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

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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。