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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
1.Basic mass
Acta Astronauic, 19(1989),73-86
kg
M ain 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
110
O rbitalM anouver system 40
R eaction C ontrolSystem 30
M om entum C ontrolSystem25
通信・航法
400
SP 固定部品
140
合計 3901
水素
酸素
strable
6358
702
200
合計 7260
6805
合計 6805
2.Propellant
3.Payload
総計 17966
LP性能
Specific power 5×10-6 kg/W
Tankage factor 0.15
他の推進システムとの比較
LP
Isp
400-2000
0.3

Specific m ass
5×10-6
Tankage factor
0.15
Ion engine
3000-10000
0.6-0.8
1×10-2
0.1
A rc Jet
400-1500
0.3-0.5
1×10-2
0.1
重量電力比を極めて小さくできる可能性
C hem ical
400
--0.1
OTV ミッション
ペイロード比


 V  
 ue2
1 


  1 

1  exp 
 


  1   
 ue  
推進システムで決定するパラメタ
 : 構造重量
ue : 排気速度
 : 推進効率
 prop : 推進システム比重量 , kg / W
 pwr : 電源システム比重量 , kg / W

ミッションで決定するパラメタ
V : 速度増分
2t
 prop   pwr
LEO-GEO遷移
軌道パラメタ
ペイロード比
 V  
 ue2
1 


  1 

1  exp 
 


  1   
 ue  
LEO
G EO
必要速度増分
軌道高度,km
軌道傾斜角,°
350
35
42,164
0
4,858 km /s
レーザー推進は高速輸送システム
1
運搬能力の目安
0.9
0.8
0.7

0.6
0.4
ミッション時間

0.5
0.3
0.2
/を最大にする時間
LP
0.1
0
0
40
1
0.9
0.8
0.7
0.6

 opt


 V 2


21  exp  
ue 1   
u
e 


 
  V  
   
 exp  
  ue  
20
Time, hour
0.5
0.4
  
opt
 V 
  
exp  
u
e 


21   
0.3
0.2
EP
0.1
0
0
50000
Time, hour
100000
ミッション時間
=5e-6 kg/W
14000
100000000
Exhaust velocity
10000000
12000
1000000
10000
10000
15000
20000
opt , s
opt , s
100000
10000
8000
6000
1000
Exhaust velocity
100
10
LP
10000
15000
20000
EP
2000
0
1
1.00E-06
4000
1.00E-04
1.00E-02
1.00E+00
0
0.2
0.4
0.6
Efficiency
Specific mass, kg/W
重量電力比が小さく，高効率ほど高速に輸送できる
0.8
1
ペイロード比
0.5
  
Payload ratio
0.4
opt
 V 
  
exp  
u
e 


21   
高比推力
0.3
0.2
Tankage factor
0.1
0.2
0.3
0.1
0
0
50000
Exhaust velocity, m/s
100000
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
0.1
太陽光吸収率,α
0.8
熱放射率,ε
断熱材

真空パーライト
熱伝導率,W /(m K) 密度,kg/m 3 許容温度,K
0.0009
104
22 - 300
構造材料
チタン合金
Ti-6A L-4V
引っ張り強さ,Pa 1.2E+09
4500
密度,kg m -3
比強度,N m kg-1 2.6E+05
@ 300K
アルミ合金
A A 6061
3.1E+08
2690
1.2E+05
FR P
1.5E+08
1500
9.8E+04
水素脆性に優れたAA6061が適当
ステンレス
SU S304
6.0E+08
7930
7.6E+04
関係式
 : 吸収率
熱バランス
A1 : 太陽光照射面積
軌道上：1353W / m 2 
S : 太陽輻射強度

 アルベド : 0.3 
 : 熱放射率
Pin  Prad  Pt
Pin  A1 S
Prad  A2T

A2 : 放射面積
4
A3
Pt 
 T  TH 2
t3
T : 表面温度

t : 断熱材厚み
 : 断熱材熱伝導率
TH 2 : 水素沸点( K )
表面温度
表面温度による熱放出割合
100000
輻射バランス
→厳しい見積もり
Radiation
Power per area, W/m2
Conduction, t: 1mm
10000
Conduction, t:10mm
Conduction, t:100mm
A1S
T 4
A2
1000
100
10
~ 176 K
1
0.1
50
250
450
Surface temperature, K
解析結果
1
6
Boil-off fraction, /day
Insulator 10 mm
Insulator 100 mm
0.1
0.01
0.001
Hydrogen-tank mass ratio
Insulator 1mm
5
4
3
Insulator 1mm
2
Insulator 10 mm
1
Insulator 100 mm
0
0.0001
0
5
10
15
20
25
30
Tank radius, m
断熱材厚み 10mm
ボイルオフ 5 %/day
0
5
10
15
20
Tank radius, m
100mm
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
25
30
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
Efficiency
LSP
not absorbed
absorbed
conduction
convection
radiation
Enthalpy of gas
Electron kinetic
energy
Internal energy
Mass flow rate
Specific impulse
Propulsive energy
比推力
1
I sp 
g
2Plaser
m
決定因子



