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独立行政法人宇宙航空研究開発機構(JAXA)は、「はやぶさ」など日本の宇宙探査計画や「イプシロンロケット」、「新型基幹ロケット」などの研究開発を一手に担っている。その開発の現場で重要な役割を果たしているのが、HPC(ハイパフォーマンス・コンピューティング)を使う「数値シミュレーション」という最新の設計技術だ。空気や燃料の流れ方、振動、音、熱などの複雑な動きを精密に予測し、設計に役立てる。
その応用範囲は、航空宇宙や自動車を始め、ガスタービン、ターボ機械、電子回路、建物、橋梁、創薬などの設計にも広がりつつある。モノ作りで重要な試作や実験を数値シミュレーションで置き換えることで設計プロセスの革新が期待されている。
この分野の第一人者であるJAXA宇宙科学研究所の高木亮治准教授に、最新の動向と展望を聞いた。

H3ロケットは、数値シミュレーションなしには開発できない

――高木先生は計算流体力学(CFD:Computational Fluid Dynamics)の専門家として、数値シミュレーションの研究に携わってこられました。JAXAの宇宙探査やロケット開発では、数値シミュレーションはどのような役割を果たしているのでしょうか。

高木 数値シミュレーションとは、コンピューター上で流体や熱などの動きを方程式で近似的に計算して予測する手法です。実験、理論解析と並ぶ「第3の科学」として注目を集めており、モノ作りのいろいろな分野で使われています。

今や自動車開発、航空機開発ではかなり数値シミュレーションを使って設計するようになりましたし、JAXAはロケットなど宇宙機の設計開発にも数値シミュレーションの適用範囲を広げています。現在開発中のH3ロケットは数値シミュレーションなしには開発できないほどの状況になっています。

これまで、宇宙開発では数値シミュレーションはあまり使われていませんでした。それは宇宙の物理現象が複雑かつ特殊な状況にあるため、数値シミュレーションを実施するのが困難だったからです。「はやぶさ」の大気圏再突入カプセルや「はやぶさ」を打ち上げたM-Vロケットなど、一部の流体的な課題に対して数値シミュレーションが用いられてきました。

JAXA

――ロケット開発の場合、具体的にどのような部分の設計に数値シミュレーションが生かされているのでしょうか。

高木 例えばロケットが発射されて大気圏を上昇する時、周りの空気からどういう力が働くかを数値シミュレーションで予測します。最近特に注目しているのは発生する圧力波(音)で、その圧力波による振動がひどいと機器が壊れる心配があります。

圧力波(音)は、エンジン点火直後にまずドーンと出ます。ある程度飛ぶと、今度は遷音速(せんおんそく)という音速に近い領域で複雑な流体現象が起き、その時に衝撃波が発生し振動を引き起こします。ロケットや搭載される衛星は軽く作らなければならず、いわば構造が華奢になります。どれくらいまで軽く(華奢に)作っても振動に耐えられるかを知るために、どの程度振動が発生するかを数値シミュレーションを用いて予測します。更には発生する振動をどうすれば減らせるかを数値シミュレーションを用いて工夫しています。

ロケットエンジンには、液体エンジンと固体エンジンの2種類があります。どちらのエンジンでも燃料と酸化剤を混ぜて燃焼させるので、どういう設計にすれば安定的かつ効率よく燃えるのかを数値シミュレーションで確かめます。燃料の混ぜ方や比率、機器の形状などを工夫して燃焼を安定させる、更には熱を無駄に外に逃がさず、しかも高熱で部品が溶けないように上手に冷やすという、相反する要求を満たす必要があります。

ロケットエンジン内部の燃焼圧は120気圧程度と自動車エンジンより格段に高いので、それに耐えるだけ丈夫に作らなければなりませんが、一方ではギリギリまで軽量化したい。このように極限的な設計をするには、数値シミュレーションで精度良く予測することが重要です。予測精度が低ければ、安全設計のマージンを多く取らなくてはなりません。このマージンをできるだけ減らして、ピタリと適切な設計ができるような予測精度の高さが求められます。

JAXAがHPCに求める計算能力

――数値シミュレーションはいくつかの方程式を使って計算するわけですが、実際の動きをどこまで正確に表現できるものなのでしょうか。

高木亮治氏高木 流体の場合は、ナビエ・ストークス方程式という古典力学の偏微分方程式があり、これを解けばほぼ大丈夫だと言われています。しかしロケットエンジンの場合は、化学反応による燃焼現象や輻射熱の効果も合わせて解かねばならないので、それらの現象を表す方程式なども同時に考慮する必要があります。

数値シミュレーション結果が、実際に起きる物理現象を正しく再現しているかどうかは重要な問題です。その検証には、与えられた方程式が正しく解けているか、実際の物理現象として正しいか、という2点を確認することが非常に大切です。

