はやぶさ型カプセルの自由振動シミュレーション

オープンCAEシンポジウム2021
オープンCAEシンポジウムに初めて参加しました、Opensourceに関わる様々な発表を聴講できて興味深かったです。やはりOpenFOAMが強い印象があります。OpenFOAMの圧縮性流体ソルバーHiSAや熱化学非平衡流ソルバーhy2Foamなど教えてもらいました、これらも大変関心ある内容ですので、いずれ自分で動作確認してみたいものです（やるとは言ってない）

はやぶさ型カプセルの動的な姿勢不安定問題
わたしの発表ではSU2を用いたはやぶさ型カプセルの流体と剛体運動連成による自由振動シミュレーションについてお話しました。はやぶさ型形状のカプセルは遷音速領域において動的な姿勢不安定性（姿勢振動が減衰しないこと）を有することが確認されており、いまでも問題となっています。数値シミュレーションは有用なツールですので、それによって不安定性を再現、メカニズム解明や低減化のアイデアを提案していきたいという背景があります。

SU2コードについて
今回用いたSU2と呼ばれるオープンソースソフトウェアは圧縮性流体向きのもので、遷音速・超音速流れ解析において現在広く用いられる標準的なスキームが豊富に実装されています。移動格子ルーチンが導入されており、今回の姿勢不安定問題等に適用できないかと思い使ってみました。割と便利なSU2ですが、なぜかLES/RANSのハイブリッドモデルは使えるのにLES単体がなかったり、移動格子利用時にAUSMファミリーが使えないなど微妙な抜けがあったのですが、そこは共著の高澤君に実装してもらいました。わたしはコードを使っただけです。

自由振動シミュレーション
遷音速領域におけるはやぶさ型カプセル近傍のマッハ数分布動画を示してます。計算格子縛りをしていて、100万要素程度のすべて四面体要素で計算格子を作成しています。シンポジウム発表時のとはちょっと使用スキームが異なっています（SLAUをJSTに変更したなど）。格子がかなり粗く解像度が悪いものと思いますが、意外に不安定性を捉えらている印象があります。ただ、これから真面目にやっていこうと思うとどうなるかは不明です。
動画を見ると、カプセル前方には衝撃波、肩部ではく離、背後に膨張領域と自由せん断流れ、再圧縮衝撃波、さらに大きな循環領域など多様な流れ場がカプセル近傍には現れることがわかります。このように様々な現象が現れるのも遷音速領域の面白いところと思います。

Y. Takahashi, 2021/12/23

ISAS 遷音速風洞（1軸自由振動試験）

 

遷音速風洞を用いた1軸自由振動試験

JAXA相模原キャンパスにある遷音速風洞を使用し，再突入カプセルの運動（回転してひっくり返ってしまわないかどうか）を評価するため，1軸自由振動試験を行いました．本当は実際に宇宙から落とした方が運動の挙動がわかるので，誰か出資してくれませんか？

　実験模型

　金ぴかでかっこいいですね．この模型が縦に大きく揺れるわけです．

後ろにある細い管は圧力を計測するものになります．大きさは数ミリと小さいけれど，とても高性能です．自分は初めて使用したのですが，配線が細く切れやすく，とても高価で触るのが怖かったです．

実験結果は順調に得ることができたため，今後の解析との比較が楽しみです．現在使用しているソフトウェアに自由運動を再現できるようコーディングしたので，あとは実行するだけです．

 出張中の食事

　出張先なので，基本的には外食になります．今回は長期滞在ということもあり小さい鍋で自炊をしていました．温泉卵にはお世話になりました．ただ食べるだけではもったいないと思い，卵を真円に撮るという遊びを行っていたので，その結果を張っておきます．真円度0です，……たぶん．

