，并提出了一种高精度预测的修正方法，并在今年的Transaction of JSASS上发表了期刊论文。至于壁面压力，我们发现了一个问题喷嘴分析代码中的常规方法确定了钝头周围流场分析的上游条件，并提出了校正方法。这些结果的摘要也作为期刊文章发表在《航空航天科学与技术》上。此外，使用开发的高超声速湍流场代码和这些校正方法，我们还比较了在 HIEST 进行的使用金刚石粗糙度进行的壁热通量测量的结果。研究发现，为了准确预测非定常湍流场中的热通量，需要设计行程形状等。为了准确预测高超声速湍流流场中的热通量，需要更详细的实验和数值计算验证，期望通过该方法能够预测高超声速湍流流场中的壁面热通量和气动系数。焓条件。