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航空機を今以上の速度で飛行させようとすると，音よりも速く飛ぶ必要があります．
この速度を超音速と呼びますが，超音速で飛行すると現在の航空機よりもはるかに燃費が悪くなってしまうという問題点があります．
この問題を解決する方法としてレーザーで空気を加熱するという方法が提案されており，この研究室ではこの方法を使ってより効率よく超音速で飛行する方法を研究しています．
図1 超音速機の抵抗低減方法 |
研究内容
本研究では，コンコルド以来運用していない超音速旅客機の復活を目指して研究を行っています．コンコルドの運用が中止された原因の1つに，燃費の悪さがあります．超音速航行時では機体から衝撃波が発生してしまい，これによって亜音速飛行時には発生しなかった造波抵抗が発生してしまいます．抵抗が増加することにより，燃費が悪化してしまうのです．
そこで本研究では，繰返しレーザーパルスを用いて低密度場を生成して衝撃波と干渉させることで抵抗を低減し，超音速機の空力性能を向上させることを目指しています(図1)．この方法を”Fly By Light Power (FBLP)”と呼称し，実験と数値計算の両面から研究を進めています．
これまでの成果
図2 実験装置概略図 |
実験には，本研究室で作製した吸い込み式の超音速風洞を用います(図2)．マッハ数1.94の風洞内に直径20mmの円柱模型を設置することで，模型前方に弓状衝撃波を発生させ，衝撃波の上流側には繰返しレーザーパルスを用いて低密度バブルを生成させました．その結果，両者の干渉によって衝撃波の変形が見られ，これによって低減した抗力を模型後方のロードセルで測定したところ，定常状態における抵抗が20%低減し，このときのエネルギー付与効率はη=10に達することを確認しました(図3~5)．これは数値計算により，バロクリニック効果で生じる渦が抵抗低減に関して大きな影響を与えていることが分かりました．
図3 弓状衝撃波の変形 | 
図4 抗力時間履歴 | 
図5 エネルギー付加効率
vs.投入エネルギー |
なぜ抵抗が減るのか？
図6 バロクリニック効果
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図7 Virtual cone |
密度勾配と圧力勾配のある流体同士では，渦度が発生します．これをバロクリニック効果と言います(図6)．本実験の場合，衝撃波前後の圧力勾配が生じています．また，レーザーによって空気を局所的に加熱することで低密度領域が発生しており，周囲の空気との間に密度勾配が生じています．つまり，衝撃波と低密度バブルが干渉する際に，バロクリニック効果によって渦度が軸対称に発生し，模型前方にドーナツのような形をした渦輪が現れます．
レーザーの発振周波数を大きくして，高繰返しで低密度バブルと衝撃波を干渉させると，多くの渦輪が模型前方に滞留し，virtual coneと呼ばれる領域を形成します(図7)．Virtual coneは模型前方にあたかも円錐が存在するかのように流れを変化させ，衝撃波の形状を変化させます．これによって衝撃波は減衰し，航空機にかかる抵抗は低減することができるのです．
