第10回 宇宙科学奨励賞 宇宙工学分野 受賞記念講演
東海大学 校友会館

平成30年3月8日実施

を安定にとらえる
それを用いたの提案との空力特性の解明

北村圭一
横浜国立大学大学院 工学研究院 准教授
協力（敬称略）： 嶋英志，野中聡(JAXA)，葛生和人（東海大），藤本圭一郎(JAXA),青野淳也（計算力学研究センター），Philip L. Roe, Farzad Ismail（ミシガン大），青柿拓也，河内和観，原田敏明（横国大），中村佳朗（中部大；名大）北村，横浜国立大学

略歴2

1995-1998 明治大学附属明治高等学校
1998-2002 東京工業大学
2002-2008 名古屋大学
2006-2007 米国ミシガン大学（留学）

流体計算における衝撃波の安定性

・博士論文： 極超音速衝撃波干渉流れの数値解析
指導教員： 中村佳朗 教授

2008-2011 JAXA （プロジェクト研究員）

衝撃波を安定にとらえる流体計算法 SLAU, SLAU2
イプシロンロケットの空力解析(シミュレーション & 実験)

受入研究者： 嶋英志 センター長

2011-2012 NASA （研究員）
2012-2014 名古屋大学
2014-（助教）横浜国立大学 （准教授）イプシロンロケットの流体シミュレーション（JAXA）
マッハ1.5で飛行している時の・ロケットにかかる力・周囲の空気の流れ を解明

衝撃波（しょうげきは）••

想定外の力がかからない事を証明
無事に宇宙へ飛び立った（初号機：2013年9月）

3イプシロンロケットの流体シミュレーション（JAXA）
マッハ1.5で飛行している時の・ロケットにかかる力・周囲の空気の流れ を解明

衝撃波（しょうげきは）
例：回転方向にかかるロール・モーメント（実験では実質測れない）••

想定外の力がかからない事を証明
無事に宇宙へ飛び立った（初号機：2013年9月）

4衝撃波の流体シミュレーション“カーバンクル現象”“数値振動”

マッハ6「正しい」解マッハ6「おかしな解」に至ってしまう事がある．
→世界で初めて体系的に整理 Kitamura, K., Roe, P., and Ismail, F. AIAA Journal (2009)5

衝撃波を安定にとらえる
流体シミュレーション手法を提案

マッハ8.1

滑らかな解

滑らかな解

衝撃波でノイズ宇宙機の先端を模擬

正しい値
滑らか

SLAU2（提案手法）

誤差
滑らかHanel（従来法）

ノイズ

正しい値

Roe（従来法）

衝撃波不安定が起こらないよう数値粘性を調整→宇宙機への熱的負荷も力も「正しく」かつ「滑らか」にシミュレーションできた！

Kitamura, K., and Shima, E, Journal of Computational Physics, (2013)

6背景： イプシロンロケット

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後継機
・ 技術を継承・ システム簡素化
M-V
代表的な実績
・ 「はやぶさ」(2003)
・ 「ひので」打ち上げ後，引退(2006)

・ 商用衛星：大型（２トン級）⇒H2A
・ 科学衛星：小型化（500kg級）し，高効率化へ（＝小型科学衛星計画）
画像：JAXAホームページより

イプシロンロケット・ 低コストな小型衛星打ち上げシステム
・ 第１段：SRB-A・ 打ち上げ能力： 2/3
・ コスト： 1/3コスト・パフォーマンス：２倍
参考：森田泰弘他，第52回宇宙科学技術連合会，1J01, 2008.

