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宇宙航空研究開発機構

実機空力特性推定技術

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一般的な風洞では、実際の飛行環境のレイノルズ(Re)数の再現が難しいため、現在の航空機の設計においては風洞実験のデータを過去の別の機体形状で得たデータベースや経験則で加工して、実機の空力特性を推定しています。
JAXAでは、実験用航空機を使った実機の空力特性や主翼変形量の計測技術、風洞/CFDと実機によるレイノルズ数差や微少な形状差の補正技術や、主翼上の衝撃波振動であるバフェット現象を改善するデバイス設置技術などを開発することにより、飛行条件を忠実に推定可能な実機空力特性推定技術、飛行の安全性、効率性を増大させる非定常現象抑制技術の確立を目指しています。

実機空力特性診断技術

航空機・宇宙機の設計では、風洞試験や流体の数値シミュレーション(CFD)等の地上での予測ツールを用いて実機の空力特性を予測しつつ開発を進めます。地上試験による予測は、レイノルズ数(慣性力と粘性力の比)、細かい形状、飛行時の形状変形、流体現象の数学モデル化など、実機の飛行とはどうしても異なったものになってしまいます。一方、飛行試験から得られるデータは限定的な項目になってしまいますが、これと地上試験やシミュレーションによって算出した空力特性を比較することは、地上での予測ツールにより構築される実機空力特性の推定技術を改良する上で必要不可欠です。
JAXAは、実機の飛行試験における抵抗や揚力などの空力特性の取得の他、特に空力特性に大きな影響を与える主翼上面の衝撃波の位置を可視化・同定する技術や、飛行時の揚力による主翼の変形量を計測する技術などを開発しています。
図1はJAXAの実験用航空機「飛翔」を使った主翼変形量計測技術の開発試験の様子です。主翼に黒丸のシールを貼り、それを2台のカメラでステレオ計測することでそれぞれのマーカの位置を3次元座標として計測します。地上でのマーカー位置と飛行中のマーカー位置の差を取ることで飛行中の主翼の変形量を計測することができます。図2が飛行中の主翼の変形量です。胴体に近い位置では主翼の変形量は小さく、翼端に近付くほど変形量が大きくなります。また、45度バンクや60度バンクなどのように遠心力の掛かる飛行では航空機にかかる力が大きくなるため、それと吊り合う揚力も大きくなり、主翼の変形量も大きくなります。図3は燃料重量と主翼変形量の関係を調べたものです。燃料タンク内の燃料が少なくなると機体の重量が軽くなるため、機体の重量を支える揚力も小さくなります。このため主翼の変形量も小さくなっていることが捉えられています。

図1: 実験用航空機「飛翔」での主翼変形量計測システム: 2か所の窓にカメラを設置し、主翼上のマーカー(黒い丸印)の位置を3次元的に計測

図2: 飛行条件の違いによる主翼変形量の差
(45度や60度のバンク飛行では遠心力のためにより大きな揚力での飛行となり、主翼の変形量も大きくなる)

図3: 燃料重量の違いによる主翼変形量の差
(燃料が少なくなると、より小さな揚力で飛行することができるため、主翼の変形量も小さくなる)

遷音速レイノルズ数効果試験技術

日本国内には、実機レイノルズ数(実際に航空機や宇宙機が空を飛んでいる状態でのレイノルズ(Re)数)を再現できる高レイノルズ数風洞は存在しません。しかしながらレイノルズ数効果の空力特性に与える影響は非常に大きく、従来型の風洞を用いた試験で得られた巡航時の空気抵抗の補正量が全抵抗の20%以上にまで及ぶこともあります。
レイノルズ数効果はこれまで多くの研究者が取り組んできた重要性の高いテーマですが、国内の技術者の知識や経験も十分とは言えず、現状が把握されていない状況にあります。従って本研究では現状の技術を最大限に利用して得られる補正限界を見極めることを目指します。また高レイノルズ数風洞で得られる試験結果と、数値シミュレーション(CFD)によって予測される結果の違いを定量化することにより、将来的に実機レイノルズ数における空力特性の予測技術を確立するための基盤を作ります(図4)。

図4: 模型の通風中の変形とレイノルズ数による摩擦力の違いを補正することで、
異なるレイノルズ数の風洞(NTFおよびETW)と良い精度で一致させることができた

遷音速非定常流れ場評価・改善技術

図5: ロケットフェアリング模型(模型上面の白い部分がPSP計測範囲)

遷音速領域での非定常衝撃波振動現象である遷音速バフェットは、航空機の高速飛行条件での飛行姿勢・速度の上限を決定する現象であり、ロケットの打ち上げにおいてもフェアリング内のペイロード振動環境に大きな影響を与える重要な現象です。航空機やロケットの空力性能の向上や飛行可能領域を拡大できるように、微小な突起などのデバイスを付加することなどによって形状を最適化できれば、より安全性を増大させることができます。
そのため、まずJAXAが研究してきた光学計測技術の中でも衝撃波の振動など非定常流れが計測可能な非定常PSPや時系列PIVを活用し、3次元流れ場におけるバフェット発生部位の同定及び流れ場の詳細構造の評価を行うための技術を開発します。図5は遷音速風洞におけるロケットフェアリング模型と、試験で得られた非定常PSPによる圧力変動計測と時系列PIVによる瞬時速度場計測の結果です。
また、遷音速バフェットを改善するため、バフェット抑制デバイスとして広く使われているボルテックス・ジェネレーター(VG)を適切に配置するための技術についても開発を進めています。図6は商用旅客機の主翼に取り付けられたVGです。VGはいろいろな航空機に広く使われています。風洞試験では標準模型であるNASA-CRM模型(図7)を使い、主翼に様々な間隔でVGを取り付けた際の空力特性の改善効果の評価を行っています。図8はVG設置によるNASA-CRM模型の空力特性の変化ですが、VG無しに比べ、高迎角での揚力が増大し、ピッチングモーメントの線形域が拡大していることが分かります。VG設置で空力特性は向上しますが、抵抗も増えるため、なるべく少ない個数のVGを最適な位置に取り付けることで最も効率的に航空機の性能を向上させる技術を開発しています。

非定常PSP計測結果(マッハ数0.8、迎角4度、1/500スロー再生) 模型上の圧力が激しく変動振動していることが分かる

時系列PIV計測結果(マッハ数0.8、迎角0度、1/2000スロー再生) 模型上の速度が大きく変動(特に青色の剥離領域)していることが分かる

図6: 旅客機の主翼に取り付けられているボルテックス・ジェネレーター

図7: VG性能評価風洞試験に用いられた80%NASA-CRM模型
模型の主翼にボルテックス・ジェネレーターを取り付け、空力性能改善効果を評価

図8: VG有/無での揚力及びピッチングモーメント特性の比較
(DvはVGの間隔。値の大きい方が間隔が広い)
VGありでは高迎角での揚力が増大し、ピッチングモーメントの線形域が拡大

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