Study on milimeter-wave discharge detonation using a gyrotron
| Project/Area Number |
20H02344
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小紫 公也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90242825)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
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| Keywords | 航空宇宙工学 / プラズマ / 放電 / ミリ波 / ジャイロトロン / エネルギー全般 / 推進 |
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| Outline of Research at the Start |
高エネルギー電磁ビームが空気中に駆動するデトネーション波の物理の解明は，それを利用するレーザー推進，マイクロ波ロケット，長距離ワイヤレス電力伝送などの工学的応用の実現に必要不可欠である．本研究では，大気放電実験用に新たに建設された世界でも特色のある東大ジャイロトロン発振器を使って，極超音速で伝播するミリ波放電駆動デトネーション波を観測し，プラズマ諸量の空間分布を計測することにより，ミリ波放電駆動デトネーション波伝播の物理モデルの構築・検証を行うことを目的とする．得られた知見を将来のマイクロ波ロケットで想定される実スケールの現象に適用可能な３次元計算コードの開発につなげたい．
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| Outline of Annual Research Achievements |
ミリ波ビームによって空気中で駆動されるデトネーション波に関する実験と数値シミュレーションを行った。
東京大学にて開発された94 GHz 高出力ミリ波発振器ジャイロトロンを使用した実験では、ミリ波放電によって駆動されるデトネーション波において、微細なプラズマ構造に起因する超音速での放電伝播や振動温度と回転温度の強い非平衡を確認した。また、ジャイロトロン真空管表面への電子スパッタに伴う真空度悪化により電極電圧45 kV, 繰り返し周波数約1 Hzの作動に制限されていたが、真空管予加熱や電圧印加を繰り返して管表面状態を改善し、電極電圧50kVにて、100 マイクロ秒を超え、繰り返し周波数800 Hzを超える連続発振に成功した。この連続発振により、第１パルス放電で生じる高温（電離）残留ガスが後続パルスでのミリ波放電進展速度、生成推力インパルス及び放電構造遷移に与える影響を観測した。
加えて、実験上最も重要なパラメータであるミリ波強度分布について、ミリ波吸収板、感温シートおよびビデオカメラの組み合わせによって、簡便かつ正確に測定する手法を発案し、その開発に成功した。
また、数値シミュレーションでは、微細なプラズマ構造と熱的非平衡の効果を考慮した２次元2温度物理モデルを用い、マイクロ波ロケットの推進性能を予測した。繰り返しパルス運転時の推進性能を最大化する推進器形状の検討を行い、一つの例として、吸気弁を非等間隔に配置することで性能が改善する知見を得た。
これらの成果を生かしてマイクロ波ロケットモデルを設計・開発し、打ち上げ試験を行う予定である。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(4 results)
Research Products
(40 results)
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[Presentation] High-Power Microwave Oscillation of a 94 GHz Gyrotron for Air-Breakdown Plasma Observations in Microwave Rocket2021
Author(s)
Kuniyoshi Tabata, Ayuto Manabe, Kimiya Komurasaki, Tsuyoshi Kariya, Ryutaro Minami, Tsuyoshi Imai, Yasuhisa Oda, Masafumi Fukunari, Yusuke Yamaguchi, Yoshinori Tatematsu, Kazuo Hayashi, Ryosuke Ikeda, Ken Kajiwara, Koji Takahashi, and Keiji Sakamoto
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