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）微波火箭重复脉冲运行的数值模拟为了阐明重复脉冲照射期间推进器内部的等离子体行为，我们将现有的进气计算与新开发的爆震传播计算相结合，以执行多个循环。可以执行计算。在爆轰传播计算中，我们通过提供空间上不均匀的入射电场强度，成功地再现了先前实验中获得的等离子体结构。此外，还确认了在第二次毫米波照射后，由于推进器内部残留的高温气体的影响，电离波前传播速度变得更快。 （2）增加回旋管UT-94的输出并观察其驱动的爆轰波首先，在研制的频率为94GHz的回旋管UT-94中，我们采用了大直径管道真空系统来增加内部的真空度通过将电压提高到最大，可以在45kV的阴极电压下稳定工作而不会出现异常放电。通过聚焦大气中的振荡毫米波，我们观察到了毫米波放电，并成功测量了等离子体结构和电离波前传播速度。通过与之前100GHz以上的测量结果进行比较，明确了它们的频率依赖性。 (3)考虑振动-平移温度非平衡的爆轰波前结构分析初步实验揭示了等离子体波前的温度非平衡状态，其中电子激发/振荡温度显着高于平移/旋转温度。因此，我们基于振动和平移温度的双温度模型进行了非平衡二维CFD分析。结果表明，在电离波阵面后方约3mm处形成冲击波阵面的现象可以通过振荡温度和平移温度的弛豫延迟来解释。

项目成果

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

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

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

Beam Intensity Measurement of UT-94 Gyrotron

UT-94 回旋管束流强度测量

• 发表时间: 2022
• 作者: A. Manabe;K. Tabata;Y. Takase;E. Mori;M. Tsuji;Y. Oda;R. Kawashima;and K. Komurasaki
• 通讯作者: and K. Komurasaki