高エネルギー密度のワイヤレス給電のためのミリ波放電現象の解明

• 研究課題/領域番号: 23246145
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 航空宇宙工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小紫 公也 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (90242825)
• 連携研究者: 坂本 慶司 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 研究員 (90343904) ; 小田 靖久 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 研究員 (60512209)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 48,620千円 (直接経費: 37,400千円、間接経費: 11,220千円); 2014年度: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円); 2013年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円); 2012年度: 12,350千円 (直接経費: 9,500千円、間接経費: 2,850千円); 2011年度: 18,460千円 (直接経費: 14,200千円、間接経費: 4,260千円)
• キーワード: エネルギー / ミリ波 / ワイヤレス給電 / プラズマ / 放電 / ｴﾈﾙｷﾞｰ

研究成果の概要

ミリ波電磁ビームを用いたワイヤレス給電を実現するため小型軽量な受電，エネルギー変換システムの開発を目的とし研究を行った．ビーム径を拡大した後収束させて爆轟波管に導けるよう最短のテーパ型ビーム収束器を設計し，90%以上の電力捕集性能を示した．さらにこれと高出力ジャイロトロンを組み合わせて放電実験を行い爆轟波管内にミリ波放電を駆動することに成功した．一方理論解析においては，電離閾値電界強度を電子の積算加熱現象で説明できる可能性を示すと共に，我々の実験に特有のビーム軸に平行に伸展するフィラメント構造の内部に，電界方向に伸展する小さなフィラメント群が入れ子の構造になっていることを発見した．

研究成果

• [雑誌論文] Replacement of Chemical Rocket Launchers by Beamed Energy Propulsion (2014)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Fukunari, Anthony Arnault, Toshikazu Yamaguchi, Kimiya Komurasaki
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 53 号: 31 ページ: I16-I16
  • DOI: 10.1364/ao.53.000i16
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Filamentary Structure of Millimeter-Wave Discharge Plasma at Low Beam Power Density (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. NAKAMURA, T. YAMAGUCHI, K.KOMURASAKI, T. SHOENHERR, H. KOIZUMI
  • 雑誌名: Frontier of Applied Plasma Technology 巻: 7 ページ: 7-12
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Influence of ambient air pressure on the energy conversion of laser-breakdown induced blast waves (2013)
  • 著者名/発表者名: Bin Wang, Kimiya Komurasaki, Yoshihiro Arakawa
  • 雑誌名: J. Phys. D: Appl. Phys. 巻: 46
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thrust Measurement for Laser Detonation Propulsion with a Solid-state Laser (2013)
  • 著者名/発表者名: Bin Wang, Keisuke Michigami, Kimiya Komurasaki, Yoshihiro Arakawa
  • 雑誌名: Journal of Propulsion and Power 巻: 29 ページ: 276-278
  • 査読あり
• [雑誌論文] 大電力・高デューティ比作動によるマイクロ波ロケットの推力向上 (2012)
  • 著者名/発表者名: 小松怜史
  • 雑誌名: 日本航空宇宙学会論文集 巻: 60 ページ: 235-237
  • 査読あり
• [雑誌論文] Air-breathing Performance of Microwave Rocket with Reed Valve System (2012)
  • 著者名/発表者名: Masafiuni Fukunari, Reiji Komatsu, Komurasaki K, et al.
  • 雑誌名: Vacuum 巻: (掲載確定)
  • 査読あり
• [雑誌論文] A One-Dimensional Propagation of Shock Wave Supported by Atmospheric Millimeter-Wave Plasma (2011)
  • 著者名/発表者名: Oda Y, Komurasaki K, Sakamoto K, et al.
