拡張トンネル

航空学において、膨張トンネルと衝撃トンネルは、高速・高温試験に特に重点を置いた空力試験施設である。衝撃トンネルは定常流ノズル膨張を利用するのに対し、膨張トンネルは高エンタルピー（熱エネルギー）による非定常膨張を利用する。どちらの場合も、ガスは圧縮・加熱され、放出されて膨張室を急速に下方に膨張する。トンネルはマッハ3からマッハ30の速度に達し、極超音速飛行から再突入飛行までをシミュレートする試験条件を作り出す。これらのトンネルは、軍や政府機関によって、極超音速飛行中に発生する様々な自然現象を経験する極超音速機の試験に使用されている。[ 1 ]

拡大プロセス

拡張トンネル

膨張トンネルは、二重ダイヤフラムシステムを採用しており、ダイヤフラムは破裂板、つまり圧力逃がし板として機能します。トンネルは駆動部、被駆動部、加速部の3つのセクションに分かれています。駆動部は高圧ヘリウムガスで満たされています。被駆動部には、二酸化炭素、ヘリウム、窒素、酸素などの低圧の試験ガスが充填されています。加速部には、さらに低圧の試験ガスが充填されています。各セクションはダイヤフラムで区切られており、ダイヤフラムは順番に破裂するように設計されており、最初のダイヤフラムが破裂して駆動ガスと被駆動ガスが混合され、膨張します。衝撃波が2番目のダイヤフラムに当たると、ダイヤフラムが破裂し、2つのガスが加速ガスと混合され、密閉された試験セクションを下方に膨張します。動作時間は約250マイクロ秒です。[ 2 ]

衝撃トンネル

反射衝撃波トンネルは、衝撃波を中心部に反射させることで、停滞したガスを加熱・加圧します。これによりガスは励起され、運動、熱、圧力が発生します。その後、ガスはノズルから放出・膨張し、試験室に送り込まれます。動作時間は約20ミリ秒です。[ 3 ]

テスト

拡張プロセス中、テスト車両の空力特性と熱特性を分析するためにさまざまなテストが実行されます。

皮膚摩擦
物体が液体や気体などの流体中を移動するときに生じる抗力
フローケミストリー
連続流中に起こる反応の分析
耐久性
劣化に耐える能力
乱気流
体液の不規則な動き
熱伝達
あるシステムから別のシステムへの熱エネルギーの移動
エアロエラスティック
空気の動きによって生じる力と、物体の周りで空気が曲がる様子
熱保護
熱伝達に耐え、温度を下げる能力
振動
分子の振動、あるいは揺れ

検査機器

薄膜熱伝達ゲージ
ゲージが加熱されると抵抗が変化し、電圧の変化を引き起こし、物体に伝達された熱量を計算するために使用されます。
圧電圧力トランスデューサー
圧力を受けると、結晶は加えられた圧力に比例して電荷を帯びる。
レーザーダイオード分光器
物体の周りの乱流ガスを通過するレーザーによって生成される屈折光の特性を測定します。
力とモーメントのバランス
模型にかかる状態を完全に記述するために、3つまたは6つの成分、つまり3つの力（揚力、抗力、横方向）と3つのモーメント（ピッチング、ロール、ヨーイング）を測定するために使用されます。模型にかかる力は、天秤に設置されたひずみゲージによって検出されます。各ゲージは、ゲージ内の電気素子または箔の伸張によって力を測定します。伸張によってゲージの抵抗が変化し、オームの法則に従ってゲージを流れる測定電流が変化します。この抵抗の変化は通常、ホイートストンブリッジを用いて測定され、ゲージ係数と呼ばれる量によってひずみと関連しています。

設備

超高速膨張管（HET）

HETは、カリフォルニア工科大学（カリフォルニア大学ハイポソニクスグループ）の衝撃波トンネルの一つで、ジョアンナ・オースティン教授が指揮を執っています。HETは衝撃波管と同様に動作し、一次ダイヤフラムによって発生する衝撃波が試験ガスを加熱します。この施設の斬新な点は、一次衝撃波が下流の2番目のダイヤフラムと相互作用することで発生する膨張衝撃波によって試験ガスがさらに加速される点です。内径150mmのHETはマッハ4～8に達する能力を備え、2005年に建設されました。[ 4 ]

ヒパルス

極超音速パルス施設（HYPULSE）は、インディアナ州ウェストラファイエットにあるパデュー大学モーリス・J・ズクロウ研究所のキャンパス内で運営されています。HYPULSEは、以前はニューヨークの総合応用科学研究所（GASL）によってNASAのHYPULSEとして運営されていましたが、2020年にノースロップ・グラマンからパデュー大学に寄贈されました。HYPULSE施設は、再突入体と空気吸入エンジンの試験のために開発されました。HYPULSEの仕様は、直径7フィート、長さ19フィートです。この施設は、反射衝撃風洞（RST）と衝撃膨張風洞（SET）の2つのモードを持つようにアップグレードされました。 HYPULSE-RSTはマッハ5から10の速度を発生し、HYPULSE-SETはマッハ12から25の速度を発生する。[ 3 ] [ 5 ] [ 6 ]

HYPULSEでテストされた車両:

