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大電力ミリ波源ジャイロトロンを用いたマイクロ波ロケットの推力生成過程の解明

研究課題

研究課題/領域番号 21J13104
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分24010:航空宇宙工学関連
研究機関東京大学

研究代表者

田畑 邦佳  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2021-04-28 – 2023-03-31
研究課題ステータス 採択後辞退 (2022年度)
配分額 *注記
1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワードミリ波 / プラズマ / ジャイロトロン / 放電 / ビーム推進 / 航空宇宙工学
研究開始時の研究の概要

マイクロ波ロケットは、ミリ波電磁ビームにより推進エネルギーを機体に供給することで飛行する次世代型宇宙輸送機である。大気圏飛行時は大気を吸い込んで推進剤とするため、既存ロケットに比べ搭載貨物量が増加する。よって、搭載貨物1kgあたりの打ち上げ費用を大幅に削減できる。当該ロケットでは、ノズル内部で生じる大気プラズマを介してミリ波のエネルギーを推力に変換する。本研究では、推力生成過程を解明するため大気プラズマの分光計測を行い、その知見を用いて打ち上げスケールの現象を模擬できる数値シミュレーションコードを開発する。

研究実績の概要

(1)マイクロ波ロケットの繰り返しパルス運転に関する数値シミュレーション
繰り返しパルス照射時の推進器内部のプラズマ挙動を解明するため,既存の空気吸い込み計算と新たに開発したデトネーション伝播計算を連成させ,複数サイクルを計算できるコードを開発した.デトネーション伝播計算においては,空間非一様な入射電界強度を与えることで,先行実験で得られたプラズマ構造の再現に成功した.また,推進器内部に残留する高温ガスの影響で,ミリ波照射2発目以降,電離波面伝播速度が速くなることが確認された.
(2)ジャイロトロンUT-94の高出力化とそれにより駆動されるデトネーション波の観測
まず,開発した周波数94 ギガヘルツのジャイロトロンUT-94において,大口径配管真空系統を用いて管内部の真空度を極限まで高めることで,カソード電圧45キロボルトで異常放電が生じない安定運転が可能となった.そして,発振されたミリ波を大気中で集光することでミリ波放電観測を行い,プラズマ構造と電離波面伝播速度の計測に成功した.先行の100ギガヘルツ以上の計測結果と比較することで,それらの周波数依存性が明らかとなった.
(3)振動-併進温度非平衡を考慮したデトネーション波面構造の解析
先行実験により,プラズマ波面において電子励起・振動温度が併進・回転温度よりも顕著に高い温度非平衡状態が明らかになった.そこで,振動,併進温度の2温度モデルに基づく非平衡2次元CFD解析を行った.その結果,電離波面の後方におよそ3ミリメートル距離を置いて衝撃波面が形成される現象が,振動温度と併進温度の緩和遅れで説明できることを明らかにした.

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

報告書

(1件)
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うちオープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] マイクロ波ロケット用94 GHzジャイロトロンの600 kW出力実現に向けて2022

    • 著者名/発表者名
      髙瀬 芳貴、田畑 邦佳、真鍋 亜佑斗、小紫 公也、関根 北斗、小泉 宏之
    • 雑誌名

      宇宙太陽発電

      巻: 7 号: 0 ページ: 1-5

    • DOI

      10.24662/sspss.7.0_1

    • NAID

      130008154528

    • ISSN
      2432-1060
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] High-Power Microwave Oscillation of a 94 GHz Gyrotron for Air-Breakdown Plasma Observations in Microwave Rocket2021

    • 著者名/発表者名
      Tabata K., Manabe A., Komurasaki K., Kariya T., Minami R., Imai T., Oda Y., Fukunari M., Yamaguchi Y., Tatematsu Y., Hayashi K., Ikeda R., Kajiwara K., Takahashi K., Sakamoto K.
    • 雑誌名

      2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz)

      巻: 2021 ページ: 1-2

    • DOI

      10.1109/irmmw-thz50926.2021.9567447

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Beam Intensity Measurement of UT-94 Gyrotron2022

    • 著者名/発表者名
      A. Manabe, K. Tabata, Y. Takase, E. Mori, M. Tsuji, Y. Oda, R. Kawashima, and K. Komurasaki
    • 学会等名
      The 29th Annual Meeting of IAPS
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] マイクロ波ロケットのマルチパルス運転の2 次元解析2022

    • 著者名/発表者名
      真鍋亜佑斗,田畑邦佳,高瀬芳貴,小紫公也,川嶋嶺
    • 学会等名
      第61 回航空原動機・宇宙推進講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] マイクロ波ロケット用94 GHz ジャイロトロンの出力向上への試み2022

    • 著者名/発表者名
      高瀬芳貴,田畑邦佳,真鍋亜佑斗,森映樹,小紫公也,関根北斗,小泉宏之
    • 学会等名
      宇宙輸送シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] High-Power Microwave Oscillation of a 94 GHz Gyrotron for Air-Breakdown Plasma Observations in Microwave Rocket2021

    • 著者名/発表者名
      K. Tabata, A. Manabe, K. Komurasaki, T. Kariya, R. Minami, T. Imai, Y. Oda, M. Fukunari, Y. Yamaguchi, Y. Tatematsu, K. Hayashi, R. Ikeda, K. Kajiwara, K. Takahashi, and K. Sakamoto
    • 学会等名
      2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] マイクロ波ロケット用94 GHz ジャイロトロンの600 kW 出力実現にむけて2021

    • 著者名/発表者名
      高瀬芳貴,田畑邦佳,真鍋亜佑斗,小紫公也
    • 学会等名
      第7 回宇宙太陽発電(SSPS)シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 94 GHzジャイロトロンの大電力化とそれにより駆動されるデトネーション波の観測2021

    • 著者名/発表者名
      田畑邦佳,真鍋亜佑斗,高瀬芳貴,小紫公也,假家強,南龍太郎,今井剛,小田靖久,福成雅史,山口裕資,立松芳典,林一生,池田亮介,梶原健,高橋幸司,坂本慶司
    • 学会等名
      第65回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 94 GHzジャイロトロンのビームプロファイル推定及びビームを用いた大気放電進展観測2021

    • 著者名/発表者名
      真鍋亜佑斗,田畑邦佳,高瀬芳貴,小紫公也,假家強,南龍太郎,今井剛,小田靖久,福成雅史,山口裕資,立松芳典,林一生,池田亮介,梶原健,高橋幸司,坂本慶司
    • 学会等名
      第65回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 東京大学小紫・小泉研究室

    • URL

      http://www.al.t.u-tokyo.ac.jp/index.html

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-03-26  

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