  • 雑誌名: J Infrared Milli Terahz Waves 巻: 32(6) ページ: 877-882
  • 査読あり
• [学会発表] テーパリード弁を用いたマイクロ波ロケットの空気吸い込み機構の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 福成 雅史、山口 敏和、中村 友祐、柿沼 薫、小紫 公也、小泉 宏之、小田 靖久、池田 亮介、梶原 健、高橋 幸司、坂本 慶司
  • 学会等名: 航空原動機宇宙推進講演会
  • 発表場所: 富山国際会議場(富山県富山市)
  • 年月日: 2015-03-09 – 2015-03-10
• [学会発表] 大気圧ミリ波放電のフィラメント構造解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中村 友祐、山口 敏和、福成 雅史、小紫 公也、小田 靖久、池田 亮介、高橋 幸司、坂本 慶司
  • 学会等名: 宇宙輸送シンポジウム
  • 発表場所: JAXA宇宙科学研究所(神奈川県相模原市)
  • 年月日: 2015-01-15 – 2015-01-16
• [学会発表] Demonstration of Sub-Megawatt Power Transmission to Microwave Rocket (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Fukunari, N. Wongsuryrat, T. Yamaguchi, K. Komurasaki, Y. Oda, R. Ikeda, K. Kajiwara, K. Takahashi, K. Sakamoto
  • 学会等名: IRMMW-THz 2014
  • 発表場所: Tucson, AZ, US
  • 年月日: 2014-09-15 – 2014-09-17
• [学会発表] Design of an Oversize Tapered-tube Beam Concentrator for Microwave Rocket (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Fukunari, N. Wongsuryrat, T. Yamaguchi, K. Komurasaki
  • 学会等名: IRMMW-THz 2014
  • 発表場所: Tucson, AZ, US
  • 年月日: 2014-09-15 – 2014-09-17
• [学会発表] Microwave Rocket with Quasi-Optical Microwave Power Transmission System and Flight Demonstration (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Fukunari, T. Yamaguchi, K. Asai, S. Kurita, N. Wongsuryrat, K. Komurasaki, Y. Oda, R. Ikeda, K. Kajiwara, K. Takahashi, K. Sakamoto
  • 学会等名: International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion
  • 発表場所: Santa Fe, NM, US
  • 年月日: 2014-04-21 – 2014-04-23
• [学会発表] Replacement of Chemical Rocket Launchers by BEP (2014)
  • 著者名/発表者名: Kimiya Komurasaki, Masafumi Fukunari, Anthony Arnault, Toshikazu Yamaguchi
  • 学会等名: International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion
  • 発表場所: Santa Fe, NM, US
  • 年月日: 2014-04-21 – 2014-04-23
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロ波ロケットとホールスラスタを用いた低コスト宇宙輸送システム (2014)
  • 著者名/発表者名: 福成雅史, 伊藤祐樹, 赤木将平, 鈴木 淳, WongsuryratNat ,小紫公也
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会年会講演会
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2014-04-10 – 2014-04-11
• [学会発表] Launch Experiment and Thrust Measurement of a Kg-order Microwave Rocket (2014)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Fukunari, Toshikazu Yamaguchi, Kenta Asai, Satoshi Kurita, Nat Wongsuryrat, Kimiya Komurasaki, et al.
  • 学会等名: Asian Joint Conference on Propulsion and Power
  • 発表場所: 済州島・韓国
• [学会発表] Developments of microwave rocket as a future low-cost mass transportation system (2014)
  • 著者名/発表者名: Nat Wongsuryrat, 浅井健太, 福成雅史, 山口敏和, 小紫公也
  • 学会等名: 平成25年度宇宙輸送シンポジウム
  • 発表場所: JAXA・相模原市
• [学会発表] レーザー推進による大量宇宙輸送 (2014)
  • 著者名/発表者名: 葛山浩，小紫公也
  • 学会等名: レーザ学会学術講演会第34回年次大会
  • 発表場所: 北九州国際会議場・小倉市
  • 招待講演
• [学会発表] Thrust Performance and Plasma Generation of Microwave Rocket with Microwave Beam Space Transmission System (2013)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Fukunari, Toshikazu Yamaguchi, Shohei Saitoh, Kenta Asai, Satoshi Kurita, Kimiya Komurasaki, Yasuhisa Oda, Ken Kajiwara, Koji Takahashi, Keishi Sakamoto
  • 学会等名: IEEE Pulsed Power & Plasma Science Conference
  • 発表場所: San Francisco, California, USA
• [学会発表] Repetitive Pulse Frequency Limitation of Microwave Rocket in Launch Experiments (2013)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Kurita
  • 学会等名: International Symposium on Space Technology and Science
  • 発表場所: 名古屋国際会議場・名古屋市
• [学会発表] リード弁式吸気機構によるマイクロ波ロケットの推力性能改善 (2013)
  • 著者名/発表者名: 福成雅史, 山口敏和, 齋藤翔平, 浅井健太, 栗田哲志, 小紫公也 他
  • 学会等名: 第４５回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
  • 発表場所: JAXA・調布市
• [学会発表] 空気吸い込み式マイクロ波ロケットの宇宙への大量物資輸送機としての応用 (2013)
  • 著者名/発表者名: 福成 雅史, Arnault Anthony, 小紫公也, 小泉宏之, 船木一幸, 葛山浩
  • 学会等名: 第57回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 米子コンベンションセンター・米子市