レンズI、II

大型エネルギー国立衝撃風洞（LENS）は、過去15年間にわたり、CUBRCの航空熱・航空光学評価センター（AAEC）に建設されてきた。LENS施設は、先進的なミサイルシーカーヘッドとスクラムジェットエンジンの試験用に開発された。LENS IとLENS IIは、同様の制御、圧縮、データ収集システムを備えている。LENS I施設には、直径11インチ、長さ25.5フィートの駆動管があり、電気加熱式で、8インチ、60フィートの駆動部はマッハ7から18に達することができる。試験モデルは、最大長さ12フィート、直径3フィートにすることができる。LENS Iは、駆動ガスを華氏750度に加熱し、最大30,000psiで作動させる。LENS II施設は、60フィートの駆動管と100フィートの駆動管の両方に直径24インチを統合し、マッハ3から9で作動する。[ 7 ]

LENS-Iでテストされた車両:
  • ハイフライ
  • X-34
  • オービターモデル
  • 国家航空宇宙機（NASP）
LENS-IIでテストされた車両:
  • ハイフライ
  • ブラック アイヴァ
  • X-43
  • ARRRMD
  • ハイコーズ
  • RRSS

レンズX

LENS-Xは、直径8フィート、長さ100フィートの膨張トンネルで、最高速度はマッハ30です。駆動室はヘリウムまたは水素ガスで満たされ、華氏1000度で3,000psiまで圧縮されます。これにより最初のダイヤフラムが破損し、駆動室に高温のガスが流入して、2番目のダイヤフラムが破裂する前に20,000psiを超える圧力が発生します。[ 8 ]

LENS-Xでテストされた車両:
  • オリオン
  • DARPAファルコン

高エンタルピー衝撃トンネル (HIEST)

JAXA（宇宙航空研究開発機構）角田宇宙研究センターに設置されています。このトンネルでは、高圧と高温の両方を同時にシミュレートできます。主な用途としては、帰還型宇宙船のスケールモデルを用いた空力および熱空力試験、スクラムジェットエンジンの燃焼試験などがあります。JAXAの再突入実証機プロトタイプ機であるHYFLEX（極超音速飛行実験）はこの施設で試験されました。このトンネルのもう一つの特徴は、質量の異なる3つのピストンを使用できることです。[ 9 ]

T4ショックトンネル

オーストラリアのクイーンズランド大学に設置されている。これは大型の自由ピストン駆動式衝撃波トンネルで、様々なマッハ数で亜軌道流速を発生させることができる。T4衝撃波トンネルは1987年4月に運用を開始し、試運転期間を経て同年9月に定常運用を開始した。T4の10000回目の発射は2008年8月に実施された。クイーンズランド大学は、X2、X3、X3R施設も維持管理している。現在、X3RはT4施設を凌駕している。[ 10 ]

T5超高速衝撃トンネル施設

これは米国カリフォルニア工科大学にある自由ピストン衝撃波トンネルである。大学に設置されているものとしては世界最大級の自由ピストン衝撃波トンネルである。非常に高いよどみエンタルピー（25 MJ/kg）と圧力（40 MPa）に達することができる衝撃実験施設である。試験時間は約1ミリ秒である。駆動ガスとしてヘリウムとアルゴンを使用し、主ダイヤフラムとして0.25インチの鋼板を使用する。試験ガスとしては、空気、窒素、二酸化炭素、またはこれらの混合物が使用される。重量120 kgのピストンは、最高速度300 m/sを超えることができる。[ 11 ]

参考文献

  1. ^ Stalker RJ「極超音速風洞の最新開発」航空ジャーナル 2006年1月
  2. ^ Hollis, Brian R.; Perkins, John N., “Hypervelocity Heat-Transfer Measurements in an Expansion Tube,” AIAA Paper 96-2240 (New Orleans, LA: 19th AIAA Advanced Measurement and Ground Testing Technology Conference, 1996)
  3. ^ a b Bakos, RJ; Tsai, C.-Y.; Rogers, RC; Shih, AT「NASA​​のHyper-X地上試験プログラムのマッハ10コンポーネント」Langley Research Center(1999)
  4. ^ Dufrene, A.; Sharma, M.; Austin, JM (2007). 「超高速膨張管施設の設計と特性評価」 . Journal of Propulsion and Power . 23 (6). AIAA: 1185– 1193. doi : 10.2514/1.30349 . 2015年6月1日閲覧。
  5. ^ 「ノースロップ・グラマン社の衝撃風洞の寄贈により、パーデュー大学の極超音速研究が促進される」。
  6. ^ Tamagno, Jose; Bakos, Robert; Pulsonetti, Maria; Erdos, John, “GASLのExpansion Tube（HYPULSE）施設の超高速実在ガス能力,” AIAA Paper 90-1390（シアトル、ワシントン州：AIAA第16回空力地上試験会議、1990年）
  7. ^ TP Wadhams、MS Holden、MG MacLean、「コードと飛行加熱モデルの検証のためのデータ取得を目的とした実験的スペースシャトルオービター研究」、AIAA 2010-1576（フロリダ州オーランド：第48回AIAA航空宇宙科学会議および展示会2010）
  8. ^ブランド、エリック、「NASA​​のオリオンをテストするための最速の風洞」ディスカバリー・ニュース。「NASA​​のオリオンをテストするための最速の風洞：ディスカバリー・ニュース」 。 2011年6月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年2月6日閲覧。
  9. ^ 「角田宇宙センター -試験施設-」 2013年2月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年4月1日閲覧。
  10. ^ 「極超音速 - クイーンズランド大学機械鉱山工学部」。
  11. ^ 「ジョアンナ・M・オースティン | ハイパーソニックス」。
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