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

• Project/Area Number: 13J05089
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Aerospace engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高橋 聖幸 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: ビーム推進 / 外部磁場 / 電子サイクロトロン共鳴 / プラズマ閉じ込め / 衝撃波強化 / 姿勢制御 / 数値流体力学 / 荷電粒子計算 / レーザー推進 / マイクロ波推進 / レーザー動的制御法 / 電子サイクロトロン共鳴加熱 / 流体軌道結合計算 / プラズマフィラメント化 / 電子拡散抑制 / スケール則構築 / レーザー入射動的制御 / 運動のスケール則 / ロバスト性 / 遺伝的アルゴリズム

Outline of Annual Research Achievements

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．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Thrust Performance of Microwave Rocket at Low Ambient Pressure (2016)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Journal Title: The ISTS Special Issue of Transactions of JSASS, Aerospace Technology Japan Volume: undecided
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Numerical Analysis of Shock Wave Supported by Microwave Discharge in Microwave-Beaming Propulsion (2016)
  • Author(s): Y. Kageyama, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • Journal Title: The ISTS Special Issue of Transactions of JSASS, Aerospace Technology Japan Volume: undecided
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Numerical Study of Breakdown Pattern Induced by an Intense Microwave under Nitrogen and Argon (2016)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: undecided
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Shock Formation by Plasma Filament of Microwave Discharge under Atmospheric Pressure (2016)
  • Author(s): Masayuki Takahashi, Naofumi Ohnishi
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 688 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/688/1/012119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Beam-Riding Flight of a Laser-Propulsion Vehicle Using Actively Controlled Pulse (2016)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Journal Title: Journal of Propulsion and Power Volume: 32 Issue: 1 Pages: 237-250
  • DOI: 10.2514/1.b35631
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 三次元 FDTD 法を用いたマイクロ波推進の数値解析 (2015)
  • Author(s): 影山賀昭，高橋聖幸，大西直文
  • Journal Title: 日本航空宇宙学会第 46 回年会講演論文集 Volume: N/A
  • NAID: 40020455232
• [Journal Article] マイクロ波ロケットの推進性能改善に向けた数値的研究 (2015)
  • Author(s): 高橋聖幸，大西直文
  • Journal Title: 第 59 回宇宙科学技術連合講演会講演論文集 Volume: N/A
  • NAID: 40020615920
• [Journal Article] Shock Formation by Plasma Filament of Microwave Discharge under Atmospheric Pressure (2015)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: accepted
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Theoretical and Numerical Studies of Dynamic Scaling of a Six-Degree-of-Freedom Laser Propulsion Vehicle (2015)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Journal Title: International Journal of Aerospace Engineering Volume: 2015 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1155/2015/801371
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 三次元FDTD法を用いたマイクロ波推進の数値解析 (2015)
  • Author(s): 影山賀昭，高橋聖幸，大西直文
  • Journal Title: 日本航空宇宙学会第46期講演会年会講演論文集 Volume: N/A
  • NAID: 40020455232
• [Journal Article] Beaming Flight of Repetitive-Pulse Powered Vehicle for Satellite Launch (2014)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Journal Title: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN Volume: 12 Issue: ists29 Pages: Pb_97-Pb_102
  • DOI: 10.2322/tastj.12.Pb_97
  • NAID: 130004956840
  • ISSN: 1884-0485
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Computational Studies for Plasma Filamentation by Magnetic Field in Atmospheric Microwave Discharge (2014)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 105 Issue: 22 Pages: 223504-223504
  • DOI: 10.1063/1.4903232
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Microwave Plasma Filaments Supported by Magnetic Field at Lower Pressure (2014)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Journal Title: Proceedings of 2014 International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion Volume: N/A Pages: 1-7
