主な研究対象：予冷ターボジェットエンジン

• 予冷ターボジェットエンジンとは

　佐藤研究室の主な研究対象である予冷ターボジェットエンジンとは， ジェットエンジンにおけるインテークと圧縮機の間に熱交換器(予冷器)を置き、圧縮機に流入する空気をあらかじめ冷やす極超音速機用ジェットエンジンです。
　高マッハ数での飛行ではインテークにおいて流入する空気の速度が減速され、運動エネルギが熱エネルギに変換されるため、インテーク後の温度が非常に高くなります(大気温度と比べてマッハ5で1000度以上高くなる)。 さらに圧縮機で空気が圧縮されることで、その温度はより高くなります。
　このままでは圧縮機の翼が溶けてしまうので、予冷器を設置して空気を冷やすことにより高いマッハ数でも作動可能にしようということが、このエンジンの狙いです。

エンジンシステムの研究：システムチーム

• 極超音速システム／航空用水素エンジンの最適化

　広い飛行マッハ数領域を持つ超音速/極超音速旅客機では、非設計点での問題が多く存在するため、 設計点だけでなく全体の性能を最適化する必要があります。 そこで極超音速の巡航機の多目的最適化を行うことによって、巡航マッハ数・燃料・用途によるエンジンパラメータの違いを調べ、 今後の設計などに役立つデータを得ることを目的とした研究をしています。 多目的最適化に関しては遺伝的アルゴリズムを多目的に拡張したMOGAを用いて計算しています。 本年度は超音速複葉機の重量推算モデルの構築などを行い、より高精度な最適化を目指しています。
(小川正倫)


エンジンモデル
• 極超音速エンジン動的シミュレータの開発研究

　エンジントラブル発生時に、原因究明のための有力な手法として数値シミュレーションが挙げられる。 また、エンジンの信頼性向上においても、開発設計段階で燃焼試験前にエンジンシステム全体の始動、停止、 故障時などの過渡特性を把握しておくことが重要である。 そこで、本研究ではJAXAで開発中の極超音速エンジンの過渡特性を解析する能力を有するシミュレータプログラムを開発することを目指す。
(宮澤佑輔)
• 予冷ターボジェットエンジンを対象とした動的シミュレータの構築

　極超音速エンジンにおける非定常状態のシミュレータを開発する。 これはエンジンの起動・停止・不具合といったような非定常運転時における各モジュールの挙動のシミュレートを目的としている。
　特に不具合発生時には、バルブ破損などの不具合想定原因を組み込んだ結果を実験結果と比較することで、原因を特定できる可能性がある。 ゆえにトラブル解析ツールとしての活躍が期待されている。 開発者だけではなく誰もが使用できるようなシステムの必要性から、GUIを用いた動的シミュレータの開発を行っていく予定である。
(新井智之)

空力要素に関する研究：空力チーム

• 空気取入口（エアインテーク）

　宇宙往還型スペースプレーンへの搭載が有力視されている予冷ターボジェットエンジンなどの超音速エンジンには、 高性能かつ高い信頼性を持ったインテークが必要となり、超音速インテーク班ではそれらのインテークに関する研究を進めています。 具体的にはインテークの先端形状、壁面荒さ、バズ特性などがどのようにインテークの始動性に影響を与えるかをCFD（計算流体力学）と 実験の両面から調査しており、 JAXA相模原キャンパスにて毎年約二週間の風洞試験を行っています。
(赤塚将拓、中山智裕、八嶋治、宮岡諒)


シュリーレン画像

数値解析
• 圧縮機

　極超音速機は静止状態から巡航状態(Mach5以上)まで非常に広い飛行マッハ数領域を持ちます。 そのため圧縮機の動作を常に設計点に保つことは困難です。 特に巡航状態においては、本来回転する翼によって空気を圧縮する圧縮機が、 風車のように空気によって回転させられるウインドミルと呼ばれる状態に近づくのではないかと考えられます。
  そこで本研究では非設計点、特にウインドミル状態での圧縮機内部流れを解析することにより、 ウインドミルの構造調査と性能向上、極超音速巡航時のウインドミルに近い状態での動作の問題点などを探ります。
(小川正倫、野地祐矢)

熱流体要素に関する研究：予冷却チーム

• 予冷器における着霜に関する研究

　予冷ターボジェットエンジンでは、主流空気中の水分の凝縮に伴い予冷器冷却面に付着する霜層の除去が最重要課題となっている。 この霜層によって、空気冷却部の伝熱の低下によって空気の冷却効果は著しく減少し、流路の閉塞によりエンジンの運転の妨げとなる。
　現在、上記の着霜の除去について、世界各国で研究が進められ、アルコール噴射による着霜の低減などの成果が上がっているが、 完全な着霜現象の防止に至った例は未だに現れてはいない。 本研究では、実際に予冷ターボジェットエンジン実験装置を製作し、上記課題の解決法についての研究を行う。
（内野隆、相沢望、今村友亮）


