超小型微小電力アークジェットノズルのマイクロファブリケーション

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12750813
• Research Institution: Tokai University
• Principal Investigator: 堀澤 秀之 東海大学, 工学部, 助教授 (30256169)
• Keywords: 電気推進 / 宇宙推進 / アークジェット推進器 / プラズマ推進器 / マイクロ推進器 / 微小電力 / レーザ微細加工 / 短パルス・紫外レーザ

Research Abstract

(1)ノズルの穴あけ加工
パルス幅が5nsec程度のQスイッチNd : YAGレーザの第5高調波(波長213nm)を用いて,パルス幅,照射エネルギ密度,パルス照射数を変化させて石英ガラス,サファイヤ,シリコンなどに照射したときの加工形状ならびに熱影響について評価し,より高品質・高精度の形状加工を実現する加工条件について検討した.加工痕については,走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて寸法・形状精度ならびに熱影響層深さについて評価した.その結果,第5高調波を用いた場合,その他の波長が長い場合に比べて,照射部および周辺部において熱影響の極めて少ない良好な加工痕が得られることが確認された.また,レーザ照射部と非照射部との境界が径方向ならびに深さ方向について明確であるため,パルス数を増大させることで,深さ方向の除去量制御も可能であることが分かった.
(2)微小推力測定器試作および推進性能評価
レーザ変位計を備えた推力測定装置(石英ガラス製)を試作し,較正実験を行い,安定に推力を測定可能なことを確認した.また,各種(1)ノズル材質および(2)サイズについて,(3)アーク電流,(4)プロペラント質量流量をそれぞれ変化させたときの(a)放電電圧および(b)推力を測定し,各場合の(c)比推力を算出することにより推進性能評価を行った.その結果,窒素を推進ガスに用いた場合に,投入電力3Wにおいて,最大で比推力140sec程度の推進性能が得られることを確認した.また,分光器を用いて放電室内部のプラズマのスペクトル分析を行い,(d)各種化学種の温度を測定し,プラズマ流の熱非平衡性について検討した.分子種の電子励起温度,振動励起温度,回転励起温度については,実測分子スペクトルを理論計算から得られるスペクトルにカーブフィットさせる手法を用いて評価した.その結果,典型的な作動条件において,放電室内部では熱的に非平衡であることが確認された.

Research Products

• [Publications] HORISAWA, Hideyuki: "Plasma Characterization in Laser Cutting"Proceedings of SPIE. Vol.3888. 82-89 (2000)
• [Publications] HORISAWA, Hideyuki: "Impinging Jet Characterization in a Laser Cut Kerf"Proceedings of SPIE. Vol.3888. 644-653 (2000)
• [Publications] HORISAWA, Hideyuki: "Very Low Power Arcjet Testing"Vacuum. Vol.59. 106-117 (2000)
• [Publications] HORISAWA, Hideyuki: "Plasma Behaviors in Laser Cutting"Proceedings of SPIE. Vol.4088. 280-283 (2000)
• [Publications] HORISAWA, Hideyuki: "Characterization of Novel Laser Accelerators for Space Propulsion"AIAA Paper. 2000-3487. 1-9 (2000)
• [Publications] TAMURA, Shin: "Laser Ablation of Sapphire with a Pulsed Ultra-Violet Laser Beam"Initiatives of Precision Engineering at the Beginning of a Millenium. 224-228 (2001)
• [Publications] HORISAWA, Hideyuki: "Gas Flow Characteristics in a Laser Cut Kerf"Initiatives of Precision Engineering at the Beginning of a Millenium. 339-343 (2001)
• [Publications] HORISAWA, Hideyuki: "Laser Plasma Accelerator for Space Propulsion"AIAA Paper. 2001-3662. 1-9 (2001)
• [Publications] HORISAWA, Hideyuki: "Very Low-Power DC Plasma Jet Microthrusters"AIAA Paper. 2001-3791. 1-9 (2001)
• [Publications] HORISAWA, Hideyuki: "Fundamental Study on Laser Plasma Accelerator for Space Propulsion Applications"Vacuum. (印刷中). (2002)
• [Publications] 堀澤 秀之: "アルミナ基板のレーザ援用ケミカルエッチング"レーザ協会誌. 第26巻. 15-21 (2001)
• [Publications] 本田 尚士: "環境圏の新しい燃焼工学"フジ・テクノシステム. 5 (1999)
• [Publications] Micci, M.: "Micropropulsion for Small Spacecraft"American Institute of Aeronautics and Astronautics. 18 (2000)