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小田 靖久; 山口 敏和*; 白石 裕也*; 小紫 公也*; 梶原 健; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 32(6), p.877 - 882, 2011/06
被引用回数：8 パーセンタイル：44.43(Engineering, Electrical & Electronic)A shock wave supported by an atmospheric breakdown plasma caused by a high-power millimeter-wave beam was studied. The shadow graph image in a shock tube visualized the one-dimensional shock-wave generated by the millimeter-wave breakdown in atmosphere for the first time. It was revealed that a normal shock wave propagated through the tube at the constant velocity while it was detached from the ionization front of the plasma whenever the propagation velocity of the ionization front was supersonic or subsonic. And it was visually clarified that the atmospheric millimeter-wave breakdown had the combined structure of the normal shock wave and the heating region of the millimeter-wave plasma. The measured pressure of the shock front was as equal as the normal shock which propagated at measured Mach number.
小田 靖久; 山口 敏和*; 小紫 公也*; 梶原 健; 高橋 幸司; 坂本 慶司
Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series (IMWS) on Innovative Wireless Power Transmission (IMWS-IWPT 2011), p.181 - 184, 2011/05
Microwave Rocket is an application of atmospheric discharge in a high-power millimeter-wave (MMW) beam. Microwave Rocket is expected to be a low-cost launch to orbit system. To launch Microwave Rocket, the long distance MMW beam transmission is an important technology. Because the space-radiated beam with small beam waist expanded and its power density decreases even with short distance transmission, it is hard to provide MMW power to Microwave Rocket. Thereby the beam launcher for beam transmission is necessary to optimize the beam profile. In this study, a 10 m distance beam transmission system for a sliding thruster was designed and tested. Transmission system with the quasi-optical beam launcher and focusing mirror system enabled the thruster to obtain a straight beam of which power density is high enough for plasma ignition after long range transmission.
小田 靖久; 坂本 慶司; 小紫 公也*
プラズマ応用科学, 18(2), p.177 - 181, 2010/12
A thrust generation model of microwave beaming thruster was studied. The model was proposed based on shock wave propagation driven by atmospheric plasma on the analogy of a pulse detonation engine (PDE), because pressure histories measured in the thruster tube were resembling to those in a PDE. Furthermore, both the shock propagation speed and ionization front propagation speed were found to be nearly constant and identical in the tube when they propagated at a supersonic speed with a high microwave power density. Based on the model, thrust impulse was estimated from the pressure history. Estimated thrust showed a good agreement with the result of the flight experiment.
小田 靖久; 梶原 健; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司; 小紫 公也*
Japanese Journal of Applied Physics, 48(11), p.116001_1 - 116001_4, 2009/11
被引用回数：17 パーセンタイル：55.74(Physics, Applied)Atmospheric breakdown caused by a high power millimeter wave beam generates shock wave because plasma causes quick heating of atmospheric air. When the shock wave is supported by millimeter wave plasma generated in a tube, shock wave propagates in the constant velocity for whole tube length. In this study, the driving model of millimeter wave shock wave was proposed. The model is consisted by a normal shock supported by propagating heat supply area where ionization front of plasma locates. The model was compared to the measured properties of shock wave in a shock tube using a 170 GHz millimeter wave beam. The propagation velocity of the shock wave was identical to the velocity of the ionization front when the ionization front propagates in supersonic speed. Then pressure increment in the tube was independent to the power density. These results showed good agreement to the model calculation.
小田 靖久; 柴田 鉄平*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
Journal of Propulsion and Power, 25(1), p.118 - 122, 2009/01
被引用回数：24 パーセンタイル：82.75(Engineering, Aerospace)An experiment was conducted on a Microwave Rocket (repetitive pulse millimeter wave beam powered thruster) with repetitive pulses. A thruster model with a forced breathing system was used. The forced breathing system supplies fresh air from the thrust wall into the thruster. The pressure histories in the thruster were measured and the propagation velocity of the shock wave and the thrust impulse were deduced. Results show that, although the propagation velocity was identical to the result for the single-pulse operation at the first pulse, the propagation velocity increased after the second pulse. Similarly, the impulse decreased after the second pulse. The dependence of the propagation velocity of the shock wave and the thrust performance on the partial filling rate of the fresh air was compared to that of the thrust generation model with the forced breathing system. The experimental results showed good agreement with those obtained using the model.
小田 靖久; 梶原 健; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司; 小紫 公也*
Proceedings of Global Congress on Microwave Energy Applications (GCMEA 2008/MAJIC 1st), p.567 - 570, 2008/08
The shock wave driven by a high power millimeter wave beam was observed. First, a shock wave formed in a tube was observed using pressure gauges. The pressure at the tube end had dependency on relation of propagation velocities of the ionization front and the shock wave. When the ionization front propagates subsonic, the shock wave propagated faster than the ionization front and pressure at the tube end was increased with the shock wave velocity. When the ionization front propagated in supersonic, both velocities were identical and pressure was 200 kPa and independent to the shock wave velocity. The driving model of a shock wave based on combination of a normal shock wave and a heating region was proposed. The model calculation showed good agreement to the experimental result.
