高強度電磁ビームにより駆動される次世代ロケットの飛翔技術確立

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17K14872
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 高橋 聖幸 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00794067)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: ビーム推進 / 衝撃波 / プラズマ / 力積計測

研究実績の概要

ビーム推進システムは地上から機体に向かって高強度ビームを照射し，燃料を搭載せずにペイロードを宇宙空間へと輸送する事で輸送コストを削減する打ち上げシステムである．ビーム推進機の安定飛行を維持する為には，照射ビームに横方向及び角度方向オフセットが存在する際，それぞれのオフセットに対する復元力を発生させる必要があるが，従来機体では角度方向復元力は獲得出来ない．従って本研究では，センタリング復元力に加えてチルト復元力を獲得可能な新しいビーム推進機を提案し，数値流体力学計算を実施する事で性能を評価した．数値流体力学計算によると，角度方向オフセットを持たせてビームを照射した場合，放物ミラーによって斜めに反射されたビームより大気絶縁破壊が誘起され，プラズマ及び衝撃波を駆動し，角度方向復元力を獲得出来る事が示された．またビーム照射系及び機体を製作して放電実験を実施し，高速度カメラ，ナイフエッジ，及びシュリーレンレンズを使用して流体場のシュリーレン撮影を実施した所，ビーム照射によって誘起される衝撃波を捉える事が出来た．ばね，ベアリング，及び支持棒を組み合わせた横方向力積・角力積計測装置を構築し，ビーム推進機が獲得出来る力積を調査した所，センタリング復元力と角度方向復元力を獲得する事が出来，提案機体により飛行安定性改善が可能である事が示された．また機体後部に新たに放物面ミラーを設置する事で集光点でのビーム強度を高め，従来機体と比較しておよそ 3 倍の軸方向力積を獲得出来る事が示された．この提案機体を確立出来れば，ビーム推進機によるペイロード輸送効率を改善可能である．

