柏風洞の紹介

概要

本設備の前身は，旧東京大学航空研究所（現，JAXA宇宙科学研究本部）で1960年初頭から東大駒場IIキャンパスに建設された超音速気流総合実験室および高温気流燃焼実験室です． これらは1989年に東京大学工学部に移管されましたが，流体力学のフロンティアである極超音速流（超高速流れ）および高エンタルピー流（超高温流れ）に関する教育研究を拡充するため， 新領域創成科学研究科のある柏キャンパスへ移設が計画され，2006年，基盤科学実験棟における新たな大型実験設備として完成しました．(沿革と移設の経緯)

本設備の目的

本設備の目的は以下のとおりです．

  • 超高速，超高温流れを実験室で体感した経験を持つ人材の育成
  • 大型設備を使った実験プロジェクトを指揮できる人材を育成
  • 研究分野や所属を問わず，できるだけ多くの人々に超高速，超高温流体環境を教育研究の場として提供

本風洞の性能

柏風洞においては，駒場時代の極超音速風洞と燃焼風洞をマージした１加熱器２運転モード案が採用されました． これは燃焼風洞の加熱器を極超音速風洞用として使うもので，設備の設置＆運用コストを下げると同時に，高速流体と高温流体の融合研究を目指したものとなっています．

本設備の特徴

本設備は，大学に設置され，学生の教育研究を目的とした極超音速熱風洞として世界にも類のないものです． 燃焼風洞モードにおいて気流は大気開放で，ノズル部も含め研究者が自由に実験を行うことができます． 気流は高温，非プラズマ，有酸素と言った特徴を持ち，高速エンジン内の流れのみならず高温材料の研究などの利用が期待されています． 極超音速風洞モードにおいて，測定部気流は高マッハ数にもかかわらずレイノルズ数が比較的低いという特徴を持ちます．

世界の極超音速風洞と本設備

世界の極超音速風洞と本設備

このことは，粘性と圧縮性の影響が拮抗する特殊な流体環境が生成されることを意味します． 本風洞はこのような粘性干渉効果の研究に適しており，高高度を超高速で飛行するさまざまな物体（宇宙飛行体や隕石など）周り流れの研究に新たな可能性を開くものです． 実際，本風洞で実現する粘性干渉パラメータは，大気圏突入飛行体において最もクリティカルな飛行条件をカバーしています．

各種大気圏突入体の軌道と粘性干渉パラメータ

各種大気圏突入体の軌道と粘性干渉パラメータ

今後の展開

本設備は2006年3月に設置工事が完了しており，同7月には通風テストを行いました． 現在は所属・分野を問わず，できるだけ広い範囲の研究者に極超音速・高温気流の実験設備として提供すべく，毎年度実験募集を行っています． 詳しくは利用案内ページをご覧ください．

沿革と移設の経緯

1960年初頭〜
（本設備の前身）旧東京大学航空研究所（現，JAXA宇宙科学研究本部）により1960年初頭より東京大学駒場IIキャンパスに超音速気流総合実験室および高温気流燃焼実験室が建設される．
東京大学航空研究所

航空研究所

超音速気流総合実験室全景

超音速気流総合実験室

極超音速風洞（マッハ数7,8,9，測定部200mmφ）を有し，機体の空力特性や加熱に関する研究を行っていた．
高温気流燃焼実験室全景

高温気流燃焼実験室

燃焼風洞と呼ばれ，超高速飛行用ジェットエンジン（スクラムジェット）の燃焼器内などを想定した高温の気流に関する実験を行っていた．
1989年
〜2003年
宇宙科学研究所（当時）から東京大学工学部に移管．
航空宇宙工学の学部，大学院生の教育研究設備として利用．
2000年〜
柏キャンパスへの移設を検討開始．
極超音速風洞（最高温度600℃，最大圧力5MPa，電熱加熱方式）と，燃焼風洞（最高温度1500℃，最大圧力0.7MPa，ペブル加熱方式）を融合した１加熱器２運転モード案を採用．
2005年4月
柏キャンパスへの風洞設置工事を開始．
2006年3月
設置工事完了．
2006年7月〜
通風運転試験を開始．

