2020 Fiscal Year Annual Research Report
半導体レーザー維持プラズマの高効率化機構の解明と宇宙推進機への応用
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18H03812
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
松井 信 静岡大学, 工学部, 准教授 (90547100)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
葛山 浩 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (80435809)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | レーザー維持プラズマ / プラズマ診断 / レーザー分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，推進剤候補の一つであるアルゴン単体でのLSP（Laser Sustained Plasma）の生成に成功した．1MPa程度ではクリプトンLSPの生成しきい値の方が低く，イオン化エネルギーの違いで説明できるものの，1.6MPa以上になると逆にアルゴンLSPの方が生成しきい値が低くなる逆転現象が観測された．また発光分光法を用いたボルツマンプロットによる温度推定の結果，アルゴンLSPの方がクリプトンLSPより3000K程度低いことがわかった．逆制動放射吸収のみを考慮すると2MPaの場合クリプトンLSPの吸収量が約1kWに対してアルゴンLSPは20W程度となりアルゴンLSP生成の根拠となり得ない．そこでアルゴンの原子線吸収量を発光スペクトルの線幅を考慮して推定すると約2kWの吸収が見積もられ，LSP生成の主因は原子線吸収であることがわかった．より詳細には高圧での吸収飽和の影響を考慮する必要があり次年度の課題である．
以上のLSP基礎特性評価はガスを封入した状態で行ったが，推進機のプレナム室を模擬した流速のある条件でのアルゴンLSP生成の実験も行った．LSP生成部でのレーザー軸方向の流速を72mm/sまで変えて実験を行った結果，LSP生成しきい値は流速とともに増加し，2MPaで1.4kW程度しきい値が大きくなることがわかった．
数値計算による原子線吸収のLSP生成しきい値への影響及び流速の影響を検証している．現状では定性的な傾向は一致するものの定量的に実験結果と合うには至っていない．そのため，より圧力広がりの影響，吸収飽和の影響を実験的に取得し計算コードにフィードバックする作業を進めている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は実際の推進剤候補の一つであるアルゴンLSPの生成に成功した．また封入状態のLSP基礎特性だけでなく，流速のある状態での生成しきい値の評価に成功した．一方，（株）ナ・デックス社が保有する100kWファイバレーザーを用いた実験は新型コロナの影響で中止となり次年度行う予定である．数値計算コードに関しては定量的には未だ実験結果と合わないので具体的に原子線スペクトルの定量値を実験的に取得し反映させていく予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度はアルゴンを推進剤として推進効率，比推力，推力電力比など推進機としての性能評価を行う．原理的には電熱型電気推進と同じであるためプレナム圧からおおよその性能評価は可能であるが，より実用に近い真空下でのノズル膨張及びスラストスタンドによる直接推力測定まで見据えた準備を行う．また将来の高比推力化を見据えて水素を推進剤としたLSP生成の可能性も検証する．新型コロナの状況次第ではあるが，より高出力条件でのLSP特性評価として昨年度予定していた100kWファイバレーザー実験を行う．
数値計算モデルは原子スペクトルラインを組み入れることで定性的だけでなく定量的なLSPしきい値評価を行う．また実験で得られた結果を随時フィードバックして評価を行う．
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