研究成果

• [国際共同研究] University of Glasgow(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Glasgow
• [雑誌論文] Effect of Multi-mode Interaction on Hypersonic Boundary Layer Instability (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Uda, M. Takahashi, N. Ohnishi, and H. Tanno
  • 雑誌名: Proceedings of AIAA Scitech 2020 Forum 巻: 2020 ページ: AIAA 2020-1821
  • DOI: 10.2514/6.2020-1821
• [雑誌論文] Separation Control and Performance Improvement of a Supersonic Airfoil Using Repetitive Pulses (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Takahashi, N. Ohnishi, M. Myokan, A. Kubota, H. Bottini, A. Iwakawa, A. Sasoh, and F. Gnani
  • 雑誌名: Proceedings of the 32nd International Symposium on Shock Waves 巻: 2019 ページ: 1029-1032
  • DOI: 10.3850/978-981-11-2730-4_0199-cd
  • 国際共著
• [雑誌論文] Numerical Simulation of Microwave-Driven In-Tube Accelerator (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Takahashi and N. Ohnishi
  • 雑誌名: Proceedings of 32nd International Symposium of Space Technology and Science 巻: 2019 ページ: 2019-b-087p
• [雑誌論文] Two-dimensional Axisymmetric Simulation for Plasma Acceleration in Electrodeless Plasma Thruster Using an m=0 Coil (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamakawa, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 雑誌名: Proceedings of 32nd International Symposium of Space Technology and Science 巻: 2019 ページ: 2019-b-073
• [雑誌論文] Numerical Simulation of Particle Acceleration in Traveling Magnetic Field Thruster (2019)
  • 著者名/発表者名: H. S. Kumar, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 雑誌名: Proceedings of 32nd International Symposium of Space Technology and Science 巻: 2019 ページ: 2019-b-076
• [雑誌論文] Proposal of a Plasma Actuator for Enhanced Electrohydrodynamic Force Generation Toward Low-voltage Operation (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Sato, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 雑誌名: Proceedings of 32nd International Symposium of Space Technology and Science 巻: 2019 ページ: 2019-e-20
• [雑誌論文] Proposal and Performance Evaluation of Microwave-driven In-tube Accelerator Concept (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Takahashi
  • 雑誌名: Proceedings of the 36th International Electric Propulsion Conference 巻: 2019 ページ: IEPC-2019-A577
• [雑誌論文] Numerical Analysis of Plasma Acceleration Driven by Loop Coil in Electrodeless Thruster (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamakawa, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 雑誌名: Proceedings of the 36th International Electric Propulsion Conference 巻: 2019 ページ: IEPC-2019-A573
• [雑誌論文] Two-dimensional Full Particle-in-Cell Simulation of Magnetic Sails in Formation Flight (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Wada, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 雑誌名: Proceedings of the 36th International Electric Propulsion Conference 巻: 2019 ページ: IEPC-2019-A829
• [雑誌論文] Numerical Simulation and Theoretical Analysis of Particle Acceleration in Traveling Magnetic Field Thruster (2019)
  • 著者名/発表者名: H. S. Kumar, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 雑誌名: Proceedings of the 36th International Electric Propulsion Conference 巻: 2019 ページ: IEPC-2019-A795
• [雑誌論文] Numerical Study of Hypersonic Boundary Layer Instability and Unstable Modes Interaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Uda, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 雑誌名: Proceedings of the 32nd International Symposium on Shock Waves 巻: 2019 ページ: OR-24-0398
• [雑誌論文] Influence of Shock-adaptive Mesh Refinement on Numerical Solution of Hypersonic Flow (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Sakamoto, K. Kitazono, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 雑誌名: Proceedings of the 32nd International Symposium on Shock Waves 巻: 2019 ページ: OR-11-0396
• [学会発表] Effect of Multi-mode Interaction on Hypersonic Boundary Layer Instability (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Uda, M. Takahashi, N. Ohnishi, and H. Tanno
  • 学会等名: AIAA Scitech 2020 Forum
  • 国際学会
• [学会発表] Separation Control and Performance Improvement of a Supersonic Airfoil Using Repetitive Pulses (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Takahashi, N. Ohnishi, M. Myokan, A. Kubota, H. Bottini, A. Iwakawa, A. Sasoh, and F. Gnani
  • 学会等名: 32nd International Symposium on Shock Waves
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Simulation of Microwave-Driven In-Tube Accelerator (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Takahashi and N. Ohnishi
  • 学会等名: 32nd International Symposium of Space Technology and Science
  • 国際学会
• [学会発表] Two-dimensional Axisymmetric Simulation for Plasma Acceleration in Electrodeless Plasma Thruster Using an m=0 Coil (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamakawa, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 学会等名: 32nd International Symposium of Space Technology and Science
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Simulation of Particle Acceleration in Traveling Magnetic Field Thruster (2019)
  • 著者名/発表者名: H. S. Kumar, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 学会等名: 32nd International Symposium of Space Technology and Science
  • 国際学会
• [学会発表] Proposal of a Plasma Actuator for Enhanced Electrohydrodynamic Force Generation Toward Low-voltage Operation (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Sato, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 学会等名: 32nd International Symposium of Space Technology and Science
  • 国際学会
• [学会発表] Proposal and Performance Evaluation of Microwave-driven In-tube Accelerator Concept (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Takahashi
  • 学会等名: 36th International Electric Propulsion Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Analysis of Plasma Acceleration Driven by Loop Coil in Electrodeless Thruster (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamakawa, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 学会等名: 36th International Electric Propulsion Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Two-dimensional Full Particle-in-Cell Simulation of Magnetic Sails in Formation Flight (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Wada, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 学会等名: 36th International Electric Propulsion Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Simulation and Theoretical Analysis of Particle Acceleration in Traveling Magnetic Field Thruster (2019)
  • 著者名/発表者名: H. S. Kumar, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 学会等名: 36th International Electric Propulsion Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Influence of Shock-adaptive Mesh Refinement on Numerical Solution of Hypersonic Flow (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Sakamoto, K. Kitazono, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 学会等名: 32nd International Symposium on Shock Waves
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Study of Hypersonic Boundary Layer Instability and Unstable Modes Interaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Uda, M. Takahashi, and N. Ohnishi
  • 学会等名: 32nd International Symposium on Shock Waves
  • 国際学会