オランダAMT社 マーキュリーエンジン

• 予冷ターボジェットエンジンの動特性取得と、非定常シミュレータの検証に関する研究

　予冷ターボジェットエンジンの開発において、大規模実験等実機を用いる実験を行う必要があるが、 実験機の故障等のリスクがつきものである。 しかし、エンジンの挙動や特性を事前に把握しておくことができれば、起動実験等を省略でき、 上記のようなリスクの回避によって開発コストを抑制することができる。 このため、予冷ターボジェットエンジンの非定常シミュレータが開発された。
　本研究では、このシミュレータを本学に設置されている小型模型用ターボジェットエンジンに適用し、 実機の実験結果と比較することで、非定常シミュレータの信頼性を検証する。 また、同時に上記小型模型用ターボジェットエンジンを自動制御化し、動特性取得実験も併せて行う。
（内野隆、大矢敏生、増田龍）



熱流体要素に関する研究：二相流チーム

• 二相流に関する研究

　Sエンジンの燃料には液体水素が使用されている。供給初期は沸騰しガス化するが、配管内壁温度の低下により液相へと相変化し、流量が増加する。 燃料流量増加によりコアエンジンの起動制御は非常に困難になるため、事前のシミュレーションが必要である。
　シミュレーション結果を元に状況に応じて要求水素流量をコアエンジンへ供給できるシステムをSエンジン実機へ搭載することが目標である。 シミュレーションを行うにあたり液体水素の相変化を正確に捉える必要があるため、水素沸騰二相流の熱伝達特性を取得する必要がある。 水素沸騰二相流熱伝達特性取得実験は今秋、JAXAあきる野実験施設にて実施予定である。 亜臨界、超臨界条件下での実験を予定しており、低圧条件においては沸騰状態の可視化も予定している。 現在は水素沸騰二相流熱伝達特性取得実験に向けて計測手法確立のため水−空気二相流を用いて実験を行っている。
(大塚勝允、飯塚ひとみ、渡部将光、後藤嵩人、平山歩)

数値解析に関する研究：CFDチーム

• 多孔壁通過流れのモデリング

　航空機の開発において風洞試験による空力の計測は 欠かせず、その計測の高精度化に様々な試みがなされている。 その一つとして、風洞内の流れをＣＦＤ（数値流体力学）によって再現し、 流れ場を調査する風洞全体解析が行われている。
　風洞全体解析において対象となる遷音速風洞の多孔壁をモデル化する 必要があるが、風洞多孔壁に対応できるモデルは現在存在しない。 よって本研究では風洞多孔壁に対応できるモデルの開発を 主にＣＦＤのアプローチから目指している。
（南部太介）

多孔壁面におけるマッハ数分布


抽気孔内流れの可視化図

再突入飛翔体に関する研究：再突入チーム

• アブレーション反応に関する研究

相模原の宇宙科学研究所へ技術研修生として出向し、地球への再突入・惑星突入に関する研究を行っています。 技術課題を大きく分けて、『システム・飛行力学』『熱空力』『耐熱材料』の3分野に分類し、宇宙飛翔体の飛行解析、 耐熱材料の研究開発、金星の大気を模擬する誘導加熱型プラズマ発生装置の改良や装置を用いた実験、高温気流の レーザ分光による速度場計測や非平衡温度計測などのテーマを設定しています。
（千葉祐司）

大気圏に突入するカプセルの想像図

アーク加熱風洞によるアブレータ加熱試験

計測手法に関する研究：LIPS

• レーザー誘起プラズマ分光分析（LIPS）を用いた高圧場での局所当量比計測法の研究

　本研究では、将来的にジェットエンジン燃焼器内の高圧場において当量比分布を非接触で計測可能にし、それにより燃焼場の解析や、窒素酸化物（NOx）の低減、燃費の改善等に役立てることを目的としている。
　 当量比計測の手法としては、特定の原子を励起させた際に特定の波長の電磁波を発する性質を利用した、レーザー誘起プラズマ分光分析（LIPS）を用いて、 当量比既知の高圧気体にレーザーを照射した際のプラズマ光を測定し、その結果をデータベースとして未知の混合気の当量比を測定・算出する方法の構築を行っ ている。
（福本敦）

Nd:YAGレーザーによるプラズマ

その他の推進系に関する研究

• 宇宙用パルスデトネーション


• 有人月探査システム