再突入飛行環境下での衝撃層と印加磁場との干渉効果に関する基礎実験研究

再入飞行环境下激波层与外加磁场干涉效应的基础实验研究

• 批准号: 08J09240
• 负责人: 河村 政昭
• 金额: $ 0.77万
• 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: 2008
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2008 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08J09240/
• 关键词: 再突入; 弱電離プラズマ; 印加磁場; 熱防御システム; 超音速流

スペースシャトルなどの宇宙飛行体が、惑星大気圏に再突入する際の次世代型の熱防御システムの1つに、「印加磁場による弱電離プラズマ流の制御」がある。これは、飛行体が大気圏に再突入する際、機体前方に発生する強い衝撃波背後の弱電離プラズマ流を機体内部から磁場を印加することで制御する方法である。本システムに関してこれまで様々な数値計算、実験が行われてきたが、機体内部から印加する磁場の向きは、淀み点で最も磁場強度が強くなる、つまりN極の向きと主流のなす角θが0゜の方向を向いたものがほとんどであった。そこで本年度は、θが0゜以外のθ=45゜、90゜、135゜、180゜の方向を向いた場合、衝撃層と印加磁場がどのような干渉効果を起こすのか、小型のアーク加熱風洞を用いて基礎実験を行った.具体的に、i)流れの可視化、ii)試験模型にはたらく抗力測定、iii)試験模型にはたらく揚力測定、の3つについて検証を行った。i)流れの可視化:磁場配位を変化させる事で可視領域でどのような変化が起きるか検証を行った。その結果、θ=45゜、90゜、135゜において、N極とS極の境界付近にはっきりと白い線のようなものが形成されている映像が得られた。これは、世界でも初の映像であり、どのような物理メカニズムでこのような現象が起こっているのか徹底的に検証しなければならない。すべての角度において、磁場を印加しない場合の流れとの明らかな違いが現れており、印加磁場効果をはっきりと確認できた。ii)試験模型にはたらく抗力測定:弱電離プラズマ流と印加磁場の干渉の結果、弱電離プラズマ流を試験模型前方に押し出すローレンツカが発生し、その反作用の力を試験模型内部の磁場発生機構が受けるため、試験模型にはたらく抗力が増大する。そこで、印加する磁場の配位が変化することで、試験模型にはたらく抗力がどのように変化するか、抗力の磁場角度依存性について検証を行った。その結果、θ=90゜で対称な結果となり、θ=0゜と180゜、θ=45゜と135゜で同程度の値を示した。また、θ=90゜で最大値となりうる事が判明した。これは、抗力増大効果を利用した空力加熱低減システムにとって新たな知見である。iii)試験模型にはたらく揚力測定:θ=45゜、135゜の場合、軸対称ではない為、試験模型周りの圧力分布が上下非対称となりさらに上述のローレンツカの影響もあり試験模型に揚力が発生する可能性がある。そこで、試験模型にはたらく揚力を測定することで揚力の磁場角度依存性についての検証も行った。その結果、抗力ほど大きな値ではないが、θ=45゜、135゜において揚力が発生することが判明した。これは、θを0゜、90゜、180゜以外にすると揚力が発生する可能性があることを示唆しており、揚力を用いた再突入飛行についての新たな知見である。これらの結果は、本システムを用いた熱防御システムが様々な可能性を秘めている事を示唆しており、更なる理解が必要である。特に数値計算による理解はほとんど行われておらず、数値計算結果との比較検討が重要であり、流れの可視化で現れた白い線の理解も含めて物理メカニズムの解明が急務である。

The next generation of thermal defense systems during the re-intrusion of space objects and stars, and the control of weak current in the Inca magnetic field The method of controlling the weak current behind the strong shock wave generated in front of the aircraft body when the aircraft body intrudes into the large space This article is related to the calculation of the number of values, the calculation of the number of lines, the direction of the magnetic field inside the body, the maximum magnetic field strength at the center point, the direction of the N pole, the direction of the main current angle θ, the direction of the zero point, and the calculation of the number of lines. This year, θ=45 °, 90 °, 135 °, 180 ° directions other than θ = 0 °, impact layer, magnetic field, dry effect, small heating wind tunnel, basic operation. Specific, i) flow visualization, ii) test model for resistance measurement, iii) test model for resistance measurement, iii) test model for verification i) Flow visualization: magnetic field coordination changes, visual field changes, visual field changes, As a result, θ=45, 90, 135, N pole, S pole, boundary, boundary, boundary. This is the first time that the world has seen such a phenomenon. The angle of the magnetic field is different from the angle of the magnetic field. ii) Determination of resistance in the test model: results of interference of weak ion current and magnetic field, results of interference of weak ion current and magnetic field in the test model front, forces of reaction, forces of magnetic field generation mechanism in the test model, increase of resistance in the test model. The coordination of magnetic field is changed, and the resistance is changed, and the magnetic field angle dependence is verified. The result is θ=90, θ=0, θ= 180, θ=45 and θ = 135.θ=90 This is the first time in history that the United States has used air power to heat and reduce air pollution. iii) Measurement of lifting force in the test model:θ=45 °, 135 °, axis symmetry, pressure distribution in the test model cycle, upper and lower symmetry, influence of lifting force in the test model, possibility of generating lifting force. The test results show that the magnetic field angle dependence of the lift force is dependent on the angle of the lift force The result is that the resistance value is greater than 0, θ=45, and θ = 135. The possibility of the force generation beyond 0, 90, and 180 degrees is discussed. The results of this study are: 1) the possibility of using the system, 2) the necessity of understanding the system, 3) the possibility of using the system, 4) the possibility of using the system, and 5) the possibility of using the system. Special value calculation, understanding, comparison and discussion of numerical value calculation results are important, visual and white lines are understood, including physics, understanding and urgent tasks.

项目成果

Experiment on Drag Enhancement for Blunt Body with Electrodynamic Heat Shield

电动热屏蔽钝头体阻力增强实验

• 发表时间: 2009
• 期刊: Journal of Spacecraft and Rockets 46
• 作者: M.Kawamura;A.Matsuda;T.Abe
• 通讯作者: T.Abe

Kinetic Continuum Simulations of Electromagnetic Control of a Simulated Reentry Flow

模拟再入流电磁控制的动力学连续模拟

• 发表时间: 2008
• 期刊: Journal of Spacecraft and Rockets 45
• 作者: H. Katsurayama;M. Kawamura;A. Matsuda;T. Abe
• 通讯作者: T. Abe

再突入飛行環境下での電磁ヒートシールドを利用した効力増大効果に関する実験的研究

再入飞行环境下电磁热屏蔽效能增强效果实验研究

• 发表时间: 2008
• 作者: 友田悠介;渡邊敬登;花田道庸;久米彌;伊丹壮一郎;白樫淳一;河村政昭
• 通讯作者: 河村政昭

電磁ヒートシールドを用いた再突入飛行における抗力増大効果への磁場配位の影響

磁场布局对电磁热屏蔽再入飞行增阻效应的影响

• 发表时间: 2010
• 作者: 河村政昭;安部隆士
• 通讯作者: 安部隆士

Model surface conductivity effect for the electro-magnetic heat shield in re-entry flight

再入飞行中电磁热屏蔽的表面传导效应模型

• 发表时间: 2008
• 期刊: Physics of Fluids 20
• 作者: Atsushi Matsuda;Hirotaka Otsu;Masaaki Kawamura;Yuji Takizawa;Detlev Konigorski;Takashi Abe
• 通讯作者: Takashi Abe