レーザーパワー
効率
質量流量
   (v flow, p, A, Plaser )
  (v flow, p)
一次近似的に、、、
1 2

I sp  m
比推力 -実験結果Specific impulse
Estimated Isp , sec
300
スロート径1.0m m
250
Efficiency
0.6
0.5
スロート径0.7m m
200
0.4
150
0.3
100
0.2
50
0.1
0
0
0
20
流量 ,slm
40
60
交換効率
吸収効率
エネルギー変換効率
0
0.5
1
流量 ,g/s
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
1.5
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
無限空間でのエネルギ変換
Laser
Heated gas
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
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
absorption
radiation
50
%
% of Incident Power
% of Incident Power
720 W
2.5 atm
absorption
radiation
50
%
Velocity , cm/s
Pressure , atm
流速大→吸収増
高圧ほど輻射大
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
◆ absorption(1.2atm)
△ radiation(1.6atm)
Fraction of Incident Power
1.0
▲ radiation(1.2atm)
absorption(2.5atm)
Welle et al.
+ radiation(2.5atm)
Welle et al.
×
0.8
0.38
0.6
0.44
0.4
0.53
Reduce
0.2
Fraction of Incident Power
◇ absorption(1.6atm)
1.0
absorption(3.0 m/s)
absorption(5.0 m/s)
radiation(3.0 m/s)
radiation(5.0m/s)
0.8
0.6
0.4
0.47
0.44
0.2
0.0
0.0
0.0
2.0
4.0
6.0
Velocity , m/s
8.0
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
Pressure , atm
効率に関する実験的研究-2
なぜ効率が向上したのか？
0 5mm
小断面
輻射の割合を低減
2.0 atm, 3.0 m/s
1.6 atm, 0.5 m/s
軸方向に長く
吸収増
1.2 atm, 3.0 m/s
1.6 atm, 6.4 m/s
Pin 1  exp(L)   AL  (T ) L 
absorption
radiation
 R2
A
F (T )  uAT  0
L
radial
axial conduction axial convection
conduction
 R 0~1
 R2
 R2
効率限界
パワー依存性
7
700 W
900 W
6
velocity , m/s
5
4
3
2
1
0
0.8
1
1.2
pressure ,atm
1.4
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】
設計指針
高流速かつ低圧の流れ場
u ~ F ( At, A)
p ~ F ( At, P, , m)
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
実験的
アプローチ
数値解析的
アプローチ
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)
2
9

E  m
E 2  5.5 10 12 ne H  e ~ 1.5 10
kbTe  M

1000
I
10 5
E2 
~
~ 4 1010
12
8
 0c 8.9 10 3 10



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）
1~2 atm程度の雰囲気では…
Non-LTE（kinetic)の影響が非常に大きい
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
評価モデル

状態方程式
p  k neTe  nH TH 1   DH 
TH  Te
0    1
ni  nH
Debye-Hukklet補正は考慮しない

質量作用の法則（Gibbs 自由エネルギー最小）
Z (T )  2me kbTe 
ne ni na  2 exi exi 

Z exa (Texa ) 
h


32
  Ela 

exp 
 kbTe 
電子温度=電子励起温度
Texi  Texa  Te

電子温度:Fix / β：Variable
重粒子温度の影響
電離度
2
  (   1) E  (   1) 2 E  4 

E
2
 E : LTEでの電離度
Change in ionization degree
1
重粒子温度の低下
0.8
0.6
0.4
電離度の低下
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Non-equilibrium in Heavy particle temperature, K
1
重粒子温度の影響
nH 1   E

nHE   
Change in heavy particle number density
重粒子密度
16
E
14
重粒子温度の低下
0.01
12
0.05
0.1
10
0.5
8
6
4
重粒子密度の増加
2
0
0
0.5
Non-equilibrium in Heavy particle
temperature, K
1
n e * ni / n e * nn
5
5
4.5
4
3.5
3.5
3
3
2.5
2
E
2.5
0.01
1.5
1
0.05
1
0.1
E
2
1.5
0.5
ne nn
4
Change
Change
4.5
ne ni
0.01
0.05
0.1
0.5
0.5
0
0.5
0
0
0.5
Non-equilibrium in Heavy particle
temperature, K
1
0
0.5
Non-equilibrium in Heavy particle
temperature, K
Kinetic non-equilibrium
圧力が高まる効果と類似
1
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
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
Frozen flow loss-2

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