• [Journal Article] Plasma Filaments and Shock Wave Formation in Microwave Propulsion (2014)
  • Author(s): Y. Kageyama, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • Journal Title: Proceedings of 2014 International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion Volume: N/A Pages: 1-8
• [Journal Article] 高強度マイクロ波による大気プラズマ形成の電離周波数特性 (2014)
  • Author(s): 影山賀昭，高橋聖幸，大西直文
  • Journal Title: 第58回宇宙科学技術連合講演会講演論文集 Volume: N/A
  • NAID: 40020269616
• [Journal Article] 低圧におけるマイクロ波ロケットの推進性能改善 (2014)
  • Author(s): 高橋聖幸, 大西直文
  • Journal Title: 日本航空宇宙学会北部支部2014年講演会論文集
• [Journal Article] マイクロ波推進における電離波面構造メカニズムの数値的研究 (2014)
  • Author(s): 影山賀昭, 高橋聖幸, 大西直文
  • Journal Title: 日本航空宇宙学会北部支部2014年講演会論文集
• [Journal Article] Fluid-orbit Coupling Calculation for Flight Analysis of Impulsively Driven Laser Vehicle (2013)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Journal Title: Journal of Physics : Conference Series Volume: 454 Pages: 012004-012004
  • DOI: 10.1088/1742-6596/454/1/012004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ionization Front and Shock Wave Structure in Microwave Propulsion (2013)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Journal Title: Proceedings of 29th International Symposium on Shock Waves Pages: 246-334
• [Journal Article] 6-DOF Flight Dynamics of Laser-Boosted Vehicle Driven by Blast Wave (2013)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Journal Title: Proceedings of 33rd International Electric Propulsion Conference
• [Journal Article] 動的制御法によるkg級レーザー推進機の安定飛行 (2013)
  • Author(s): 高橋聖幸, 大西直文
  • Journal Title: 第57回宇宙科学技術連合講演会論文集
  • NAID: 40020209153
• [Presentation] Thrust Performance Improvement of Microwave Rocket by Magnetic Field (2016)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Organizer: 2016 International High Power Laser Ablation and Directed Energy
  • Place of Presentation: La Fonda Plaza, Santa Fe, NM, USA
  • Year and Date: 2016-04-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structure Formation of Atmospheric Discharge by Undercritical Microwave Beam (2016)
  • Author(s): Y. Kageyama, N. Ohnishi, and M. Takahashi
  • Organizer: 2016 International High Power Laser Ablation and Directed Energy
  • Place of Presentation: La Fonda Plaza, Santa Fe, NM, USA
  • Year and Date: 2016-04-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical Study of Breakdown Pattern Induced by Intense Microwave under Atmospheric Conditions (2015)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Organizer: 68th Annual Gaseous Electronics Conference
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center, Honolulu, HI, USA
  • Year and Date: 2015-10-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロ波ロケットの推進性能改善に向けた数値的研究 (2015)
  • Author(s): 高橋聖幸，大西直文
  • Organizer: 第 59 回宇宙科学技術連合講演会
  • Place of Presentation: かごしま県民交流センター，鹿児島，日本
  • Year and Date: 2015-10-07
• [Presentation] Thrust Performance of Microwave Rocket at Low Ambient (2015)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Organizer: 34th International Electric Propulsion Conference
  • Place of Presentation: Kobe, Hyogo, JAPAN
  • Year and Date: 2015-07-04 – 2015-07-10
• [Presentation] Thrust Performance of Microwave Rocket at Low Ambient Pressure (2015)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Organizer: 34th International Electric Propulsion Conference
  • Place of Presentation: Kobe International Conference Center, Kobe, Hyougo, Japan
  • Year and Date: 2015-07-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical Analysis of Shock Wave Supported by Microwave Discharge in Microwave-Beaming Propulsion (2015)
  • Author(s): Y. Kageyama, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • Organizer: 34th International Electric Propulsion Conference
  • Place of Presentation: Kobe International Conference Center, Kobe, Hyougo, Japan
  • Year and Date: 2015-07-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三次元FDTD法を用いたマイクロ波推進の数値解析 (2015)
  • Author(s): 影山賀昭，高橋聖幸，大西直文
