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CW レーザー推進研究

CW レーザー推進研究. 荒川・小紫研究室 D1 井上孝祐. 発表内容. CW レーザー推進システムスタディ CW レーザー推進の位置付け 水素推進剤輸送問題 研究課題 これまでの研究成果 今後の展望. OTV ( Orbital Transfer Vehicle). 物資輸送 例： LEO　 →　 GEO 通信/気象衛星 SPS 推進システム評価パラメタ 推進性能 推力 比推力 経済性 ペイロード比 ミッション時間. LEO-GEO Transfer ( After Nakano et.al.). Alan 等のシステムスタディ.

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Presentation Transcript

  1. CWレーザー推進研究 荒川・小紫研究室 D1 井上孝祐

  2. 発表内容 • CWレーザー推進システムスタディ • CWレーザー推進の位置付け • 水素推進剤輸送問題 • 研究課題 • これまでの研究成果 • 今後の展望

  3. OTV ( Orbital Transfer Vehicle) • 物資輸送 • 例：LEO　→　GEO • 通信/気象衛星 • SPS • 推進システム評価パラメタ • 推進性能 • 推力 • 比推力 • 経済性 • ペイロード比 • ミッション時間 LEO-GEO Transfer ( After Nakano et.al.)

  4. Alan等のシステムスタディ • Acta Astronauic, 19(1989),73-86 Specific power 5×10-6　kg/W Tankage factor 0.15 LP性能

  5. 他の推進システムとの比較 重量電力比を極めて小さくできる可能性

  6. OTV ミッション • ペイロード比 • 推進システムで決定するパラメタ • ミッションで決定するパラメタ

  7. LEO-GEO遷移 • 軌道パラメタ ペイロード比 レーザー推進は高速輸送システム

  8. 運搬能力の目安 • ミッション時間 • L/tを最大にする時間 LP EP

  9. ミッション時間 a=5e-6 kg/W EP LP 重量電力比が小さく，高効率ほど高速に輸送できる

  10. ペイロード比 高比推力 高ペイロード比

  11. LPの優位性を高める • 大型構造物建造ミッション • ミッション時間に制限 • コスト • Laser propulsion ：高速ピストン輸送 • （インフラ整備）＋（OTV製作費） • Electric propulsion：低速大量輸送 • （OTV製作費）×（製作台数）/（MPの効果） LPの優位性を高めるためには、、、 高効率 高Isp インフラ整備費用を低減する

  12. 要素技術の課題 • 推進機 • 集光系 • 対ビーム装甲 • 推進剤貯蔵 • 水素の漏れ量がミッション時間に制約を与える • 周辺システム • レーザ発振基地 • ミラー衛星

  13. 水素貯蔵方法 水素利用技術集成, エヌ・ティーエス, 2003年11月

  14. 液体水素タンク • 液体水素貯蔵問題 • 熱バランス • 輻射熱入力（太陽光） • 輻射放出 • ボイルオフ • 解析モデル • タンクを独立要素として扱う • 衛星周辺機器との熱交換は無視 • 10 atmに耐え得る球形容器とする

  15. 材料パラメタ • 表面材料 • OSR • 断熱材 • 真空パーライト • 構造材料 水素脆性に優れたAA6061が適当

  16. 関係式 • 熱バランス

  17. 表面温度 • 表面温度による熱放出割合 輻射バランス →厳しい見積もり

  18. 解析結果 断熱材厚み 10mm 100mm ボイルオフ 5 %/day 1 %/day 数日程度のミッション時間では本質的な問題とはならない

  19. まとめ-1 • CWレーザー推進は， • 高速輸送システムと位置付けられる • 優位性を高めるためには、、、 • 低重量電力比 • 高効率/高Isp 推進機研究としては、、、 高Isp（1000ｓ~1500s）で高効率を目指す

  20. エネルギ変換過程 Laser Energy Efficiency LSP not absorbed absorbed Electron kinetic energy conduction convection Enthalpy of gas radiation Internal energy Mass flow rate Propulsive energy Specific impulse

