ソニックブーム低減用超音速複葉翼の流れ特性と空力特性

研究申込者

大林　茂　( 東北大学 )

研究要旨

　超音速で飛行する飛行機の周りに常に発生する衝撃波が地上に伝播した場合，波面前後の急激な圧力上昇によってソニックブームと呼ばれる強い爆音が発生する．この騒音問題は，2003年に運航終了となったコンコルドが陸上における超音速飛行が禁止されていた主原因である．そこで，超音速飛行中のソニックブームを低減させ，かつ大型化にも適用可能な機体設計を実現するために，Busemann型複葉翼を応用した超音速複葉機が提案された．理論的考察とCFD（Computational Fluid Dynamics）を駆使し，2次元および3次元形状，胴体形状，さらには逆問題設計などの研究が進められてきた．従来の理論的考察やCFD検討結果を実験的に実証し，将来的に超音速複葉機の概念設計に資する基礎的な流れ特性および空力特性を捉えることが大きな目標である．
　本研究では，宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部の高速気流総合試験設備を用いて，設計マッハ数M_∞=1.7および非設計マッハ数M_∞=1.5, 1.6で，アスペクト比AR=0.75, 2.50と異なる2つの複葉翼模型（図１）を用いた超音速風洞実験を実施した．シュリーレン可視化手法（図２）と感圧塗料（PSP，Pressure Sensitive Paint）を用いて，超音速複葉翼間および周りの衝撃波の振る舞いと流れ特性および翼表面上圧力分布を調べた（図３－４）．
　非設計点で翼先端に発生する垂直衝撃波は不始動状態を招き，著しい空力性能の低下を引き起こすことから，複葉翼間の翼幅方向における衝撃波の干渉領域を調べ，考察した．その結果，低いアスペクト比翼の場合，翼端からのマッハ波との干渉と翼端外部流との圧力差の影響で，非設計マッハ数条件においても先端斜め衝撃波を吸込んで，始動していることがわかった．不始動状態を回避するためには，主流マッハ数，翼表面上境界層，翼端マッハ波，模型寸法誤差，塗料の厚みなどの微小な変化が始動特性に与える影響感度を考慮しなければならないことがわかった。

図１測定部に取り付けたアスペクト比の

　　　異なる複葉翼模型　　　　　　　　　　.

図２複葉翼周りに発生する衝撃波と衝撃波干渉による

　　衝撃波相殺を捉えたシュリーレン画像　　　　　　　.

　　（M∞=1.7，左Model-01+，右Model-02）　　　　　　 .

　図３ PSP計測による複葉翼模型下翼側表面圧力分布の

　　　比較　（M∞=1.50-1.70， Model-01+）　　　　　　　　　.

図４ PSP計測による複葉翼模型下翼側表面圧力

　　　分布の比較（M∞=1.50-1.70， Model-02）　　.

Key words

複葉翼, 衝撃波干渉, ソニックブーム低減

2007年度の研究成果

倉谷尚志（東北大），　永井大樹（東北大），　浅井圭介（東北大），　小川俊広（東北大），　大林茂（東北大），　 ”超音速複葉翼間における衝撃波干渉と相殺現象の可視化”，　平成19年度宇宙航行の力学シンポジウム，　相模原，　 2007．

倉谷尚志（東北大），　米澤誠仁（東北大），　山下博（東北大），　小川俊広（東北大），　大林茂（東北大），　 ”超音速複葉翼間の衝撃波干渉に及ぼすアスペクト比の影響”，　日本航空宇宙学会北部支部2008年講演会ならびに第9回再使用型宇宙推進系シンポジウム，　札幌，　 2008．

N, Kuratani, M, Yonezawa, H, Yamashita, S, Ozaki, T, Ogawa, S, Obayashi, "Wing Configuration Effects on Flow Field and Aerodynamic Performance of Supersonic Biplane for Sonic-boom Reduction", International Council of the Aeronautical Sciences, ICAS2008, Anchorage, USA, 2008．

N, Kuratani, H, Nagai, K, Asai, T, Ogawa, S, Obayashi, "Visualization of Interacting Flow Field between Busemann's Biplane in Supersonic Flow", 13th International Symposium on Flow Visualization, 13th ISFV, Nice, France， 2008．

利用期間

平成19年10月22日～11月2日