極超音速機向け新型耐熱シールドの迅速評価手法を開発(It is rocket science: New heat shields, faster)

2025-12-15 サンディア国立研究所(SNL)

Sandia National Laboratoriesのエンジニアチームは、極超音速(マッハ5以上)航空機や宇宙再突入体に用いる新しい熱防護システム材料の評価法を高速化する技術を開発した。研究ではコンピューターモデル、地上実験、飛行試験を組み合わせ、極端な高温・高圧条件下で材料がどのように振る舞うかを従来より短時間で予測できる評価法を確立した。この評価法により、耐熱シールド材料の選定や性能予測が迅速化し、熱防護システムの設計・検証にかかる時間とコストを大幅に削減できる可能性がある。実験では誘導結合プラズマトーチを用いて太陽表面を超える高温プラズマで材料を試験し、得られたデータはモデル精緻化にも活用された。この成果は、極超音速飛行体や軍事・宇宙輸送の安全性向上に資する材料科学と評価技術の進展を示す。

<関連情報>

プラズマトーチグラファイトアブレーション中の温度とCO/N2濃度のコヒーレントラマン測定 Coherent Raman Measurements of Temperature and CO/N2 Concentration During Plasma Torch Graphite Ablation

Dan Fries, Spenser T. Stark, John S. Murray, Noel T. Clemens, Philip L. Varghese, Rajkumar Bhakta and Sean P. Kearney
American Institute of Aeronautics and Astronautics  Published: 10 Mar 2025
DOI:https://doi.org/10.2514/1.T7080

Abstract

Measurements in high-enthalpy flows are important to understand hypersonic flight and reentry environments. In this study, we use nanosecond coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) to simultaneously probe CO and N2 molecules within the reaction layer of a graphite sample exposed to an atmospheric pressure plasma plume. The plasma plume is generated by an inductively coupled plasma torch, with temperatures in the plasma freestream ranging from 5000 to 7000 K. The CARS measurement volume, with a diameter of approximately 100  ⁢m, can be positioned as close as 0.2 mm from the graphite surface. The acquired CARS spectra are fitted to theoretical results to determine rotational-vibrational equilibrium temperatures and relative CO to N2 mole fractions. We present highly spatially resolved profiles of these quantities in the boundary layer of the graphite ablator, report uncertainties, and discuss the presence of chemical nonequilibrium in the boundary layer.

0301機体システム
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