• [学会発表] Air-Breathing Flight Trajectory of Microwave Rocket (2012)
  • 著者名/発表者名: Anthony ARNAULT, Kimiya KOMURASAKI, Masashi FUKUNARI, Toshikazu YAMAGUCHI, Hiroshi KATSURAYAMA, Yoshihiro ARAKAWA, Hiroyuki KOIZUMI
  • 学会等名: AJCPP 2011
  • 発表場所: Xian, China
  • 年月日: 2012-03-02
• [学会発表] Air-breathing Performance of Microwave Rocket with Reed Valve System (2011)
  • 著者名/発表者名: Fukunari M, Komatsu R, Arnault A, Yamaguchi T, Komurasaki K, Arakawa Y
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Applied Plasma Science
  • 発表場所: YUMOTO FUJIYA HOTEL, Hakone, Kanagawa
  • 年月日: 2011-09-28
• [学会発表] Air-breathing System on Microwave Rocket with Reed Valves and Its Future Possibility (2011)
  • 著者名/発表者名: Komatsu R
  • 学会等名: The 28th International Symposium on Soace Technology and Science
  • 発表場所: Convention Center, Okinawa
  • 年月日: 2011-06-09
• [学会発表] Analytical Study on Flight Performance of Microwave Rocke (2011)
  • 著者名/発表者名: Fukunari M, Katsurayama H, Yamaguchi T, Komurasaki K, Arakawa Y
  • 学会等名: The 28th International Symposium on Soace Technology and Science
  • 発表場所: Convention Center, Okinawa
  • 年月日: 2011-06-09
• [学会発表] Development of Microwave Rocket as a Space Mass Transportation System (2011)
  • 著者名/発表者名: Komatsu R, Fukunari M, Yamaguchi T, Komurasaki K, Arakawa Y, Oda Y, Sakamoto K, Funaki I, Katsurayama H
  • 学会等名: IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission
  • 発表場所: Uji Campus, Kyoto University, Kyoto
  • 年月日: 2011-05-13
• [学会発表] Interaction between Shock Wave and Plasma Region Ionized by Millimeter Wave Beam and Its Application to Pulse Detonation System as a Microwave Rocket (2011)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi T, Komatsu R, Komurasaki K, Oda Y, Kajiwara K, Takahashi K, Sakamoto K
  • 学会等名: IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission
  • 発表場所: Uji Campus, Kyoto University, Kyoto
  • 年月日: 2011-05-13
• [学会発表] Millimeter-wave Beam Conversion with Quasi-optical Mirrors for Microwave Rocket Launch Demonstration (2011)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi T, Komurasaki K, Oda Y, Kajiwawara K, Takahashi K, Sakamoto K
  • 学会等名: 7th International Symposium on Beamed Energy Propulsion
  • 発表場所: Ludwigsburg, Germany
  • 年月日: 2011-04-13
• [学会発表] Millimeter-wave Driven Shock Wave for a Pulsed Detonation Microwave Rocke (2011)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi T, Komatsu R, Fukunari M, Komurasaki K, Oda Y, Kajiwawara K, Takahashi K, Sakamoto K
  • 学会等名: 7th International Symposium on Beamed Energy Propulsion
  • 発表場所: Ludwigsburg, Germany
  • 年月日: 2011-04-13
• [学会発表] Developments of Microwave Rocket and Its Advantages as a Low-cost Mass Transportation System to the Space
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi T.
  • 学会等名: 13th International Space Conference of Pacific-basin Societies
  • 発表場所: 京都市左京区・京都市国際交流会館
  • 招待講演
• [学会発表] Trajectory and Cost Analysis of Microwave Rocket Launches
  • 著者名/発表者名: A. Arnault
  • 学会等名: Space Propulsion Conference 2012
  • 発表場所: ボルドー・フランス
• [学会発表] Development of Reed Valve Air-Breathing System for Pulsed Detonation Microwave Rocket
  • 著者名/発表者名: Fukunari M.
  • 学会等名: 48th AIAA Joint Propulsion Conference
  • 発表場所: アトランタ・ジョージア・アメリカ
• [学会発表] Preliminary Trajectory Analysis of Microwave Rocket with Reed Valve Air-breathing System
  • 著者名/発表者名: Masafumi Fukunari
  • 学会等名: 48th AIAA Joint Propulsion Conference
  • 発表場所: アトランタ・ジョージア・アメリカ
• [学会発表] Thrust dependency of microwave rocket on power density distributions of an incident millimeter wave beam
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi T.
  • 学会等名: 63th International Astronautical Congress
  • 発表場所: ナポリ・イタリア
• [学会発表] Developments of microwave rocket as a future low-cost mass transportation system
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi T.
