Study on the thrust generation process of Microwave Rocket using a high-power millimeter-wave source gyrotron

高功率毫米波源陀螺微波火箭推力产生过程研究

• 批准号: 21J13104
• 负责人: 田畑 邦佳
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J13104/
• 关键词: ミリ波; プラズマ; ジャイロトロン; 放電; ビーム推進; 航空宇宙工学

（１）マイクロ波ロケットの繰り返しパルス運転に関する数値シミュレーション繰り返しパルス照射時の推進器内部のプラズマ挙動を解明するため，既存の空気吸い込み計算と新たに開発したデトネーション伝播計算を連成させ，複数サイクルを計算できるコードを開発した．デトネーション伝播計算においては，空間非一様な入射電界強度を与えることで，先行実験で得られたプラズマ構造の再現に成功した．また，推進器内部に残留する高温ガスの影響で，ミリ波照射2発目以降，電離波面伝播速度が速くなることが確認された．（２）ジャイロトロンUT-94の高出力化とそれにより駆動されるデトネーション波の観測まず，開発した周波数94 ギガヘルツのジャイロトロンUT-94において，大口径配管真空系統を用いて管内部の真空度を極限まで高めることで，カソード電圧45キロボルトで異常放電が生じない安定運転が可能となった．そして，発振されたミリ波を大気中で集光することでミリ波放電観測を行い，プラズマ構造と電離波面伝播速度の計測に成功した．先行の100ギガヘルツ以上の計測結果と比較することで，それらの周波数依存性が明らかとなった．（３）振動-併進温度非平衡を考慮したデトネーション波面構造の解析先行実験により，プラズマ波面において電子励起・振動温度が併進・回転温度よりも顕著に高い温度非平衡状態が明らかになった．そこで，振動，併進温度の2温度モデルに基づく非平衡2次元CFD解析を行った．その結果，電離波面の後方におよそ3ミリメートル距離を置いて衝撃波面が形成される現象が，振動温度と併進温度の緩和遅れで説明できることを明らかにした．

（1）微波火箭的重复脉冲操作的数值模拟，以澄清重复脉冲照射期间推进的血浆行为，我们开发了一个代码，可以通过将现有的空气吸吮计算与新开发的爆炸式繁殖计算结合来计算多个周期。在爆炸传播计算中，通过提供空间不一致的电场强度，我们成功地再现了先前实验中获得的等离子体结构。还证实，由于推进装置内部剩余的高温气体的影响，第二毫米波照射后，电离波前传播速度增加。 （2）首先，使用它驱动的旋转UT-94的功率输出以及对爆炸波的观察，使用了94吉赫兹的频率，用于将管子内部的真空水平提高到极限的真空水平，使用大型直径的管子真空系统，可以在不正常的情况下进行稳定的管道操作，而无需在45 kictage n.5 kolovtage n.5 kolovtage n.5 kolovtage。然后，通过将振荡毫米波集中在大气中，进行了毫米波排出观测，并成功测量了血浆结构和电离波前传播速度。将结果与先前100吉赫兹或更高更高的测量结果进行比较，发现了它们的频率依赖性。 （3）考虑到振动耦合温度非平衡的爆炸波前结构的分析显示，在等离子体波前的温度非平衡状态，其中电子激发和振动温度显着高于联合耦合的温度和旋转温度。因此，我们基于两个温度的振动模型和同事温度进行了非平衡2D CFD分析。结果，可以通过振动温度和共同加入温度之间的松弛延迟来解释，在电离波前的距离大约3毫米处的冲击波前形成现象。

项目成果

High-Power Microwave Oscillation of a 94 GHz Gyrotron for Air-Breakdown Plasma Observations in Microwave Rocket

用于微波火箭空气击穿等离子体观测的 94 GHz 回旋管高功率微波振荡

• DOI: 10.1109/irmmw-thz50926.2021.9567447
• 发表时间: 2021
• 期刊: 2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz)
• 作者: Tabata K.;Manabe A.;Komurasaki K.;Kariya T.;Minami R.;Imai T.;Oda Y.;Fukunari M.;Yamaguchi Y.;Tatematsu Y.;Hayashi K.;Ikeda R.;Kajiwara K.;Takahashi K.;Sakamoto K.
• 通讯作者: Sakamoto K.

マイクロ波ロケット用94 GHz ジャイロトロンの出力向上への試み

尝试提高微波火箭用 94 GHz 陀螺仪的输出

• 发表时间: 2022
• 作者: 鶴留 奈津子;南 雄二;加冶屋 勝子;高瀬芳貴，田畑邦佳，真鍋亜佑斗，森映樹，小紫公也，関根北斗，小泉宏之
• 通讯作者: 高瀬芳貴，田畑邦佳，真鍋亜佑斗，森映樹，小紫公也，関根北斗，小泉宏之

マイクロ波ロケットのマルチパルス運転の2 次元解析

微波火箭多脉冲运行的二维分析

• 发表时间: 2022
• 作者: Natsuko Tsurudome;Yuji Minami;Katsuko Kajiya;真鍋亜佑斗，田畑邦佳，高瀬芳貴，小紫公也，川嶋嶺
• 通讯作者: 真鍋亜佑斗，田畑邦佳，高瀬芳貴，小紫公也，川嶋嶺

マイクロ波ロケット用94 GHz ジャイロトロンの600 kW 出力実現にむけて

致力于实现微波火箭用 94 GHz 陀螺仪的 600 kW 输出

• 发表时间: 2021
• 作者: 鶴留 奈津子;南 雄二;加治屋 勝子;高瀬芳貴，田畑邦佳，真鍋亜佑斗，小紫公也
• 通讯作者: 高瀬芳貴，田畑邦佳，真鍋亜佑斗，小紫公也

東京大学小紫・小泉研究室

东京大学小村崎/小泉实验室