  21. 比推力 • 決定因子 • レーザーパワー • 効率 • 質量流量 一次近似的に、、、

  22. 比推力　-実験結果- Specific impulse Efficiency m-1/2の傾向は比較的良く合うが，.効率が低下する 水素で同様の傾向ならば、、、【課題１】 高比推力を達成することは難しくない

  23. 研究課題 • 効率を決定する物理的背景を明らかにする • 高効率化/効率限界 • スケーリング則

  24. 効率 • 決定因子 • 示量性 • 流量，レーザーパワー，流路断面積 • 示強性 • 圧力，流速

  25. 効率 無限空間でのエネルギ変換 Heated gas Laser 示強性のパラメタが決定 実際には、、、 示量性のパラメタも影響

  26. 効率に関する実験的研究 AIAA-86-1077 “Energy Conversion Efficiency in High-Flow Laser-Sustained Argon Plasmas”, R.Welle, D. Keefer, et al., Univ. of Tennessee Space Institute. 720 W 3.1 g/s 720 W 2.5 atm absorption absorption radiation 50% 50% % of Incident Power % of Incident Power radiation Pressure , atm Velocity , cm/s 流速大→吸収増 高圧ほど輻射大

  27. 効率に関する実験的研究-2 • より低い圧力で高速な気流ほどエネルギ変換効率が高いことが分かった 0.38 0.44 0.44 0.53 0.47 Reduce

  28. 2.0 atm, 3.0 m/s 0 5mm 1.6 atm, 6.4 m/s 1.2 atm, 3.0 m/s 1.6 atm, 0.5 m/s 効率に関する実験的研究-2 • なぜ効率が向上したのか？ 小断面 輻射の割合を低減 軸方向に長く 吸収増 absorption radiation radial conduction axial convection axial conduction

  29. 効率限界 • パワー依存性 高出力ほど，低圧かつ高流速を達成できる どこまで効率を高められるか？【課題２】

  30. 設計指針 • 高流速かつ低圧の流れ場 高Isp　→ 無限空間の近似が成立しない 流線の変化によるプラズマ形状の変化 壁面熱損失の増大 二次元性の効果【課題３】

  31. 今後の課題 • 水素での作動予想 • どこまで効率を高められるか？ • より低圧（高レーザー出力） • より高速 • 二次元性の効果 数値解析的 アプローチ 実験的 アプローチ

  32. Non-LTE（kinetic)の影響が非常に大きい Zerkle等による指摘 D.K.Zerkle and Herman Krier AIAA Journal(1994) Non-local Thermodynamic Equilibrium in Laser-Sustained Plasmas Kinetic equilibrium criteria (Griem; Plasma spectroscopy) Kinetic nonequilibrium Boltzmann nonequilibriumの可能性も指摘されているが，Kinetic nonequilibriumの影響は無視できない 分光測定 　電子密度 - Haのシュタルク広がり 　重粒子/電子温度分布 -発光分光（電子励起温度測定） 1~2 atm程度の雰囲気では…

  33. Kinetic non-equilibriumの影響 • 推進性能 • レーザー吸収係数 • 放出係数 • 電子/イオン/中性粒子数密度 • 電子温度 • Frozen flow loss • Heavy particle inner energy • Electron kinetic energy

  34. 評価モデル • 状態方程式 • 質量作用の法則（Gibbs 自由エネルギー最小） • 電子温度=電子励起温度 • 電子温度:Fix / β：Variable Debye-Hukklet補正は考慮しない

  35. 重粒子温度の影響 • 電離度 重粒子温度の低下 電離度の低下

  36. 重粒子温度の影響 • 重粒子密度 重粒子温度の低下 重粒子密度の増加

  37. ne * ni / ne * nn Kinetic non-equilibrium 圧力が高まる効果と類似

  38. Kinetic non-equilibriumの効果 効率向上 • 低圧力で，より高強度な位置でLSP生成 • 非平衡性により，低圧の効果が打ち消される？

  39. 研究課題 • 二温度モデルによる数値解析 • 非平衡性の実験的検証

  40. Frozen flow loss ICP expansion T,Te J. Appl. Phys. Vol.92(2002) 2622 膨張部におけるFlozen flow loss は知られている

  41. Frozen flow loss-2

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