  • 学会等名: 63th International Astronautical Congress
  • 発表場所: ナポリ・イタリア
• [学会発表] Microwave Rocket with 30N thrust and further thrust augmentation with reed-valve air intake
  • 著者名/発表者名: Saitoh S.
  • 学会等名: The 8th IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference
  • 発表場所: ソウル・韓国
• [学会発表] Numerical studies of filamentary plasma formation in high power millimeter wave field
  • 著者名/発表者名: Takeichi T.
  • 学会等名: The 65th Gaseous Electronics Conference
  • 発表場所: オースティン・テキサス・アメリカ
• [学会発表] Modeling of oblique ionization front propagation in high power millimeter wave field
  • 著者名/発表者名: Takeichi T.
  • 学会等名: 54th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: プロビデンス・ロードアイランド・アメリカ
• [学会発表] リードバルブを用いたマイクロ波ロケットの飛行性能
  • 著者名/発表者名: A. Arnault
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会 第43期年会講演会
  • 発表場所: 東京都文京区・東京大学山上会館,
• [学会発表] 大気圧ミリ波放電における電離波面形成過程の数値解析
  • 著者名/発表者名: 武市天聖
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会 第43期年会講演会
  • 発表場所: 東京都文京区・東京大学山上会館,
• [学会発表] マイクロ波ロケットへのミリ波ビームの照射
  • 著者名/発表者名: 浅井健太
  • 学会等名: 第15 回宇宙太陽発電システム（SPS）シンポジウム
  • 発表場所: 第15 回宇宙太陽発電システム（SPS）シンポジウム
• [学会発表] 大気圧ミリ波放電におけるフィラメント構造の計測と数値計算
  • 著者名/発表者名: 山口敏和
  • 学会等名: プラズマ･核融合学会第29回年会
  • 発表場所: 福岡県春日市・クローバープラザ
• [学会発表] マイクロ波ロケットの弁吸気による異常放電低減
  • 著者名/発表者名: 福成雅史
  • 学会等名: プラズマ･核融合学会第29回年会
  • 発表場所: 福岡県春日市・クローバープラザ
• [学会発表] マイクロ波ロケットの繰り返しパルス周波数限界の向上
  • 著者名/発表者名: 栗田哲志
  • 学会等名: 第56回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 大分県別府市・別府国際コンベンションセンター
• [学会発表] マイクロ波ロケットのロケットモードによるGEOへの軌道解析
  • 著者名/発表者名: アルノ アントニ
  • 学会等名: 第56回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 大分県別府市・別府国際コンベンションセンター
• [学会発表] 高電力密度条件下でのミリ波駆動デトネーションの観察
  • 著者名/発表者名: 山口敏和
  • 学会等名: 第56回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 大分県別府市・別府国際コンベンションセンター
• [学会発表] Replacement of classical launchers boosters and first stage by Microwave Rocket
  • 著者名/発表者名: アルノ アントニ
  • 学会等名: H24年度宇宙輸送シンポジウム
  • 発表場所: 神奈川県相模原市・JAXA宇宙科学研究所
• [学会発表] kg級マイクロ波ロケットの打ち上げ実証実験報告
  • 著者名/発表者名: 齋藤翔平
  • 学会等名: H24年度宇宙輸送シンポジウム
  • 発表場所: 神奈川県相模原市・JAXA宇宙科学研究所
• [学会発表] マイクロ波ロケットへのテーパ型集光器を使用したミリ波空間エネルギー伝送
  • 著者名/発表者名: 浅井健太
  • 学会等名: 第32回宇宙エネルギーシンポシンポジウム
  • 発表場所: 神奈川県相模原市・JAXA宇宙科学研究所
• [学会発表] マイクロ波ロケットによるH-IIロケットのブースティング
  • 著者名/発表者名: 福成 雅史
  • 学会等名: 第53回航空原動機･宇宙推進講演会
  • 発表場所: 岡山県倉敷市・倉敷市芸文館
• [学会発表] 垂直打ち上げ実験に向けたマイクロ波ロケットのリード弁式吸気機構の改善
  • 著者名/発表者名: 栗田 哲志
  • 学会等名: 第53回航空原動機･宇宙推進講演会
  • 発表場所: 岡山県倉敷市・倉敷市芸文館
• [備考] マイクロ波ロケット
  • URL: http://www.kml.k.u-tokyo.ac.jp/mwp/ja/top.html
• [備考] Microwave Beaming Propulsion 研究概要
  • URL: http://www.kml.k.u-tokyo.ac.jp/mwp/ja/research50.html