極超音速衝撃波下流における非平衡気体力学のモデル化

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本年度は数値解析の分野において大きな成果があげられた。極超音速衝撃波下流の現象で特徴的なものの一つが、高エンタルピ気体からの輻射である。本研究では輻射のモデル化を行って数値コードを開発し、極超音速衝撃波に伴う発光現象解析を行い、幾つかの発見が得られた。輻射モデルとしては、束縛-束縛、束縛-自由、及び自由-自由遷移に伴う発光と吸収をモデル化し、放出係数と吸収係数、およびスペクトルを計算するコードを作成した。高温大気からの輻射に寄与する粒子種を検討した結果、N_2、O_2、N、O、NO及びそのイオンと電子からなる11-species大気輻射モデルを作成し、計算に必要な光学定数、遷移確率、及びband originなどをデータベース化した。また、アブレーション生成物を考慮するために、C、C_2、CO、CN、C^+、CO^+の6-speciesアブレータガス輻射モデルを開発し、同様のデータベースを作成した。これらの係数を量子力学的手法によって決定する数値コードも併せて開発した。上記の輻射解析コードを用いて、再突入カプセルMUSES-Cの地球再突入飛行環境について、流れ場の計算結果から得られる物理量の分布に基づいて解析を行った結果、幾つかの新しい発見が得られた。まず、再突入速度が11km/sを越えるような環境では、輻射は紫外領域に強い分布を示し、原子やイオンからの線スペクトルと、連続スペクトルが支配的となる。ただし、これは輻射を支配する振動、電子励起、及び電子温度に強く依存するため、熱的非平衡が強くこれらの温度が並進温度よりも十分低ければ、輻射強度は急速に低下する。また、紫外領域では吸収係数が大きく、平衡気体の場合、比較的短い距離でPlanckの輻射式が示す値に収束する。従って、200nm以下の波長域では吸収を正確に考慮する必要がある。