2005年 東大工学部定例記者会見資料 - 安部・船木研究室 安部・船木

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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
東京大学大学院
新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
膜面構造を持つ新しい宇宙カプセルの高速飛行実証
鈴木宏二郎
東京大学工学部航空宇宙工学科
東京大学大学院工学系研究科・工学部第12回記者会見
2005年1月17日、工学部列品館
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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
東京大学大学院
新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
発表の内容
・背景
・飛行実験プロジェクト
・機体の説明
・飛行実験
・飛行実験の成果
・今後の展望
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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
背景
東京大学大学院
新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
安全で低コストな宇宙輸送機を作るには何が必要か?
→大気圏再突入時の加熱(空力加熱)がネック。
熱に耐える機体
2003年2月1日
米国スペースシャトル
コロンビア号の事故
から
熱を避ける機体
へ
軽量で大面積な機体を
使ってフワリと飛行
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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
背景
東京大学大学院
新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
“やわらかい”ロケットの提案
大気圏再突入
軌道上での作業
(人工衛星の放出等)
膜面構造の“傘”
を広げる
軽い機体で
フワリと落下
垂直に離陸
最高温度は600℃程度
→耐熱布材料でOK
垂直に
着陸
最高温度は1000℃程度
→金属材料でOK!
膜だけ取り替え、再び宇宙へ出発
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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
飛行実験プロジェクト
東京大学大学院
新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
2000年 やわらかい宇宙輸送機構想
基礎研究の開始
〜膜面を高速気流中に置くと何が起こるか?
2001年 応用研究を開始
〜宇宙カプセルを想定した風洞実験や
コンピュータシミュレーション
2002年11月 飛行実証計画の立案へ
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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
東京大学大学院
新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
飛行実験プロジェクト
大気球を用いた落下飛行実験
大気圏再突入
膜面展開
希薄気体中の飛行
極超音速飛行
空気力を受け
減速を行う領域
超音速飛行
遷音速飛行
気球から実サイズの模型を落下さ
せることで実験可能か?
JAXA 宇宙科学研究本部
三陸大気球観測所
亜音速~低速飛行
着陸
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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
飛行実験プロジェクト
東京大学大学院
新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
大気球による飛行試験プロジェクト
(MACFT: Membrane Aeroshell Capsule Flight Test プロジェクト)
・実機サイズの展開型柔構造機体の開発・展開検証
・柔構造機体の実飛行環境下における安定飛行の実証
・遷音速〜中低速域での柔構造機体の形状安定性と
飛行特性の把握
新しい宇宙飛行体開発に
向けての第一歩
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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
飛行実験プロジェクト
東京大学大学院
新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
プロジェクトのメンバー構成
<特徴>
・学生をリーダーとした学生組織によるプロジェクト
・東京大学、JAXA宇宙研、九州大学の3学生グループ連合
東京大学 鈴木研究室:
・カプセル、膜面の開発
・魚眼レンズによる画像取得 など
JAXA宇宙研 安部研究室
・各種搭載センサー など
九州大学 桜井研究室
・飛行データ(位置姿勢加速度)系 など
・JAXA宇宙研/気球グループの全面的な支援
気球(ゴンドラ)との接続、搭載機器(テレメータ等)など
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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
飛行実験プロジェクト
2002年12月→
2003年8月
東京大学大学院
新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
2004年8月
第1次気球飛行実験
試験概要
風洞等各種試験
展開柔構造の開発
展開機構の
改良など
次なる
ステップへ
第2次気球飛行実験
(MACFT2)
実スケール・実
飛行環境下で
の性能実証
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東京大学
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航空宇宙工学科
飛行実験プロジェクト
東京大学大学院
新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
MACFT2 プロジェクトスケジュール
•
•
•
試験・機体概要の決定(2004年5月)
設計・製作・組み上げ
予備試験
–
–
–
–
–
–
–
•
•
風洞試験
強度試験
環境試験
較正試験
通信試験
機体特性試験
切り離し試験
地上展開実証試験(8月中旬)
フライト試験(8月28日)
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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
膜面エアロシェル
最大径145cm, 開き角45度,
重量0.6kg
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先端エネルギー工学専攻
機体の概要
フレーム
直径25mmの中空アルミパイプ
1辺40cmの正12角形状
重量2.6kg
カーペンターテープヒンジ
を応用した展開機構
耐圧縮荷重120kg以上
ZYLON®織物(東洋紡)
高強度、高耐熱性の新素材
カプセル
直径60cm
重量102kg
(うち計測機器4.6kg)
(計測機器、通信機器、
電源など)
総重量:106kg
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機体の概要
