再使用型ロケットの垂直着陸における空力特性と運用性の研究

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本研究では垂直着陸型再使用ロケットの着陸フェーズにおいて、減速・軟着陸のためのエンジン排気プルームと機体周りの流れの干渉と、機体底面および着陸脚へ与える熱的・機械的な影響を考え、運用システムとして成立する機体形状や姿勢運動を含めた飛行プロファイルなどについて、空気力学および運動力学の観点で考察し、垂直着陸型再使用ロケットのシステム構築に必要となる空力設計や着陸方法の考え方を示すことを目的としている。1年目の令和3年度においては、再使用ロケットの着陸時におけるエンジン排気プルームを模擬するための風洞実験が可能なスケールモデルを設計するとともに、圧力計測システムの構築とその動作確認を行った。風洞実験に必要な圧力センサの仕様を設定し、計測システムを構築して風洞実験により動作確認を実施した。2年目の令和4年度においては、1年目に設定した機体形状により、排気プルームを伴う機体周りの流れ場を模擬するための風洞実験が可能なスケールモデルを試作して、基礎的なデータを取得するための実験を実施した。スケールモデルには小型の気畜器とバルブを内装し、機体底面に設けられた貯気槽とノズルから排気プルームを模擬したジェットを吹き出す機構を構築した。過去の研究においては、外部からガスを供給するための配管が必要であったが、このシステムによって、内部からのガス供給が可能となり、モデル周りで流れ場に影響を与えていた外部配管が不要となったため、より正確に流れ場を再現することを可能とした。さらに、機体表面の圧力分布を計測するため、モデル表面全体に圧力孔を分布させ、圧力センサをモデルに内装することで、機体周りに形成される非定常な流れ場による圧力分布を精度よく計測することを可能とした。構築した模型により風洞実験を行い、表面圧力の計測、模型駆動装置による迎角変更などの確認し、空気力評価の準備を整えた。