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3B03 火星探査航空機次期大気球試験機の動的空力特性

机译:3B03火星探测飞机的下一个气球测试仪的动态空气动力学特性

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摘要

地球外生命存在の可能性や地質学的多様性から,火星探査は活発に行われてきた1).従来の火星探査では探査衛星2),着陸機3),自走機4)が主な探査手段だったが,探査範囲と観測精度の両立に限界がある.そのため,近年は飛行による探査手段が注目されており, NASAのMars2020では回転翼による探査機5)が火星に送られる.国内では,Institute of Space and Astronautical Science/JapanAerospace eXploration Agency(ISAS/JAXA)と大学などの研究者からなる火星探査航空機リサーチグループにより航空機型の研究が行われており,2020年代の火星航空探査を目指している.火星に近い大気環境下での飛行データ取得を目的としたMars Airplane Balloon Experiment One (MABE-1)が設計され6),2016年にはJAXAの大気球を利用した第一回高高度飛行試験が実施されたが,飛行後半で制御が困難となったことに伴い,空力データ取得は計画の一部に留まった7).原因として,想定以上の動圧となったことによる機体変形が考えられている8).これを踏まえ,空力安定性の改善を目標とした次期大気球試験機(MABE-2)が設計された9).数値流体力学(Computational Fluid Dynamics: CFD)により静的な空力特性について調査が行われ,MABE-1に比べて静安定性や舵効きが改善されたことが示されている9)10).一方で,火星探査航空機の動的空力特性についての調査は十分とは言えない11).動的空力特性を評価することは運動モード解析や制御系設計には必要不可欠であるが,低レイノルズ数下で機体が回転,振動している状態での動的な風洞試験が難しい点などが挙げられる.橋本らはStandard Dynamics Model(SDM)を対象に,CFDを用いた動微係数の評価手法を提案し,動的風洞試験との比較を行うことでその手法の妥当性を示した12).そこで,本論文では橋本らの手法に倣って,CFDを用いてMABE-2の動微係数の取得を試み,縦,横,片揺れ運動時に空気力が機体に及ぼす影響と,航空機の縦の飛行性に強い影響を与える短周期モードの調査を行った.
机译:由于存在地球外生命和地质多样性的可能性,火星的勘探工作已经积极开展。1)。在常规的火星探测中,探测卫星2),着陆器3)和自走式飞机4)是主要的探测手段,但探测范围和观测精度均受到限制。因此,近年来,飞行探索手段已经引起了人们的关注,美国宇航局的“火星2020”将向旋翼发射旋翼飞行器5)。在日本,火星探索飞机研究小组正在进行飞机类型的研究,该小组由太空与宇航科学研究所/日本航空航天开发局(ISAS / JAXA)和大学等研究人员组成,旨在研究火星飞机。 2020年代的勘探。火星飞机气球实验机(MABE-1)旨在在接近火星6的大气环境中获取飞行数据,并于2016年进行了首次使用JAXA气球的高空飞行测试。在实施过程中,由于在飞行的后半段难以控制,因此获取空气动力学数据仍然是计划的一部分7)。人们认为原因是由于动压比预期的要大8)导致机身变形。在此基础上,设计了下一个气囊测试仪(MABE-2),旨在提高空气动力学稳定性9)。计算流体动力学(CFD)已用于研究静态空气动力学特性,并且已证明与MABE-1 9)10)相比,静态稳定性和操纵效率得到了改善。另一方面,对火星探测飞机的动态空气动力特性的研究还不够11)。评估动态空气动力特性对于运动模式分析和控制系统设计是必不可少的,但是在低雷诺数下机身旋转和振动时很难进行动态风洞测试。 Hashimoto等人针对标准动力学模型(SDM)提出了一种使用CFD评估动态系数的方法,并通过与动态风洞测试进行比较证明了该方法的有效性12)。因此,在本文中,我们按照Hashimoto等人的方法,尝试使用CFD来获得MABE-2的动态系数,以及在垂直,水平和单向摇摆运动中空气动力对机身的影响,我们研究了短周期模式,该模式对飞行性能有很大影响。

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