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2015 Fiscal Year Annual Research Report

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

Research Project

Project/Area Number 13J05089
Research InstitutionTohoku 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
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
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

    (14 results)

All 2016 2015

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Acknowledgement Compliant: 4 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Thrust Performance of Microwave Rocket at Low Ambient Pressure2016

    • Author(s)
      M. Takahashi and N. Ohnishi
    • Journal Title

      The ISTS Special Issue of Transactions of JSASS, Aerospace Technology Japan

      Volume: undecided Pages: undecided

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Numerical Analysis of Shock Wave Supported by Microwave Discharge in Microwave-Beaming Propulsion2016

    • Author(s)
      Y. Kageyama, M. Takahashi, and N. Ohnishi
    • Journal Title

      The ISTS Special Issue of Transactions of JSASS, Aerospace Technology Japan

      Volume: undecided Pages: undecided

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical Study of Breakdown Pattern Induced by an Intense Microwave under Nitrogen and Argon2016

    • Author(s)
      M. Takahashi and N. Ohnishi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: undecided Pages: undecided

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Shock Formation by Plasma Filament of Microwave Discharge under Atmospheric Pressure2016

    • Author(s)
      M. Takahashi and N. Ohnishi
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 688 Pages: 012119

    • DOI

      10.1088/1742-6596/688/1/012119

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Beam-Riding Flight of a Laser-Propulsion Vehicle Using Actively Controlled Pulse2016

    • Author(s)
      M. Takahashi and N. Ohnishi
    • Journal Title

      Journal of Propulsion and Power

      Volume: 32 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 Pages: C11

  • [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 Pages: 1C07

  • [Presentation] Thrust Performance Improvement of Microwave Rocket by Magnetic Field2016

    • 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 – 2016-04-07
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Structure Formation of Atmospheric Discharge by Undercritical Microwave Beam2016

    • 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 – 2016-04-07
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical Study of Breakdown Pattern Induced by Intense Microwave under Atmospheric Conditions2015

    • 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 – 2015-10-16
    • 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 – 2015-10-07
  • [Presentation] Thrust Performance of Microwave Rocket at Low Ambient Pressure2015

    • 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 – 2015-07-10
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical Analysis of Shock Wave Supported by Microwave Discharge in Microwave-Beaming Propulsion2015

    • 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 – 2015-07-10
    • 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
    • Place of Presentation
      東京大学山上会館,東京都,日本
    • Year and Date
      2015-04-16 – 2015-04-16

URL: 

Published: 2016-12-27  

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