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先端エネルギー工学専攻
カプセル背面
• 材質: 鉄
• 重量: 102kg
GPSアンテナ
(機器含む)
アンテナ(データ)
CCD(魚眼レンズ)
カプセル背面にある
膜面の挙動を
360度で監視
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機体の概要
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先端エネルギー工学専攻
搭載機器
通信機器類
GPS伝送回路
送信機(ビデオ)
送信機(データ)
3軸加速度計
3軸角速度計
3軸地磁気計
絶対圧計(淀み点)
絶対圧計(背圧)
差圧計
ミキサー
PCMエンコーダ
テレメータ4波
リレー回路
バッテリー
計測機器類
電源類
温度センサ(外気)
温度センサ(機器)
膜センサ1
膜センサ2
CCD(魚眼レンズ)
計16ch
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先端エネルギー工学専攻
飛行実験
膜展開試験
地上で膜を展開し、正常に展開したことを確認したら
それをそのまま飛行試験へ。
・膜の展開
:
地上で実証
・展開した膜が高速飛行に耐えるか :飛行実験で実証
試験内容を分離しリスクを低減
0.5m
1.5m
MACFT 2003
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飛行実験(展開試験)
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航空宇宙工学科
JAXA/宇宙研
三陸大気球観測所
飛行実験
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先端エネルギー工学専攻
放球2004年8月28日6時31分(B100-10号機)
機体分離
ゴンドラ
分離
バラスト
投下
機体分離
排気弁開
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飛行実験
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先端エネルギー工学専攻
10:40 高度39km 三陸沖180km
ゴンドラからの分離、飛行実験開始
太陽
気球
膜面
• ゴンドラ搭載CCD
• カプセル搭載CCD
カプセル側CCD
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先端エネルギー工学専攻
飛行実験
0sec
:高度39kmで機体を分離
42sec
:最大マッハ数0.94
62sec
:最大減速度-0.37G
70sec
:最大動圧0.85sec
462sec :終端速度32m/sで着水
Balloon
Flight Trajectory
Separation
40
20
Capsule
Flight Trajectory
Launch (SBC)
N
or
th
0
-50
- S -100
ou
th -150
(k
m
)
Altitude (km)
30
10
0
-50
0
50
100
150
200
250
)
W est - E ast (km
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飛行実験の成果
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先端エネルギー工学専攻
魚眼レンズで見た
ビデオ画像
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先端エネルギー工学専攻
飛行実験の成果例
魚眼レンズを通して移った太陽の位置から機体の姿勢とロール運動を推定
1.太陽が映る角度
→機体の向き
(←地磁気計)
2.太陽の回る速さ
→ロール運動
(←角速度計)
魚眼レンズ視野内での太陽の軌跡
1
Time (sec)
450
405
360
315
270
225
180
135
90
45
0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
魚眼レンズ
-1
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
太陽高度 55~65度
姿勢角度 0~ 5度
0
0.2
0.4
0.66~10sec
0.8
1
回転周期
ゆっくりと回転しながら安定に飛行
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先端エネルギー工学専攻
飛行実験の成果例
マッハ数履歴
動圧履歴
1
1
Flight
Simulation
Flight
Simulation
0.9
0.8
0.8
Pressure (kPa)
Mach Number
0.7
0.6
0.5
0.4
0.6
0.4
0.3
0.2
0.2
0.1
0
0
50
100
150
200
250
300
Time (sec)
350
400
450
500
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Time (sec)
最大マッハ数0.94,最高動圧0.84kPa, 予測通りの飛行性能を発揮
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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
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先端エネルギー工学専攻
飛行実験の成果
1.5
抵抗係数とマッハ数の関係を導出
mgGz
qS
実験前にスケールモデルを用いて
行った低速風洞&遷音速風洞試験
と比較
1.3
Drag coefficient
CD 
Transonic WT
Low Speed WT
Flight Data
1.4
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Mach Number
柔構造機体において、風洞試験が実際の飛行性能を
よく模擬していることを示した意義は大きい。
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東京大学
工学部
航空宇宙工学科
本飛行実験の成果
東京大学大学院
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先端エネルギー工学専攻
膜面構造は
コンパクトに収納でき、かつ展開して大面積が得られる。
軽量大面積により大気圏突入の空力加熱が大幅減少し、安全性が向上。
飛行環境に応じて変形することで飛行安定性が向上。
などのメリットが期待される。
本飛行実験は、
宇宙カプセルに応用可能な膜構造を開発製作し、それが機能すること
遷音速~低速領域での柔構造エアロシェルの安定飛行
柔構造エアロシェルが予測通りの減速性能を発揮すること
を実証した点で意義が大きい。
本飛行実験は、将来の宇宙輸送機や惑星
探査機において新しい大気圏突入技術を
もたらすものであり、膜面構造の実用化
に向けた第一歩となったと言える。
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東京大学
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東京大学大学院
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先端エネルギー工学専攻
謝辞
本実験の実施にあたり、
ZYLON®繊維を提供して頂いた東洋紡(株)、
多大なるサポートを頂いた山上教授,斉藤助教授を
はじめとするJAXA宇宙科学研究本部気球グループの方々、
およびご協力頂いた関係各位
に心から感謝の意を表します.
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