超音速域でのカプセル後流の流束変動計測

摘要

近年，火星探査をはじめとする惑星探査に向けた取り組みが盛hに行われている．なかでも惑星表面に探査機を送り込み，調査を行うミッションでは，大気圏突入から地表面に安全に着陸させる信頼性の高いシステムが求められる．従来の火星探査などでは，探査機投入時の減速装置として超音速パラシュートが用いられてきた．パラシュートは，軽量で単純な構造であることや，エネルギーを使用せず優れた減速性能を有するなどの利点がある．その一方で，"AreaOscillation"と呼ばれるキャノピーの振動現象や，キャノピー前方の衝撃波が激しく振動するといった不安定性が問題となっており，その現象の解明が求められている．A. Sengupta らは，マッハ数，レイノルズ数がパラシュート性能に及ぼす影響について，柔軟模型及び剛体模型を用いた詳細な実験を行っており，Area oscillation やバウショックの振動に対して，カプセル後流やサスペンションラインが強く影響していることを示唆している．また，N.Pilyugin ら[4]によると，カプセル後流と衝撃波の干渉について，前後二物体間の距離により二つのモードが存在することが示されているが，定量的な流れ場の構造ついては未解明な部分が多い．そこで，本研究の先行実験として超音速パラシュートの不安定性に大きな影響を与えるカプセル後流の流れ場の特性を明らかにするため，高い時間分解能を有する熱線流速計を採用した変動計測を行った．熱線流速計により，精度の良いデータを取得するためには，実験と同様の気流条件にて較正を行うことが重要である．しかし，風洞の気流条件を変えて較正を行う従来の手法では，較正試験に多数の通風試験を要すると共に，較正点数が限られるという問題があった．そこで本研究では，一様流の中に楔形前縁を有する平板を挿入し，その平板上の流れ場に熱線プローブを挿入して較正を行う新たな手法を提案する．平板の迎角を変更することにより，平板先端から生じる斜め衝撃波及び，イクスパンションファンの背後の流れ場の質量流束を任意に設定することが可能である．これにより，較正試験に要する通風回数を大幅に削減することが期待できると共に，より精度の高い較正が可能となる．本研究では，超音速風洞を用いた試験に向け，新たに提案する較正手法の有効性を理論的なアプローチにより検証する．