小型衛星軌道投入に向けたビーム推進機の高推力化・安定飛行技術の確立

小卫星入轨光束推进飞行器大推力稳定飞行技术建立

基本信息

批准号：
16J09910
负责人：
高橋聖幸
金额：
$ 2.08万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，ビーム推進機の安定飛行性能，推進性能を改善する為の新技術確立を目指す．電子サイクロトロン共鳴条件を満たす外部磁場をロケットノズル内部に印加する事で推力改善を図り，更に外部磁場印加分布を制御する事で非対称衝撃波を誘起し，飛行機体姿勢の動的制御を達成する．今年度は，外部磁場印加時の多次元的な電離構造を再現すべく，電子とイオンで成る 2 流体プラズマと入射電磁場の相互作用を記述出来る数値モデルを開発した．局所電界近似をほどこした 2 流体プラズマモデルと 1 次元運動論的粒子計算とを比較したところ，電子サイクロトロン共鳴を生じない条件では，大気圧から 1/100 気圧に渡って粒子計算と流体計算とで電離構造が一致した．1/100 気圧までは電子温度緩和時間がビーム照射プラズマ中の特性時間よりも短い為に局所電界近似が成立するが，更なる低圧では，電子温度緩和時間がプラズマ中の特性時間よりも長くなる為，非局在化するエネルギー輸送を考慮する必要がある．ビーム誘起放電において，局所電界近似がどの圧力まで適用可能かは世界的にも調査されていない為，本研究は非平衡プラズマ物理のモデル化において有用な知見を与えたと言える．一方で，電子サイクロトロン共鳴条件を満たす場合は，共鳴加熱によって生ずる非マクスウェル的高速電子が電離波面伝搬を加速化し，流体モデルと粒子モデルとでコンシステントな結果を得られなかった．非マクスウェル的挙動を組み込む事は今後の課題である．また，多次元圧縮性流体計算を行い，ノズル内部に印加する磁場形状を変化させて姿勢制御に必要な横力と回転モーメントを獲得可能かを調べた．印加磁場分布を制御することで横力と回転モーメントが分離可能である事を見出した．力積の自由度を減らしつつ姿勢制御を行う手法は今まで存在しておらず，ビーム推進の安定飛行において重要な研究であると言える．

本研究旨在建立新技术来提高梁推进飞机的稳定飞行性能和推进性能。通过在火箭喷管内施加满足电子回旋共振条件的外磁场来提高推力，并通过控制外加磁场的分布，诱发不对称激波，实现飞行器姿态的动态控制。今年，为了重现施加外部磁场时的多维电离结构，我们开发了一种数值模型，可以描述由电子和离子组成的二流体等离子体与入射电磁场之间的相互作用。将二流体等离子体模型与局域电场近似和一维动力学粒子计算进行比较表明，在不引起电子回旋共振的条件下，从大气压到1/100大气压，粒子计算和流体计算存在差异。电离结构匹配。在1/100大气压下，电子温度弛豫时间比束照射等离子体中的特征时间短，因此局域电场近似成立，但在较低压力下，电子温度弛豫时间变得比特征时间长；因此，有必要考虑离域能量传输。在束诱导放电中，局部电场近似可以应用的压力范围尚未在世界范围内进行研究，因此这项研究可以说为非平衡等离子体物理建模提供了有用的知识。另一方面，当满足电子回旋共振条件时，共振加热产生的非麦克斯韦高速电子加速电离波前传播，使得流体模型和粒子模型无法获得一致的结果。纳入非麦克斯韦行为是未来的挑战。我们还进行了多维可压缩流体计算，并研究了是否可以通过改变喷嘴内施加的磁场形状来获得姿态控制所需的侧向力和旋转力矩。我们发现可以通过控制施加的磁场分布来分离侧向力和旋转力矩。迄今为止，还没有一种方法可以在降低冲量自由度的同时控制姿态，这项研究对于稳定光束推进飞行具有重要意义。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Asymmetric Shock Wave Generation in a Microwave Rocket Using a Magnetic Field

使用磁场在微波火箭中产生不对称冲击波

DOI：
发表时间：
2017
期刊：
Journal of Physics: Conference Series
影响因子：
0
作者：
Masayuki Takahashi;Masayuki Takahashi
通讯作者：
Masayuki Takahashi

Development of Plasma Fluid Model in Microwave Rocket Supported by Magnetic Field

磁场支持的微波火箭等离子体流体模型的建立

DOI：
发表时间：
2016
期刊：
影响因子：
0
作者：
Kanta Hamasaki;Masayuki Takahashi;and Naofumi Ohnishi;高橋聖幸，小紫公也;Masayuki Takahashi;Masayuki Takahashi
通讯作者：
Masayuki Takahashi

Asymmetric Shock Wave Generation in Microwave Rocket Using Magnetic Field

利用磁场在微波火箭中产生不对称冲击波