超音速衝突噴流における渦と衝撃波の干渉から生じる音響現象

摘要

ロケットに搭載されるペイロードにとって，音響加振は大きな問題の一つであり，音響波の発生メカニズムの解明が求められてきた．ロケットのジェットから発生する音響波には，フィードバック機構によるスクリーチ音と，乱流による広帯域騒音が存在するが，ペイロードへの加振が最も大きくなるのは打ち上げ後数秒の間であり，この時に支配的な音響波はジェットと火炎偏向板が衝突することで生じる広帯域騒音である．しかしその音響発生メカニズムの解明にあたっては，実際の音響場が非常に複雑であることや，実機を用いた試験ではコスト面から回数の制限があることから，より単純な系である斜め平板に衝突する超音速噴流を対象にした研究が行われてきた．この系における流れ場および音響波の様子はFig. 1のようになる．流れ場は，噴流がノズルから平板に衝突するまでの自由噴流領域と，平板衝突後に平板に沿って流れる壁噴流領域に分けられる．噴流が平板に衝突する直前には離脱衝撃波であるplate shockが形成され，壁噴流領域ではbarrel shockと類似した構造でtail shockが形成される．この系において発生する音響波には，(i)自由噴流の剪断層から発生するマッハ波， (ii)壁噴流の剪断層から発生するマッハ波，(iii)噴流の衝突点付近から発生する音響波，という３種類が存在することがわかっている．このうち音響波(iii)についてはノズル方向，すなわち現実にはロケット方向に伝播するため，音響加振を抑制する上でその発生メカニズムを解明することは非常に重要であり，近年は特に音響波(iii)に注目した研究が行われてきている．