本研究では垂直着陸型再使用ロケットの着陸フェーズにおいて、減速・軟着陸のためのエンジン排気プルームと機体周りの流れの干渉と、機体底面および着陸脚へ与える熱的・機械的な影響を考え、運用システムとして成立する機体形状や姿勢運動を含めた飛行プロファイルなどについて、空気力学および運動力学の観点で考察し、垂直着陸型再使用ロケットのシステム構築に必要となる空力設計や着陸方法の考え方を示すことを目的としている。
1年目の令和3年度においては、再使用ロケットの着陸時における排気プルームを模擬するための風洞実験が可能なスケールモデルを設計するとともに、圧力計測システムの構築とその動作確認を行った。検討のベースとなる機体形状として、宇宙航空研究開発機構において研究が進められている再使用ロケット実験機の機体胴体形状を設定した。風洞実験模型の設計として、風洞内における模型の支持方法、模型表面の圧力分布を計測するための圧力孔分布および圧力センサの取付方法、6分力計測のための内装天秤の取付方法などについて検討した。排気プルームを模擬するため、超音速流れを作り出すためのノズルと貯気槽を模型ベース面および模型内部に設けることとした。ガスの供給方法として、小型気畜器による内部供給型と配管による外部供給型の2方式を検討した。実験に必要な圧力センサの仕様を設定し、計測システムを構築して風洞実験により動作確認を実施した。
風洞実験の試験条件として、実機の減速・着陸運用において機体にかかる空気力の相似を考え、エンジンからの排気プルームと、機体ベース面に対向する気流のそれぞれの質量流束または総圧の比をパラメータとし、これを広く変化させることで、様々な仕様の垂直着陸型ロケットの減速・着陸フェーズにおける機体周りの流れを再現することを検討した。