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Acta Astronauic, 19(1989),73-86

1.Basic mass kgMain keel 650水素タンク 1270酸素タンク 11集光・冷却部 1225推進機・光学系 110Orbital Manouver system 40Reaction Control System 30Momentum Control System25通信・航法 400SP固定部品 140 合計 3901

2.Propellant水素 6358酸素 702strable 200 合計 7260

3.Payload6805 合計 6805

総計 17966

Specific power 5×10-6 kg/WTankage factor 0.15LP 性能

他の推進システムとの比較

LP Ion engine Arc J et ChemicalIsp 400-2000 3000-10000 400-1500 400 0.3 0.6-0.8 0.3-0.5 - -

Specific mass 5× 10-6 1× 10-2 1× 10-2 - -Tankage factor 0.15 0.1 0.1 0.1

重量電力比を極めて小さくできる可能性

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

e

e

u

Vuexp1

1

11

2

pwrprop

t

2

Wkg

Wkg

u

pwr

prop

e

/,:

/,:

:

:

:

電源システム比重量

推進システム比重量推進効率排気速度構造重量

速度増分:V

LEO-GEO 遷移

軌道パラメタ, km軌道高度 , °軌道傾斜角

LEO 350 35GEO 42,164 0

必要速度増分 4,858 km/ s

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 100 10000 1000000

()1/2

ue:50000

ue:10000

⊿ V: 4.8582 km/s

ue:100000

ペイロード比

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.01 1 100 10000day

ue:50000

ue:10000

⊿ V: 4.8582 km/sηt : 50 %

レーザー推進

ue:100000(80%)

アーク

レーザー推進は高速輸送システム

e

e

u

Vuexp1

1

11

2

運搬能力の目安

ミッション時間 をををををををを 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 20 40Time, hour

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 50000 100000Time, hour

LP

EP

e

e

opt

uV

u

exp

1uV

exp12 2

e

12

expeuV

opt

ミッション時間

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Efficiency

op

t, s

10000

15000

20000

Exhaust velocity

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

100000000

1.00E-06 1.00E-04 1.00E-02 1.00E+00

Specific mass, kg/W

op

t, s

10000

15000

20000

Exhaust velocity

重量電力比が小さく，高効率ほど高速に輸送できる

=5e-6 kg/W

LP EP

ペイロード比

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 50000 100000

Exhaust velocity, m/s

Pay

load

rat

io

0.1

0.2

0.3

Tankage factor

12

expeuV

opt

高比推力

高ペイロード比

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、、、

インフラ整備費用を低減する高効率高 Isp

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

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

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

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

, W/ (mK)熱伝導率 , kg/ m3密度 , K許容温度0.0009 104 22 - 300

@ 300K チタン合金Ti-6AL-4V

アルミ合金AA6061 FRP ステンレス

SUS304, Pa引っ張り強さ 1.2E+09 3.1E+08 1.5E+08 6.0E+08

, kg m密度 -3 4500 2690 1500 7930

, N m kg比強度 -1 2.6E+05 1.2E+05 9.8E+04 7.6E+04

水素脆性に優れた AA6061 が適当

関係式

熱バランス

tradin PPP

SAPin 14

2 TAPrad

2

3

3Ht TT

t

AP

)(:

:

:

:

:

:

3.0:

/1353:

:

:

