分子動力学解析と分光実験による次世代宇宙機周り流れの非平衝過程の高精度モデル化

利用分子动力学分析和光谱实验对下一代航天器周围的非平衡流动过程进行高精度建模

基本信息

批准号：
15760600
负责人：
藤田和央
金额：
$ 1.92万
依托单位：
Japan Aerospace Exploration Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は3年間の研究の集大成として,これまでに培われた高エンタルピ気流の計測技術の応用をおこなった.具体的には,宇宙航空研究開発機構の総合技術研究本部のCIPプラズマ風洞の計測,同機構の宇宙科学研究本部のICPプラズマ風洞の計測を行って,気流診断を行った.計測精度を向上させるため,ここでは特に0原子への電子付着による発光,NO分子からの発光のモデル化の高精度化を行うことで,実験による観測されたスペクトルの再現性を大幅に向上するとともに,気流の回転温度,振動温度,電子励起温度を高精度で評価するとともに,気流中化学種のモル分率を評価した.これとは逆に,実験的に得られたスペクトルを用いて輻射解析コードの高精度化・汎用化を行った.宇宙機周りの解析として,アブレーションモデルの高精度化を行った.ここでは実験で新たに得られた知見を元に,熱分解ガスとしてC2H2を含む熱化学系を提案し,評価モデルへの導入を行った.これを行うにあたり,既存の気相化学反応の反応レートをレビューして,新たな31化学反応系(金星・地球・火星大気に応用可能)モデルを構築するとともに,新しい非平衡反応モデルセットを構築して,特に金星大気への高速再突入問題について応用解析を行った.金星への高速突入では輻射によるエネルギー輸送-得に気体力学的過程との強いカップリング-が重要である.これを正確にモデル化するため,輻射解析コードを発展させて,輻射エネルギー輸送をCFDと連成して解く先進的な手法を開発した.その結果,従来の非連成手法で解析した機体の加熱率は大幅に過大評価であり,機体の効率よい設計のためには,新しく開発した連成手法が非常に精度よく,かつ効率的であることがわかった.これらの成果を取りまとめて国際学会にて発表し,また学術雑誌に投稿して受理された.上記コードの開発,特に化学反応レートの算出に当たっては,実験的にいまだ精度よく算出できない過程が存在し,評価精度向上の支障となっている.そこで本研究では,例えばCO2の乖離速度係数,COの熱的緩和などに焦点を当てて,分子動力学的解析により算出を試みた.また輻射コードの改善においては,電子遷移モーメント,分子ポテンシャルなど基礎物性値を量子化学計算により算出し,これを用いた遷移速度係数を算出するなどの手法を用いている.これらサブテーマの成果は,結果を取りまとめ次第,逐次成果報告として発表する予定である.

今年，作为三年研究的高潮，我们应用了该技术来衡量迄今为止我们已经培养的高焓气流。具体来说，我们测量了日本航空航天勘探局一般技术研究总部的CIP等离子风洞，以及日本航空航天勘探局太空科学研究总部的ICP等离子风洞，并进行了气流诊断。为了提高测量准确性，我们特别使从电子粘附到零原子的排放以及无分子的排放进行了建模，这极大地改善了从实验中观察到的光谱的可重复性，还评估了旋转温度，振动温度和较高精度空气流的电子激发温度。评估了流动中化学物种的摩尔分数。相反，实验获得的光谱用于提高辐射分析法规的准确性和概括。消融模型作为围绕航天器周围的分析而改善。在这里，根据实验获得的新发现，提出了包含C2H2作为热解气体的热化学系统，并将其引入评估模型。通过这种方式，我们回顾了现有的气相化学反应的反应速率，构建了一种新的31化学反应系统（应用于金星，地球和火星大气层），并构建了一组新的非平衡反应模型，尤其是在金星大气中。我们对重新进入问题进行了应用分析。辐射的能量传输 - 与气体力学过程的强耦合对于高速进入金星很重要。为了准确地对此进行建模，我们开发了一种通过与CFD耦合来求解辐射能传输的先进方法。结果，我们发现使用常规非耦合方法分析的飞机的加热速率被显着高估，并且新开发的耦合方法对于飞机的有效设计非常准确，有效。这些结果是在国际科学技术学会上汇编和提出的，并提交给学术期刊并接受。在开发上述代码，特别是化学反应速率时，仍然有一些过程无法以高精度在实验上计算，从而阻碍了评估准确性的提高。因此，在这项研究中，我们尝试使用分子动态分析来计算CO的CO2偏差速率和热弛豫系数。此外，为了改善辐射法规，通过量子化学计算计算了基本的物理特性，例如电子过渡力矩和分子电位，并使用这些计算计算过渡速率系数。这些子主题的结果将作为顺序结果报告发表，一旦汇编了结果。