H. Takasawa, 2021/12/03

ISAS 遷音速風洞実験

遷音速風洞実験

　2021/10/18-22にJAXA相模原キャンパスにある遷音速風洞を使って実験を行いました．今回は柔軟エアロシェル模型を用いた流体構造連成解析（Fluid-Structure Interaction Analysis）に関する実験を行ってきました．今回の結果を用いて連成解析モデルの確立を行うことが目的です．

柔軟エアロシェル模型

　実験に先駆けて10/4-8に模型の作成をしました．材料は高強度・難燃性を有するZYLON繊維を織り込んだ布です．工業用ミシンを用いて模型を作り上げていきます．結構手のかかる作業が多いので，愛着がわいてきて自分の子供のようにかわいく思えてきます．これからマッハ0.3以上の気流に投下すると考えると心が痛みます．

さて，この子たちの行方は．．．

試験結果

　今回の実験では，柔軟構造体特有の挙動として模型全体の首振り運動に着目していきます．こちらが模型を後方から高速カメラで撮影した実験中の動画です．左方から流入してくる流体から力を受け変形・振動している様子が見て取れます．今後はこの変形挙動に着目して流体構造連成解析モデルの確立を行う予定です．模型の変形の周波数と変形による空力係数への影響なども見ていきます．

　

いざ試練へ

　上の動画はマッハ0.3の時の様子なのですが，マッハ数をあげた耐久テストのようなことも行いました．マッハ0.6程度の気流中にさらすと模型が破損してしまいました．次男は圧力計測管に串刺しになってしまい，三男や五男も深く傷ついてしまいました．このような悲惨な事件や事故の起こらない平和な世の中になることが私の願いです．

J. Tobari, 2021/10/29

ISAS アーク風洞実験

アーク風洞実験

    2021/9/13-17と2021/10/4-8にJAXA相模原キャンパスにある1MWアーク風洞を使って実験をしました．当研究室では年に1回，こちらで風洞試験をしています．今回の実験は通信ブラックアウトの低減化に関するものです．アーク風洞中ではプラズマによって通信が途絶えてしまうのですが，通信機近くで冷却気体を噴射することでプラズマ中に電磁波の通り道を作れればブラックアウトは回避できると考えられます．今回の実験はこの低減化手法を実証することが目的です．

アーク風洞内での冷却気体吹き出し

    アーク風洞の中でガスを吹き出すという実験は近年例がなく，当研究室でも経験のない実験でした．ですので実際にやってみるまでうまくいくか不安でした．実験装置自体はそれほど複雑ではないのですが，年に1回しかできない実験なのでプレッシャーもあったのだと思います．「アーク風洞を壊さなければ実験成功」と思いながら当日に臨んだのを覚えています．

    さて実験の結果ですが，冷却気体吹き出しがうまくいき，通信状況の改善も見られ，満足のいく成果が得られました．アーク風洞も壊さなかったので成功です．

    下の写真はアーク気流に模型を投入したときの様子です．1枚目は吹き出しなし，2枚目は吹き出しありです．写真中央から少し左の位置に小さな穴があり，ここから冷却気体が出てきます．2枚目の写真ではこの穴の周りにぼんやりと光る領域が確認できます．衝撃波によって高温になる部分が光って見えるので，この写真から冷却気体の吹き出しがうまく出来ていることが分かります．

    今回の実験を終えての感想ですが，まずはホッとしています．今年の3月頃からの準備が今回得られた面白い結果につながったので嬉しかったです．プロジェクトの立案から実験の実施まで色々な方にサポートしていただいた結果だと思います．貴重な体験を通して，多くのことを学べました．今回の経験を今後の研究に活かしたいと思います．

その他

滞在先で食べた「インドカレー」です．美味しかったです．年々ナンが巨大化しているような気がします．

T. Miyashita, 2021/10/11

機械学会年次大会2021参加

年次大会
機械学会年次大会(September 5-8, 2021)に参加しました。最近は２年に１回の頻度くらいで参加してると思います。内容はだいたいいつもCFDなどに関することですが、今回は超小型衛星が取得した欠損が多くまばらなGPS測位データからどのように連続的分布をもつ軌道データを再構築するかをテーマとして話しました。