JAXA格子生成ツール“LS-GRID”で作製した計算格子

約1日で作製（マルチブロック構造格子では約2週間かかる）．
セル：密度，圧力など物理量を持つ（cf. 写真のピクセル：色情報を持つ）

約2,300万点，
半裁の場合

風試模型
1段・2段継手フランジ

SMSJ

ノズル

圧力分布と計算格子

JAXA流体計算コード”LS-FLOW”にSLAU2を実装

計算結果の例

Kitamura, K., Nonaka, S., Kuzuu, K., Aono, J.,
Fujimoto, K., and Shima, E., “Numerical andExperimental Investigations of Epsilon Launch
Vehicle Aerodynamics at Mach 1.5,” Journal ofSpacecraft and Rockets, (2013)

ー流れ場可視化結果ー
流体シミュレーション結果

密度勾配絶対値

マッハ1.5

衝撃波の発生位置はほぼ一致．
風洞試験結果（シュリーレン写真）

北村他，航空宇宙技術, Vol. 9, pp.9-14, 2010.

ー表面流線可視化結果ー
・全体的な流れ場は類似．
・突起部分周りの流れ場も，類似．
流体シミュレーション結果

表面流線

風洞試験結果（オイルフロー）

突起

突起

突起

ー表面流線可視化結果ー（下流の突起付近）
流体シミュレーション結果

表面流線

風洞試験結果（オイルフロー）突起流体シミュレーション結果の解析の例
流体シミュレーション結果

三次元流れ場の詳細を捕捉・解明
赤い箇所は高い圧力がかかっている

マッハ1.5線A1

渦V1

風洞試験結果（オイルフロー）突起を乗り越えた流れが渦V1を形成した後，再びロケット表面に付着（線A1 ） ．

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共著者の皆様に感謝申し上げます～関連する論文リスト～
1. Kitamura, K., Roe, P., and Ismail, F. “Evaluation of Euler fluxes for
hypersonic flow computations,” AIAA Journal, Vol. 47, No. 1, pp.
44-53. doi:10.2514/1.33735 (2009)（被引用71件）
2. Kitamura, K., and Shima, E., “Towards shock-stable and accurate
hypersonic heating computations: A new pressure flux for AUSMfamily schemes,” Journal of Computational Physics, Vol. 245, pp.
62-83. doi:10.1016/j.jcp.2013.02.046 (2013) （被引用54件）
3. Kitamura, K., Nonaka, S., Kuzuu, K., Aono, J., Fujimoto, K., andShima, E., “Numerical and Experimental Investigations of Epsilon
Launch Vehicle Aerodynamics at Mach 1.5,” Journal of Spacecraftand Rockets, Vol.50, No.4, pp.896-916. doi:10.2514/1.A32284(2013)
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まとめ

衝撃波の流体計算において，おかしな解が現れる状況を体系的に整理し，明らかにした．



衝撃波を安定にとらえる流体シミュレーション方法（計算法）
SLAU2を提案した（JAXAコードFaSTAR, LS-FLOW, HINOCAに標準実装され，研究・教育・産業に広く利用されている）．



これをJAXAコードLS-FLOWに実装．
イプシロンロケットの飛行時の流体計算に適用し，その空気力学的特性（実験で測れない力を含む）を明らかにした．
→無事，2013年9月にイプシロンロケット初号機が飛び立った．
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最後に このような素晴らしい賞をいただき，誠にありがとうございます．
 今後もJAXAとの良好な関係を大切にしながら，研究・教育に精進して参りたいと思います．
 今後ともどうぞ宜しくお願い致します．

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いただいたご質問（例）

なぜSLAU2が良いのか？ 何を工夫して作ったのか？



宇宙機にかかる熱は何度？／今ならCFDで予測できる？

衝撃波の問題は，メッシュを細かくしてスパコンを使えば解決できる？

→ 衝撃波の「内部」は，数学的に記述ができません．この領域に対しては「数値散逸」を適切に調整する事で，不安定を起こりにくくしました．

→ 1000Kオーダになります．／予測精度は高くなりましたが現在でも難しさはあり，十分な検証が必要です．

→ 計算要素（セル）のサイズに応じて現れるため，セルを小さくしても根本解決はできません．
再使用ロケットの帰還の難しさは？ （スペースXができるのだから，もうできてしまうのでは？）→ 大小様々な渦が発生します．渦が発生すると圧力が下がり，そこにロケットは引き寄せられるため，渦の発生位置を正確に知る必要があります．
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