レーザー駆動管内加速装置:基礎物理の解明と実用展開

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13852014
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 佐宗 章弘 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (40215752)
• 研究分担者: 澤田 恵介 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (80226068) ; 小林 秀昭 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30170343) ; 谷内 哲夫 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教授 (80260446) ; 堀澤 秀之 東海大学, 工学部, 助教授 (30256169) ; 斎藤 務 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (00302224)
• キーワード: レーザー推進 / プラズマ / バリスティックレンジ

研究概要

今年度は、光学可視化、分光計測によってレーザー駆動管内加速装置におけるインパルス発生メカニズムに関して詳細に調べるとともに、大出力レーザーを用いた単発インパルス発生実験を行い、成果を得た。光学可視化実験では、レーザーエネルギーが気体に吸収されブラスト波を駆動するプラズマコアの生成を捉えた。それによって、プラズマコアは当初数値シミュレーションで仮定した球形とはかなり異なる形状をなし、レーザー光を前方照射した場合と後方照射した場合でも形状が異なることが確認された。これは、集光点付近のレーザー光パワー密度分布の違いによるものであり、プラズマコアは3μsのレーザーパルス照射時間にビームの入射方向に向かって吸収領域が伝播していくためである。また、ストリーク分光計測により、ArI、ArIIの線スペクトルの時間変化を計測し、プラズマコア中心部の最高温度が3〜5eVであることが確認された。出力380Jの炭酸ガスレーザーを用いて、大気中で1〜3グラムのプロジェクタイルを射出する実験を行い、流体力学的な閉じ込め効果を利用することでインパルスを約2倍に増加させることが可能であることを示した。さらに、無反力ではなくなるが、プロジェクタイル後方に食塩窓を固定して更に閉じ込め効果を高めると、インパルスはさらに倍増した。実験で得られたインパルス(1.3gのプロジェクタイルを160m/sで射出)は、スペースデブリ(宇宙塵)の低軌道への変換にも十分有効な値であり、今後の実用展開に道が開けた。超音速レーザー推進の実証実験の準備として、既存のラム加速器の駆動を火薬駆動からヘリウム駆動に改造し、プロジェクタイル射出性能実験を行い、3gのプロジェクタイルを700m/sで射出することが出来た。レーザーアブレーションを利用したインパルス生成では、雰囲気圧力の影響が大きく、現在それを詳細に調べ、来年度の自由飛行におけるレーザーインパルス発生実証実験の最終準備に掛かっている。

研究成果

• [文献書誌] Akihiro Sasoh, Maxim Kister, Naohide Urabe, Kazuyoshi Takayama: "Laser-Powerd Launch in Tube"Transactions of the Japan Society for Aeronautics and Space Sciences. 46・151. 52-54 (2003)
• [文献書誌] Shingo Matsuyama, Takeharu Sakai, Akihiro Sasoh, Keisuke Sawada: "Parallel Computation of Fully-Coupled Hypersonic Radiating Flowfield Using Multi-Band Model"Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 17. 21-28 (2003)
• [文献書誌] Yuichiro Hamate, Akihiro Sasoh, Kazuyoshi Takayama: "High Ram-Acceleration Using Open-Base Projectile"Journal of Propulsion and Power. 19. 190-195 (2003)
• [文献書誌] A.Sasoh, N.Urabe, S.Kim, I.-S.Jeung: "Impulse-Scaling in Laser-Driven in-Tube Accelerator"Applied Physics A. 77. 349-352 (2003)
• [文献書誌] Qiansuo Yang, Akihiro Sasoh: "Frequency Characteristics and Dynamical Behaviors of Self-Modulation in Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers"Optics Communications. 219. 307-315 (2003)
• [文献書誌] S.Matsuyama, N.Ohnishi, A.Sasoh, K.Sawada: "Distributed-memory Parallelization of Radiative Transfer Calculation in Hypersonic Flow"Parallel Computational Fluid Dynamics-New Frontiers and Multi-Disciplinary Applications. 491-498 (2003)
• [文献書誌] Yasuhiro Ogami, Hideaki Kobayashi: "A Study of Laminar Burning Velocity for H2/O2/He Premixed Flame at High Pressure and High Temperature"The 6th ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference. TED-AJ03. 375 (2003)
• [文献書誌] Yasuhiro Ogami, Hideaki Kobayashi, Masaki Mitsuya, Hiroki Saito, Takashi Niioka: "Experimental and Numerical Study of Laminar Burning Vrlocity for CH4/Air Premixed Flame at Elevated Pressure and Temperature"The 4th Asia-Pacific Conference on Combustion. 27-30 (2003)
• [文献書誌] H.HORISAWA, ほか4名: "Discharge Characteristics of a Laser-Assisted Plasma Thruster"Proceedings of the 28th International Electric Propulsion Conference. 3-75 (2003)
• [文献書誌] H.HORISAWA, ほか4名: "Fundamental Study of a Relativistic Laser-Accelerated Plasma Thruster, Beamed Energy Propulsion"AIP conference proceedings. 664. 411-422 (2003)
• [文献書誌] H.HORISAWA, ほか4名: "Fundamental Study of a Relativistic Laser-Assisted Plasma Thruster, Bcamed Energy"AIP conference proceedings. 664. 423-432 (2003)
• [文献書誌] H.HORISAWA, ほか4名: "Plasma Behaviors in a Laser-Assisted Plasma Thruster"AIAA. 2003-5028. (2003)
• [文献書誌] H.HORISAWA, ほか4名: "Ignition Characteristics of Laser-Induced Plasmas in Supersonic Combustion"AIAA. 2003-5049. (2003)
• [文献書誌] 堀沢秀之: "小型レーザープラズマ推進機"日本航空宇宙学会誌. 54・4. 191-196 (2003)
• [文献書誌] TSUCHIYA, J.NEGISHI, Y.OHKAWA, H.HORISAWA, I.KIMURA: "Laser-Induced lgnition Characteristics in Supersonic Airstreams"Advances in Applied Plasma Science. 4. 181-186 (2003)
• [文献書誌] EMURA, H.HORISAWA, N.YASUNAGA: "Microfabrication of Sapphire with Fifth Harmonic Generation YAG Laser Pulses"Advances in Applied Plasma Science. 4. 349-354 (2003)
• [文献書誌] M.Shinozaki, M.Sakai, S.Yamaguchi, T.Fujioka, M.Fujii: "S1-SO electronic spectrum of jet-cooled m-aminophenol"Phys.Chem.Chem.Phys.. 5. 5044-5050 (2003)
• [文献書誌] S.Ohara, S.Yamaguchi, M.Takahashi, M.Endo, K.Nanri, T.Fujioka: "Performance Characteristics of Power Build-Up Cavity for Raman"Spectroscopic Measurement. Opt.Rev.10-5. 342-345 (2003)
• [文献書誌] T.Taniuchi, H.Nakanichi: "Continuously tunable terahertz-wave generation in GaP crystal by collinear difference frequency mixing"Electron.Lett.. 40-5. 327-328 (2004)
• [文献書誌] T.Taniuchi, S.Okada, H.Nakanishi: "Widely tunable THz-wave generation in 2-20THz range from DAST crystal by nonlinear difference frequency mixing"Electron.Lett.. 40-1. 60-63 (2004)