機械学習手法による軌道再構築

少数の入力データから出力データを生成する問題なのでつまりただの回帰問題なのですが、学習データから何かしら分布を生成すると言うとなぜか機械学習っぽくなります。今回はガウス過程回帰を用いてGPS測位データから軌道データを再構築しました。入力データ密度が少なくともある程度質の良い分布が得られました（下図）し、予測性能の検証も行っています。

 

大気密度の推定へ

この衛星再構築データが得られたところで何が嬉しいのかというと、正直に言うととくに嬉しくはないんですが、大気密度推定の可能性が考えられます。今回の発表タイトルでも触れていますが、ページ数の都合というか、そこまで研究が進まなかったので紹介だけでした。推定の実装方法はいろいろありますが、それはまた形になったらご報告したいと思います。

講演資料

機械学会2021年度年次大会の講演資料「大気密度推定に向けたガウス過程回帰による展開型超小型衛星の軌道構築」はこちらで公開しています。

（2021/10/4追記）

Y. Takahashi, 2021/9/18

観測ロケット実験

観測ロケット実験

観測ロケット実験（2021/07/27）に参加してきました．このロケット実験では，「深宇宙探査用デトネーションエンジンシステムの実証」と「柔軟エアロシェルを用いた再突入カプセルによるデータ回収システムの実証」を目的としていました．

柔軟エアロシェルを用いた再突入カプセルRATS

再突入カプセルRATSは、エアロシェルを用いた新しいカプセルです。軽量かつ大面積により効率よく減速することが出来ます．また，パラシュートがなくそのまま海洋に着水するため，オペレーションが簡素化されています．

さて，実験結果としては，「大成功」でした．当初の目標は主に三段階あり，「RATSの分離」「RATSの着水・浮遊」「RATSの回収」でした．RATSはその全てをクリアし，無事に戻ってきました．

自身は，RATSに関わらせていただいてましたが，打ち上げから回収の知らせが来るまで超えなければいけないステップがいくつもあり，緊張の連続でした．通信状況からある程度無事かどうか把握できるものの，「回収成功！」の連絡は本当にほっとしました．このような貴重な機会に携わることが出来てとても勉強になりました．実際に使用される機体を想定した研究を進めていきたいと思います．

 その他

滞在先で食べた「とんかつ」がとても美味しかったです．

とんかつ竹亭 鹿屋本店

H. Takasawa, 2021/08/03

Coupled2021参加

国際会議
Coupled Problem2021(June 14-16, 2021)に参加しました。本来ならばイタリアのサルディーニャ島南部キアにて行う予定でしたが、コロナ禍によりオンラインとなりました。オンラインは楽でいいですが、学会という感じはしません。

FSI解析
薄型デルタ翼が遷音速領域でどのような自励振動をするか流体構造連成(FSI)解析モデルで調べた結果を発表しました。FSIモデルは流体ソルバーSU2と構造ソルバーCalculiXをカップリングライブラリpreCICEにてつないだものとなります。流体領域と構造領域が明確に分離し、連成境界面で必要な情報をやりとりする分離解法となります。SU2もCalculiXもよくよく検証の進んだソルバーであり、それらを使うことでFSIモデルの検証の手間もかなり省かれるだろう、といったところがこのFSIモデルを選んだ狙いとなります。
　遷音速気流におかれた翼型が自励振動を開始しリミットサイクルに至る過程を再現しました。振動に至る以上、翼の振動運動を不安定化させるとともに最後にはそれを踏みとどまらせて平衡に至るメカニズムがあるはずですが、その詳細の報告は次回以降（予定）となります。

関連
今回の発表の内容はpreCICE websiteでも紹介されています。自分が書いたんですが・・。

その他
関連する内容は2020年度衝撃波シンポジウムで発表しました。第34回計算力学講演会でも発表予定です。

Y. Takahashi, 2021/7/21