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大電力マイクロ波ビームを用いた大気圧プラズマの発生とロケット推進への応用

Plasma generation at atmospheric pressure using a high power microwave beam and its application to rocket propulsion

小田 靖久*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 今井 剛*; 坂本 慶司

Oda, Yasuhisa*; Komurasaki, Kimiya*; Takahashi, Koji; Kasugai, Atsushi; Imai, Tsuyoshi*; Sakamoto, Keishi

周波数170GHz,MW級出力ジャイロトロンを用いたマイクロ波プラズマ生成実験とマイクロ波推力に関する研究を行っている。パラボラ型推進器モデルにマイクロ波を入射すると、収束点においてプラズマが生成され、そのプラズマは追随するマイクロ波エネルギーを吸収しながら伝搬していく。その伝搬速度は、マイクロ波エネルギー密度が75kW/cm$$^{2}$$以上になると音速程度になることや、運動量結合係数(マイクロ波エネルギーの推力への変換係数)が、プラズマの伝搬速度が音速に近くなるにつれて増加していくことを明らかにした。これは、音速程度のプラズマ伝搬が衝撃波を作り出している可能性を示唆している。

Experiments on microwave plasma generation and its application to microwave beamed energy propulsion were conducted using a 1MW-class, 170GHz gyrotron. The microwave beam was focused using a parabola reflector and plasma was initiated near the focal point in the ambient air. Plasma propagated upstream in the microwave beam channel while absorbing microwave. Its propagation velocity was supersonic when the microwave power density was larger than 75kW/cm$$^{2}$$. The propulsive impulse was measured using a cone-cylinder shaped thruster model. As a result, maximum momentum coupling coefficient was obtained at a certain plasma propagation distance. In addition, large momentum coupling coefficient was obtained when plasma was propagated at a supersonic velocity. It would be because supersonic plasma propagation forms a strong shock wave, resulting in an efficient pressure increase.

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