小型衛星打ち上げに向けたレーザー推進機の超音速安定飛行に関する研究

激光推进飞行器超音速稳定飞行小卫星发射研究

基本信息

批准号：
13J05089
负责人：
高橋聖幸
金额：
$ 1.92万
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：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

ビーム推進システムは小型衛星専用の低コスト打ち上げ手法として期待されている．過去の飛行実験では安定飛行性能に問題があり，50 g 機体が 71 m の高度で墜落してしまった．また低圧下ではプラズマのエネルギー吸収率低下と拡散速度増大により推進性能が低下し，飛行を維持出来ない事が推力測定実験から判明している．本研究では，外部磁場を印加する事によって軸方向の推進性能を改善しつつ，安定飛行に必要な横力獲得をも可能にする先進的飛行デバイスの開発を試みる．推進性能改善と安定飛行性能改善とを同時に達成可能なデバイスは存在しないため，確立出来れば画期的である．電子とイオンの運動を追跡する粒子法と電磁波伝播を解析する有限差分時間領域法を結合し，ビーム照射時の電離構造を再現する事に成功した．大気圧下では離散的電離構造が，低圧下では電子拡散が優位となる為に拡散的電離構造が形成される．外部磁場を放電領域に印加した所，プラズマ前縁の伝播速度を制御可能である事を見出すと共に，電子サイクロトロン共鳴加熱を利用する事でエネルギー吸収率を改善出来た．第二高調波電子サイクロトロン共鳴を誘起する場合，電子拡散抑制と電子衝突電離の促進により，低圧においても離散的電離構造が形成される事が明らかとなった．流体計算と結合する事でノズル内部での衝撃波伝播を再現し，推進性能を見積もった．25 GHz ビーム照射に対して 0.9 T を印加する事で電子サイクロトロン共鳴条件を満たして駆動衝撃波を強化し，低圧下でも高い推進性能を維持出来る事が分かった．さらに，電子サイクロトロン共鳴領域をノズル重心部より下方へと配置する事により，回転モーメントの発生を抑制しつつ安定飛行に必要な横力を獲得出来る事が分かった．横力と回転モーメント発生とを分離出来る手法は世界的に見て提案されていない為，非常に意義深いと言える．

波束推进系统有望成为一种专门针对小型卫星的低成本发射方法。在过去的飞行实验中，飞行性能稳定存在问题，一架50g的飞机在71m的高度坠毁。此外，推力测量实验表明，在低压下，由于等离子体能量吸收率下降、扩散率增大，推进性能下降，无法维持飞行。在这项研究中，我们试图开发一种先进的飞行装置，通过施加外部磁场来提高轴向推进性能，同时还可以获得稳定飞行所需的侧向力。由于目前还没有一种装置能够同时提高推进性能和稳定飞行性能，因此如果能够建立，那将是革命性的。通过将追踪电子和离子运动的粒子法与分析电磁波传播的时域有限差分法相结合，我们成功地再现了束流照射过程中的电离结构。在大气压下，形成离散电离结构，在低压下，由于电子扩散占主导，形成扩散电离结构。我们发现，通过向放电区域施加外部磁场可以控制等离子体前缘的传播速度，并且还可以通过使用电子回旋共振加热来提高能量吸收率。据揭示，当诱发二次谐波电子回旋共振时，由于电子扩散抑制和电子碰撞电离促进，即使在低压下也会形成离散电离结构。通过将其与流体计算相结合，我们再现了喷嘴内的冲击波传播并估计了推进性能。结果发现，采用0.9 T的25 GHz光束照射满足电子回旋共振条件，增强了驱动激波，即使在低压下也能保持较高的推进性能。此外，通过将电子回旋共振区域设置在喷嘴重心下方，发现可以在抑制旋转力矩的产生的同时获得稳定飞行所需的横向力。这是极其重要的，因为世界上任何地方都没有提出可以分离侧向力和旋转力矩产生的方法。