2014 Fiscal Year Annual Research Report
小型衛星打ち上げに向けたレーザー推進機の超音速安定飛行に関する研究
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13J05089
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 聖幸 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | レーザー推進 / マイクロ波推進 / レーザー動的制御法 / 電子サイクロトロン共鳴加熱 / 流体軌道結合計算 / プラズマフィラメント化 / 電子拡散抑制 / スケール則構築 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではビーム推進器の飛行安定性能を改善する為に世界で初めて「レーザー動的制御法」を提案し，飛行シミュレータを利用して提案手法の有用性を示した．遺伝的アルゴリズムを使用してレーザー照射位置を最適化する事でkmオーダーの高高度までビーム推進機が安定飛行可能であるという事を数値計算により示した．飛行シミュレータに風による外乱，レーザ走査システム時間遅れ，レーザー走査システム位置決め誤差を導入し，レーザー動的制御法による安定飛行のロバスト性を調べ，従来機体よりも慣性モーメントが大きな機体を使用する事で安定飛行性能が改良される事を示した．さらに三次元Sedov解を用いて獲得力積をモデル化する事でビーム推進機の 6 自由度飛行に関するスケール則を構築し，g級機体を使用した実験室スケールでの飛行実験からkg級機体を使用した実機スケールでの飛行を予測する事に成功した．また，ビーム推進機は低圧での推力低下が問題となるが，磁場によるプラズマ閉じ込めと共鳴加熱を利用する事で低圧での推進性能を改善出来る可能性がある事を粒子計算により世界で初めて明らかにした．磁場印可により駆動衝撃波を強めて推進性能が従来性能より400倍となるだけでなく，印可磁場によって放電プラズマ形状が離散的構造へと遷移する可能性が本研究により世界で初めて明らかになった．低圧での推力低下はビーム推進機の致命的な欠点であるが，外部磁場印可によりこれを克服出来る可能性を示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では，ビーム推進器の飛行安定性能を改善する為に世界で初めて「レーザー動的制御法」を提案した．さらにビーム推進機の 6 自由度飛行に関するスケール則を構築し，実験室スケールでの飛行実験を用いて実機スケールでの飛行を予測する事に成功した．これらの結果は International Journal of Aerospace Engineering に 1 報掲載されるだけでなく，AIAA Journal of Propulsion and Power に 1 報投稿中である．また外部磁場を印可する事で低圧での推進性能が改善される事をプラズマ粒子計算により示した．外部磁場印可により推進性能が改善されるだけでなく，放電プラズマ形状がフィラメント状へと遷移する事を世界で初めて明らかにした．この結果は high impact factor journal である Applied Physics Letters に掲載されている．またビーム推進の国際会議 2014 International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsionにおいて1 件の招待講演を行った事から，本研究成果は国際的に高く評価されていると言える．上述した様に優れた研究業績をあげる事が出来た為，本研究課題は当初の計画以上に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
磁場印可時の放電形状遷移は1次元粒子計算により捉える事が出来たが，粒子計算は計算コストが大きく，多次元における放電形状遷移を調べる事は難しい．従って，磁場印可時の放電形状を再現出来る多次元流体プラズマモデルの構築を行う．粒子計算から磁場印可時の電離周波数，拡散係数を算出し，移流拡散近似を施した流体プラズマモデルへと組み込む事により，粒子計算と矛盾の無い流体モデルを構築する．構築した流体プラズマモデルを使用して外部磁場印可時の電離構造及びエネルギー吸収分布を調査し，圧縮性流体計算コードと融合する事で外部磁場印可時の衝撃波伝播を再現して獲得可能推力を見積もる．機体形状や印可磁場分布を変化させて推力を最大化出来る機体形状，電磁コイル配置を設計する．さらに，印可磁場分布を変化させる事で共鳴加熱領域を任意の場所に作成して駆動衝撃波を制御し，安定飛行に必要な横力及び回転モーメントを発生させる事が出来るかを調査する．外部磁場を使った先進的な飛行制御装置を提案する予定である．
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