Generation of highly efficient near-infrared laser sustained plasma using atomic line absorption
| Project/Area Number |
23K26296
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| Project/Area Number (Other) |
23H01602 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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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 | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
松井 信 静岡大学, 工学部, 教授 (90547100)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥19,110,000 (Direct Cost: ¥14,700,000、Indirect Cost: ¥4,410,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2023: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
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| Keywords | レーザー維持プラズマ / 原子線吸収 / 逆制動放射吸収 / 大気圧プラズマ / 発光分光 / 推進性能 / 高出力半導体レーザー |
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| Outline of Research at the Start |
レーザー維持プラズマ（LSP）は従来の放電プラズマに比べ高温・高圧であり，比推力，推力密度点で従来機を上回る推進機の熱源として期待できる．光源として高出力半導体レーザーの登場により効率，出力ともに実用化への見通しが立ち，我々はこれまで比較的電離電圧の低いアルゴン等希ガスでのLSP生成・評価を行ってきた．しかしながら高い比推力を得るには低分子量のガスでのLSP生成が必要となってくる．そこで本研究では近赤外域に強い原子スペクトル線を持つ気体を混合することで吸収率を向上させることで平均低分子量の低いLSP生成による比推力の向上及びエネルギー変換効率の向上を試みる．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はまず4 kW 級半導体レーザーを用いてアルゴンレーザー維持プラズマ（LSP）に対する F 値の影響の評価を行った．その結果，半導体レーザーはF値が小さいほLSP生成に必要なレーザーパワーが低下し，長さが長く，温度が高くなった．これらの傾向は，主にレーザー強度が原因であると結論付けられた．次に流れ場の影響の評価を行った結果，LSPは軸と垂直方向に対する気流の乱れに非常に弱く，気流の乱れにより消滅してしまうことが証明された．また，流速に対するLSPの諸特性は，LSPの位置以外には相関がみられなかった．LSP位置は流速が速くなると共にLSC波との釣り合いによって変わると結論付けられた．原子線吸収の評価を行った結果，原子線吸収は主要な吸収過程の一つである逆制制動放射と，同じスケールの吸収量を持つことが証明された．また，F値による吸収率の検証では，レーザービームプロファイルとLSPの形状が，LSPの吸収率に大きな影響を及ぼすことが証明された．以上の結果を踏まえてレーザー推進機の実証としてLSP スラスタの作動を行った．その結果，ノズル部の形状によりLSPの維持条件が変わり，性能に影響尾を及ぼすことが分かった．最大推進性能は，比推力174 s，推力0.63 N，推進効率9.6%を達成した．
半導体レーザーと並行して1kW級ファイバレーザーを用いてアルゴンLSP推進機に関する実験を行った．ソニックフロー法により，1kW時の推進効率を推定した結果，推進効率は最大で19%となり，半導体レーザーに比べ2倍程度の効率となった．これはLSP吸収率の高さによるものだと考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は半導体レーザー及びファイバレーザーを用いたアルゴンLSP特性に関して線スペクトルの吸収率への影響を定量的に評価することに成功した．また特に半導体レーザーにおいてF値がLSP生成条件に大きく影響を与えることがわかり，当初予測よりLSP生成条件が大幅に緩和することに成功した（本成果はOptics Lettersにて報告）．以上の結果により当初は次年度に計画していた推進機タイプのLSP生成機に着手でき，ソニックフルフロー法により推進性能の評価を行った．その結果，ファイバレーザーにおいては従来のアークジェットと同等の推進性能を達成できることを実証した．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度はプレナム圧から推力を推定したため最適膨張ノズルを想定している．次年度は実際にスラストスタンドを開発し，推力の実測を行う予定である．また並行して，推進効率を向上させるため，逆制動放射吸収による吸収量上昇を目的として電離電圧の低いアルカリ金属をシード材として混合することでLSPの生成効率，作動範囲の拡大を目指す．この手法はMHD分野では既に行われておりその効果も確認されているが，粉体であるシード材（炭酸カリウム）を供給するシステムが必要となる．我々はプラズマを用いたアルミナ還元の研究において粉体供給の知見があり，それをいかして供給システムを開発し， LSP生成条件の検証を行う．
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Report
(1 results)
Research Products
(18 results)