  • Organizer: 日本航空宇宙学会第46期年会講演会
  • Place of Presentation: 東京都，文京区，東京大学山上会館
  • Year and Date: 2015-04-16 – 2015-04-17
• [Presentation] 三次元 FDTD 法を用いたマイクロ波推進の数値解析 (2015)
  • Author(s): 影山賀昭，高橋聖幸，大西直文
  • Organizer: 日本航空宇宙学会第 46 期年会
  • Place of Presentation: 東京大学山上会館，東京都，日本
  • Year and Date: 2015-04-16
• [Presentation] 高強度マイクロ波による大気プラズマ形成の電離周波数特性 (2014)
  • Author(s): 影山賀昭，高橋聖幸，大西直文
  • Organizer: 第58回宇宙科学技術連合講演会
  • Place of Presentation: 長崎県，長崎市，長崎ブリックホール
  • Year and Date: 2014-11-12 – 2014-11-14
• [Presentation] Microwave Plasma Filaments Supported by Magnetic Field at Lower Pressure (2014)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Organizer: 2014 International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion
  • Place of Presentation: Santa Fe, New Mexico, USA
  • Year and Date: 2014-04-21 – 2014-04-25
• [Presentation] Flight Analysis of Lightcraft Using Actively-Controlled Beam Based on Genetic Algorithm (2014)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Organizer: 2014 International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion
  • Place of Presentation: Santa Fe, New Mexico, USA
  • Year and Date: 2014-04-21 – 2014-04-25
  • Invited
• [Presentation] Plasma Filaments and Shock Wave Formation in Microwave Propulsion (2014)
  • Author(s): Y. Kageyama, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • Organizer: 2014 International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion
  • Place of Presentation: Santa Fe, New Mexico, USA
  • Year and Date: 2014-04-21 – 2014-04-25
• [Presentation] 外部磁場印可によるマイクロ波ロケットの推進性能改善 (2014)
  • Author(s): 高橋聖幸, 大西直文
  • Organizer: 平成25年度宇宙輸送シンポジウム
  • Place of Presentation: JAXA宇宙科学研究所(神奈川県相模原市中央区)
• [Presentation] マイクロ波推進における電離波面構造多次元数値解析 (2014)
  • Author(s): 景山賀昭, 高橋聖幸, 大西直文
  • Organizer: 平成25年度宇宙輸送シンポジウム
  • Place of Presentation: JAXA宇宙科学研究所(神奈川県相模原市中央区)
• [Presentation] 低圧におけるマイクロ波ロケットの推進性能改善 (2014)
  • Author(s): 高橋聖幸, 大西直文
  • Organizer: 日本航空宇宙学会北部支部2014年講演会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉記念会館(宮城県仙台市青葉区)
• [Presentation] マイクロ波推進における電離波面構造メカニズムの数値的研究 (2014)
  • Author(s): 影山賀昭, 高橋聖幸, 大西直文
  • Organizer: 日本航空宇宙学会北部支部2014年講演会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉記念会館(宮城県仙台市青葉区)
• [Presentation] Flight Analysis of Lightcraft Using Actively-Controlled Beam Based on Genetic Aleorithm (2014)
  • Author(s): M. Takahashi and N. Ohnishi
  • Organizer: 2014 International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion
  • Place of Presentation: アメリカ(サンタフェ)(発表確定)
  • Invited
• [Presentation] Microwave Plasma Filament Supported by Magnetic Field at Lower Pressure (2014)
  • Author(s): M. Takahashi, N. Ohnishi
  • Organizer: 2014 International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion
  • Place of Presentation: アメリカ(サンタフェ)(発表確定)
• [Presentation] 動的制御法によるkg級レーザー推進器の安定飛行 (2013)
  • Author(s): 高橋聖幸, 大西直文
  • Organizer: 第57回宇宙科学技術連合講演会
  • Place of Presentation: 米子コンベンションセンター(鳥取県米子市末広町)
• [Presentation] Beaming Flight of Repetitive-Pulse Powered Vehicle for Satellite Launch (2013)
  • Author(s): M. Takahashi, N. Ohnishi
  • Organizer: 29th International Symposium on Space Technology and Science
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(名古屋県名古屋市熱田区)
• [Presentation] Ionization Front and Shock Wave Structure in Microwave Propulsion (2013)
  • Author(s): M. Takahashi, H. Miyamoto, Y. Okuno, N. Ohnishi
  • Organizer: 29th International Symposium on Shock Waves
  • Place of Presentation: アメリカ(マディソン)
• [Presentation] Shock Formation by Plasma Filament of Microwave Discharge under At mospheric Pressure (2013)
  • Author(s): M. Takahashi, N. Ohnishi
  • Organizer: 8th International Conference on Inertia Fusion Science and Applications
  • Place of Presentation: 奈良県新公会堂(奈良県奈良市春日野町)
• [Presentation] 6-DOF Flight Dynamics of Laser-Boosted Vehicle Driven by Blast Wave (2013)
  • Author(s): M. Takahashi, N. Ohnishi
  • Organizer: 33rd International Electric Propulsion Conference
  • Place of Presentation: アメリカ(ワシントン)