2

2

2

1

KT

t

T

A

mWS

A

H 水素沸点断熱材熱伝導率断熱材厚み表面温度放射面積熱放射率

アルベド軌道上：

太陽輻射強度

太陽光照射面積吸収率

表面温度

表面温度による熱放出割合

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

50 250 450

Surface temperature, K

Power per area, W/m2

Radiation

Conduction, t: 1mm

Conduction, t:10mm

Conduction, t:100mm

K

A

SAT

176~

4

2

1

輻射バランス→厳しい見積もり

解析結果

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

0 5 10 15 20 25 30

Tank radius, m

Boil-off fraction, /day

Insulator 1mm

Insulator 10 mm

Insulator 100 mm

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30

Tank radius, mHydrogen-tank mass ratio

Insulator 1mm

Insulator 10 mm

Insulator 100 mm

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

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

エネルギ変換過程Laser Energy

not absorbedabsorbed

conductionconvection

Enthalpy of gasradiation

LSP

Efficiency

Mass flow rate

Specific impulse

Electron kineticenergy

Internal energy

Propulsive energy

比推力

決定因子 レーザーパワー 効率 質量流量

m

P

gI lasersp

21

),(

),,,(

pv

PApv

flow

laserflow

一次近似的に、、、

21 mI sp

比推力　 -実験結果 -

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

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 , slm流量

Est

imate

d

Isp ,

sec

0.7mmスロート径

1.0mmスロート径

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 0.5 1 1.5 , g/ s流量

交換効率吸収効率エネルギー変換効率

Specific impulseSpecific impulse EfficiencyEfficiency

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

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

効率

Laser Heated gas

無限空間でのエネルギ変換

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

効率に関する実験的研究%

of

Inci

dent

Pow

er

Velocity , cm/s

absorption

radiation

720 W2.5 atm

50%

AIAA-86-1077“Energy Conversion Efficiency in High-Flow Laser-Sustained Argon Plasmas”, R.Welle, D. Keefer, et al., Univ. of Tennessee Space Institute.

% o

f In

cide

nt P

ower

absorption

50%

radiation

720 W3.1 g/s

Pressure , atm

高圧ほど輻射大流速大→吸収増

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

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0Velocity , m/s

Fra

ctio

n of

Inc

iden

t Pow

er

◇ absorption(1.6atm)

◆ absorption(1.2atm)

△ radiation(1.6atm)

▲ radiation(1.2atm)

absorption(2.5atm)Welle et al.radiation(2.5atm)Welle et al.

×

+

0.38

0.44 0.53

Reduce0.47 0.44

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2Pressure , atm

Fra

ctio

n of

Inc

iden

t Pow

er

absorption(3.0 m/s)absorption(5.0 m/s)radiation(3.0 m/s)radiation(5.0m/s)

効率に関する実験的研究 -2

なぜ効率が向上したのか？

1.2 atm, 3.0 m/s

2.0 atm, 3.0 m/s

1.6 atm, 6.4 m/s

1.6 atm, 0.5 m/s

0 5mm

0)()()exp(1 uATTFL

ALTALLPin

absorption radiation radialconduction axial conduction axial convection

2R 2R 2R1~0R

小断面

軸方向に長く

輻射の割合を低減

吸収増

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】

0

1

2

3

4

5

6

7

0.8 1 1.2 1.4pressure ,atm

velo

city

, m

/s

700 W

900 W

設計指針

高流速かつ低圧の流れ場

),(~ AAtFu

),,,(~ mPAtFp

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】

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

Zerkle 等による指摘D.K.Zerkle and Herman KrierAIAA Journal(1994) Non-local Thermodynamic Equilibrium in Laser-Sustained Plasmas

Kinetic equilibrium criteria (Griem; Plasma spectroscopy)

9

105.1~105.52

122

M

m

Tk

EnE e

eb

He

10

812

5

0

2 104~103109.8

10

1000

~

c

IE

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 - H 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）

Non-LTE （ kinetic) の影響が非常に大きい

1~2 atm程度の雰囲気では…

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 lossHeavy particle inner energyElectron kinetic energy

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

DHHHee TnTnkp 1

eb

laebe

exaexa

exiexiaie Tk

E

h

Tkm

TZ

TZnnn exp

2

)(

)(2

23

eexaexi TTT

Debye-Hukklet補正は考慮しない

Hi

eH

nn

TT

10

重粒子温度の影響

2

4)1()1( 22

EE

E

電離度

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Non-equilibrium in Heavy particle temperature, K

Cha

nge

in io

niza

tion

degr

ee

重粒子温度の低下

電離度の低下

での電離度LTEE :

重粒子温度の影響

E

HE

H

n

n 1重粒子密度

重粒子温度の低下

重粒子密度の増加0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0.5 1Non-equilibrium in Heavy particle

temperature, K

Ch

an

ge

in h

ea

vy p

art

icle

nu

mb

er

de

nsi

ty

0.01

0.05

0.1

0.5

E

ne * ni / ne * nn

Kinetic non-equilibrium

圧力が高まる効果と類似

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 0.5 1Non-equilibrium in Heavy particle

temperature, K

Ch

an

ge

0.01

0.05

0.1

0.5

E

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 0.5 1Non-equilibrium in Heavy particle

temperature, K

Ch

an

ge

0.01

0.05

0.1

0.5

E

ienn nenn

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？

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

Frozen flow loss

J. Appl. Phys. Vol.92(2002) 2622

ICP expansion T,Te

膨張部における Flozen flow loss は知られている

Frozen flow loss-2