柏風洞の特徴

特徴

  • 大学に設置され，学生の教育研究を目的とした極超音速熱風洞として，世界にも類のないものです．
  • １つの加熱釜で２つの風洞機能を持ちます．
  • 極超音速風洞は，高マッハ数にもかかわらずレイノルズ数が比較的低いという特徴があります． このことは，粘性と圧縮性の影響が拮抗する粘性干渉効果の研究に適していることを意味します． 高高度を超高速で飛行するさまざまな物体（宇宙飛行体や隕石など）まわりの流れの研究に新たな可能性を開くものです．
  • 燃焼風洞モードにおいて，気流は大気開放であり，ノズル部も含め研究者が自由に実験を行うことができます．
  • 壁面は防音対策がなされ周囲に騒音を出しません．

スペック一覧

項目極超音速風洞燃焼風洞
設計マッハ数7, (8)1.8 †
ノズル出口φ200mm40mm×26mm †
淀み点圧力 P0最大0.95MPa最大 0.7MPa
淀み点温度 T0400～800℃最大1500℃
流量最大 0.34kg/s最大 1kg/s
通風時間60 sec100 sec
貯気槽設計圧 5MPa(G), 容積 4m3 (×1)
蓄熱体 / 加熱方式アルミナペブル / 都市ガスバーナー
排気 真空槽（φ7m 球形タンク）大気開放（排気消音塔を経由）

†2014年5月現在設置されているノズルの諸元（燃焼風洞はノズルも含めてユーザーに任されている）

極超音速風洞における各種パラメータ

模型射出投入/常時投入
最大レイノルズ数ReD
(ノズル出口径を基準)		3.4～7.1×105
単位レイノルズ数(1/cm)1.7～3.5×104 （M7ノズル）
粘性干渉パラメータ M/√ReD0.01

大気圏突入と柏風洞

大気圏突入と柏風洞の気流条件

下図は飛行経路と粘性干渉パラメータM/√Reの関係を示しています． 粘性干渉パラメータは，極超音速流における粘性干渉効果を評価する上で重要であり，経験的には0.01のオーダーになるとその影響は無視できなくなり， 揚坑比などの空力性能が低下することが知られています． 本風洞気流の粘性干渉パラメータは粘性干渉効果が顕著になり始める範囲にあります． このような飛行条件は，小型極超音速機あるいは高高度飛行極超音速機や低弾道係数再突入機の場合に相当するため，本風洞において， 上記のような飛行体に関する新たな研究成果が得られるものと期待されています．

世界の極超音速風洞と本設備

世界の極超音速風洞と本設備

マッハ数と極超音速

流れの速さと音の速さの比がマッハ数です． マッハ数５以上の流れを極超音速（ごくちょうおんそく） と言います． つまり，極超音速流れとは非常に速い流れを意味します．
一般に，物体まわりの流れの様子や発生する空気力の特性は，マッハ数によって変化します． ところが，マッハ数がある程度以上大きくなるとその特性はマッハ数に依存しなくなります．
そのため，最大マッハ数が９の本設備でも，大気圏突入のような超超高速飛行（マッハ数は３０にも達します）の様子がわかるのです．

マッハ数独立の原理

マッハ数独立の原理

世界の極超音速風洞との比較

下図は最大レイノルズ数（ノズル出口基準）で整理した場合の，世界の代表的な極超音速風洞中における本風洞の位置付けです． 本風洞はノズル出口径が200mmで，最大レイノルズ数 は，1.8～4.7×105となります． この図から，東大柏風洞は最大レイノルズ数が，他の風洞に比べて1桁以上低いものとなっていることがわかります． つまり，本設備は既設風洞がカバーしていない気流条件での能力を持つことがわかります． このような飛行条件は，小型極超音速機あるいは高高度飛行極超音速機や低弾道係数再突入機の場合に相当するため， 本風洞において，このような飛行体に関する新たな研究成果が得られるものと期待されます．

世界の極超音速風洞と本設備

世界の極超音速風洞と本設備

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