1. 火星飛行機・成層圏プラットフォームHAPSの空力弾性
航空機による火星探査の時代に突入しました。空気の薄い火星で飛行するには大きな翼が必要ですが、地球から火星まで航空機を運ぶ宇宙機に大きな収納スペースはありません。そこで翼を折り畳んだ状態で宇宙機に収納し、火星到着後に飛行しながら翼を展開するという極めて高度なテクノロジーが必要になります。当研究室では火星飛行機の実現に向けて、構造と流体を連成させた翼展開シミュレーション技術（空力弾性解析技術）を開発しています。さらに、風洞実験装置の中で構造と流体のみならず飛行との連成をも再現すべく、世界最大級の磁力支持天秤装置の運用にも着手しています。
近年ではこれら火星飛行機研究で培った成果を発展させ、365日成層圏を継続飛行する空の基地局「HAPS (High Altitude Platform Station)」の実現にも挑戦しています。
火星飛行機の翼展開シミュレーション
磁力支持天秤を用いた風洞実験
参考文献
[2025] Nonlinear Dynamic Analysis Framework for Slender Structures Using the Modal Rotation Method
Shizuno, Y., Dong, S., Kuzuno, R., Okada, T., Kawashima, S., Makihara, K., Otsuka, K.
ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 20, No. 2, Article No. 021002 (Open Access)
[2025] Dynamic Modal Rotation Method with Inertial Nonlinearity for Large Deformation Analysis of Slender Structures
Shizuno, Y., Kuzuno, R., Nagai, N., Kawai, M., Kawashima, S., Kodama, Y., Makihara, K., Otsuka, K.
Journal of Sound and Vibration, Vol. 619, Article No. 118427 (Open Access)
[2022] Joint Parameters for Strain-Based Geometrically Nonlinear Beam Formulation: Multibody Analysis and Experiment
Otsuka, K., Dong, S., Fujita, K., Nagai, H., Makihara, K.
Journal of Sound and Vibration, Vol. 538, Article No. 117241 (Open Access)
[2022] Consistent Strain-Based Multifidelity Modeling for Geometrically Nonlinear Beam Structures
Otsuka, K., Wang, Y., Fujita, K., Nagai, H., Makihara, K.
ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 17, No. 11, Article No. 111003 (Open Access)
[2022] Nonlinear Aeroelastic Analysis of High-Aspect-Ratio Wings with a Low-Order Propeller Model
Otsuka, K., Del Carre, A., Palacios, R.
AIAA Journal of Aircraft, Vol. 59, No. 2, pp. 293-306 (Open Access)
2. 大型宇宙構造物のマルチボディダイナミクス
宇宙空間で太陽光発電ステーション・居住基地といった大型構造物を建造するには既存の枠組みにとらわれない革新的な構造解析技術が必要とされます。 当研究室では衛星に代表されるジョイントを持った構造物「マルチボディシステム」の挙動解析法の創出と実験実証を行っています。本研究室が生み出すマルチボディダイナミクス解析技術の適用先は宇宙構造物に留まらず、航空機・ロボット・自動車・鉄道・エレベータ・風車、そして人体にも有用です。
宇宙太陽光発電 ©JAXA
柔軟パネルのマルチボディシミュレーション
参考文献
[2025] Deep Learning for Constructing Ordinary Differential Equations in Hamiltonian Formulation of Multibody Systems
Dong, S., Kuzuno, R., Makihara, K., Otsuka, K.
Mechanics Research Communications, Vol. 148, Article No. 104485 (Open Access)
[2024] High-Fidelity Flexible Multibody Model Considering Torsional Deformation for Nonequatorial Space Elevator
Kuzuno, R., Dong, S., Takahashi, Y., Okada, T., Xue, C., Otsuka, K., Makihara, K.
Acta Astronautica, Vol. 220, pp. 504-515 (Open Access)
[2022] Strain-Based Geometrically Nonlinear Beam Formulation for Rigid-Flexible Multibody Dynamic Analysis
Otsuka, K., Wang, Y., Palacios, R., Makihara, K.
AIAA Journal Vol. 60, No. 8, pp. 4954 – 4968 (Open Access)
[2022] Recent Advances in the Absolute Nodal Coordinate Formulation: Literature Review from 2012 to 2020
Otsuka, K., Makihara, K., Sugiyama, H.
ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 17, No. 8, Article No. 080803 (Open Access)
3. 航空宇宙構造物のトポロジー構造最適化
強度と軽量性を両立する航空宇宙構造を自動で算出するトポロジー構造最適化技術の創出を行っています。 3Dプリンターの発展により、部品レベルでは複雑なトポロジー構造の製造も可能になりつつあります。 しかし、膨大な部品から成る航空宇宙構造物においては、最適化技術で自動算出された部品同士が「組立」できない問題を引き起こします。 また、3Dプリンターをもってしても「製造」できない構造が自動算出される場合もあります。 本研究室では自動構造算出プロセスに「組立」と「製造」を可能とするための設計者の意図を介在させる新手法を提唱し、実際に作れる大型航空宇宙構造の完全な自動算出に挑戦しています。
次世代宇宙ステーション概念図
構造部材の寸法・配置の同時最適化
参考文献
[2025] Data-Driven Real-Time Topology Optimization Using Consistent Rotation-Based Moving Morphable Components
Hirotani, S., Yaji, K., Makihara, K., Otsuka, K.
AIAA Journal, Vol. 63, No. 10, pp. 4491-4497 (Open Access)
[2024] Moving Morphable Components Using Strain-Based Beam Geometry Description for Topology Optimization
Otsuka, K., Yamashita, H., Sugiyama, H., Dong, S., Kuzuno, R., Makihara, K.
AIAA Journal, Vol. 62, No. 12, pp. 4846-4854 (Open Access)
[2023] Moving Morphable Multi Components Introducing Intent of Designer in Topology Optimization
Otsuka, K., Dong, S., Kuzuno, R., Sugiyama, H., Makihara, K.
AIAA Journal, Vol. 61, No. 4, pp. 1720-1734 (Open Access)