――こうした計算を行うJAXAのHPC(ハイパフォーマンス・コンピューティング)はどれくらいの計算能力が求められているのでしょうか。

高木 現在、メインのマシンの処理能力は120テラフロップス(テラは1兆、フロップスは1秒間に浮動小数点数演算ができる回数)ですが、2015年4月には1ペタフロップス(ペタは1千兆)と約8倍の能力になり、更に16年4月には3ペタフロップスにアップします。

しかし、まだまだ能力は足りません。例えば流体の数値シミュレーションではレイノルズ数という現象の基準となる数値があります。ざっくり言って自動車が106、航空機は107、ロケットだと108程度です。精密な予測を可能とする計算を行う場合、レイノルズ数が1桁大きくなると1000倍の計算機能力が必要になります。流体は小さな渦が大きな流れの構造を決めてしまう性質があり、小さい渦を正確に解く必要があるためです。これが流体シミュレーションの厄介なところです。

圧力波(音)を解く場合も同じことが言えます。例えば、正しく計算できる周波数の上限を2倍にするには、16倍の計算負荷が生じます。ですから、宇宙航空機分野で流体の動きを細かく正確に計算するためには、計算能力がまだまだ足りない状況なのです。

航空機分野で言えば、厳密な流体シミュレーションを行うためには現在の世界最高レベルのスーパーコンピューターでも、模型飛行機サイズの流体シミュレーションがせいぜいです。実機の流体シミュレーションをしようと思うと、「京」の1000倍、つまり10エクサ(Exa:100京)フロップスの能力が必要であり、いま「京」の次の「エクサ・プロジェクト」が国レベルで動き始めています。

宇宙ロケットの分野となると、流体に加えて化学反応である燃焼現象が加わるので、エクサでも厳密に解くことはできません。結局、エクサの1000倍のゼタ(Zetta)とか、更にその1000倍のヨタ(Yotta)に達しないと難しいのです。

シミュレーション自体の信頼性を証明するために

――ロケット設計や打ち上げ準備に必要な業務のうち、数値シミュレーションによる解析の比重は、近年のコンピューターの進歩によって小さくなったでしょうか。

高木亮治氏高木 いま開発中のH3ロケットでは数値シミュレーションをいろいろ使う計画になっていますが、現在使用中のH2Aロケットは流体シミュレーションがまだ実用的でなかったころに設計開発しており、両者の比較はちょっと難しいですね。

従来、日本のロケットは米国のロケットを技術導入して作ってきました。実験してみたら上手く行った、ではこれで行こうという実証主義でやってきたのです。その代り、実験をすごく沢山しなければなりませんでした。ロケットの燃焼実験は1回で数億円もかかり、費用も大変でした。

次世代ロケットの信頼性を仮に99.9%にしようとすると、実機でそれを証明するには1000発打ち上げないといけない。それは不可能なので、実機ではなく数値シミュレーションで大丈夫ですよということを証明しようとしています。ですからHPCの能力が上がるほど、数値シミュレーションの利用範囲はどんどん広がると思います。

――でも、数値シミュレーションの結果を衛星打ち上げの顧客に納得してもらうには、数値シミュレーション自体の信頼性を証明しなくてはいけませんね。

高木 そうです。数値シミュレーションが現象を正しく再現できることを示さねばなりません。飛行中のロケットやエンジンから比較のためのデータを取るのは困難です。しかし、エンジンのターボポンプとか特定の要素部品のデータを集めて数値シミュレーションと比較することは可能で、これらを積み上げてシステム全体として数値シミュレーションが正しいことを証明しようとしています。

数値シミュレーションを設計で利用する際に重要なことは、定量的に正確な値を出せなくても、定性的に傾向が分かればある程度設計で使えるということです。設計にA案とB案がある場合、その優劣が数値シミュレーションで分かれば設計に使えます。ラフな数値シミュレーションで形が決まれば、今度は誤差1%ぐらいの精密な計算を別の数値シミュレーションで行います。

text:木代泰之

後編はこちらから

高木亮治氏

たかき・りょうじ
高木亮治

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所 学際科学研究系 准教授
1966生まれ。1991年 京都大学大学院工学研究科航空工学専攻修了、修士(工学)。2001年 東京大学大学院工学系 博士(工学)。1991~2003年 航空宇宙技術研究所、1999~2000年 NASA Glenn研究所 研究員。2003年より現職。
専門は流体力学、研究テーマは、宇宙開発に関連する計算工学、特に宇宙機の空力特性に関すること。一般に計算流体力学(CFD)と呼ばれ、高速計算機を用いて流体現象の数値シミュレーションを行っている。


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※日本IBM社外からの寄稿や発言内容は、必ずしも同社の見解を表明しているわけではありません。


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