小田 靖久; 小紫 公也*; 坂本 慶司
プラズマ・核融合学会誌, 84(6), p.343 - 347, 2008/06
大電力のミリ波帯マイクロ波の発振源が開発により、マイクロ波による気中放電の研究が進んでいる。170GHzマイクロ波ビームを用いて、集光器を用いて気中で着火されたプラズマの電離波面は、電力密度S
75kW/cm
において超音速で伝播する。また、プラズマの成長の積分写真には細かいフィラメント状構造が確認される。このような構造は、雰囲気圧力に対して依存性を持っており、170GHzマイクロ波ビームの実験では0.2気圧以下では、フィラメント状構造は消滅することが確認されている。プラズマの電離波面の伝播によって衝撃波が形成され、電離波面の伝播速度と同程度の速度で伝播する。衝撃波は電離波面伝播に伴い加熱領域が移動することによって形成され、衝撃波自身によって電離が開始されるようなデトネーションとは異なる駆動形態をとっていると考えられる。
小田 靖久*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 今井 剛*; 坂本 慶司
Electrical Engineering in Japan, 161(2), p.1 - 7, 2007/11
被引用回数：1 パーセンタイル：11.9(Engineering, Electrical & Electronic)170GHz, MW級ジャイロトロンを応用し、マイクロ波プラズマ生成とマイクロ波推進器の実験を行った。推進器内で発生したプラズマはマイクロ波の進行方向とは逆方向に向かって伝播し、その伝播速度は、マイクロ波のパワー密度が75kW/cm以上になると音速程度になることが判明した。また、推進力を測定したところ、運動量結合係数はプラズマの伝播速度が音速になると最大になることも判明した。これはプラズマ圧力が効率よく上昇し、その結果強い衝撃波を生み出す結果となっていると考えられる。
小田 泰久*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
プラズマ・核融合学会誌, 83(3), p.296 - 299, 2007/03
マイクロ波ロケットの高空飛行時の推進性能を議論するため、減圧環境でのマイクロ波プラズマの生成・成長の様子を観測し、推進性能との関連を調べた。その結果、電離波面の伝播速度,伝播マッハ数は雰囲気圧力の低下に伴い急激に大きくなることがわかった。また1.0atmから0.2atmまではプラズマの細かいフィラメント構造が確認されたが、0.1atm以下ではフィラメント構造は消滅した。推力測定の結果、運動量結合係数(=推力インパルス/入力エネルギー)は、雰囲気圧力の変化に対してほぼ一定に保たれたが、0.1atm以下では推力は急激に低下した。この雰囲気圧力ではプラズマのフィラメント構造も消失しており、衝撃波と電離波面の関係が大きく変化している可能性がある。以上の結果より、高空飛行時においても、推進器内部の圧力を0.2atm以上に保つことによって、地上実験と同程度の推進性能が得られることが示唆された。
小田 靖久*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
Journal of Applied Physics, 100(11), p.113307_1 - 113307_4, 2006/12
被引用回数：68 パーセンタイル：88.56(Physics, Applied)核融合プラズマ加熱用に開発した170GHz大電力ジャイロトロンを用いた推進力生成実験において、170GHzマイクロ波のパワー密度が75kW/cm以上であると生成した大気プラズマの伝搬速度が音速程度になることが観測された。また、円錐型推進器モデルにおいて、プラズマ伝搬速度が音速程度のときに、推進器の性能指標である運動量結合係数、Cm値が350N/MWを超えることが判明した。
小田 靖久*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 今井 剛*; 坂本 慶司
電気学会論文誌,A, 126(8), p.807 - 812, 2006/08
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。
小田 靖久*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
Proceedings of 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 6 Pages, 2006/07
マイクロ波ビーミング推進におけるマルチパルス実験において、生成されるプラズマ及び衝撃波の測定を行った。その結果、プラズマの伝搬速度は単パルス時のそれを超え、また、パルスの繰り返し周波数を高くするとその伝搬速度も高くなる傾向になることがわかった。これは、推進機内の空気の温度がある程度高い状態で維持していることを示唆している。
小田 靖久*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
Proceedings of 25th International Symposium on Space Technology and Science (ISTS-25) (CD-ROM), p.177 - 181, 2006/06
マイクロ波ビーミング推進器において、発生したプラズマはマイクロ波パワーを吸収しながら衝撃波に追随して伝搬することから、その解釈にデトネーションエンジンの推力生成モデルを適用した。その結果、推進器内の圧力変化を積分することで全推進力を評価することができ、推進器に取り付けた長さ180mmの円筒内でのそれは0.16Nsとなった。これは、飛行実験結果の2倍の大きさに相当するが、推進器内に新たな空気が入り込み、それがプラズマ生成のための燃料補給となったことから2倍のエネルギーが得られたと考えている。マルチパルス実験では、推力性能を維持するためにはパルス間隔を20Hz以下する必要があることを示唆する結果が得られた。
小田 靖久*; 柴田 鉄平*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
Journal of Space Technology and Science, 22(2), p.30 - 37, 2006/00
マイクロ波ロケットにおける推力は、大気プラズマに起因する衝撃波の伝播によって説明ができる。このパルス爆轟モデルの実験的検証のために、プラズマ圧力の時間変化を調べた。その結果、衝撃波の伝播時間と伝播距離の間には線形関係があることがわかった。また、プラズマ伝播速度は、伝播している間は一定であることも判明した。さらに、両者の速度は、音速程度で伝播することを明らかにした。
小田 靖久*; 牛尾 正人*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
AIP Conference Proceedings 766, p.297 - 302, 2005/04
マルチパルスによるマイクロ波ビーミング推進実験が大電力ミリ波発振器ジャイロトロンを用いて行われた。さまざまな直径と角度の円錐型推進器モデルを用いて飛行実験が行われ、第1パルスと第2パルスの運動量結合係数が、レーザー距離計を用いた飛行軌跡の計測から評価された。その結果、運動量結合係数は第2パルスの方が小さくなり、第1パルスと第2パルスの運動量結合係数の比は、パルス間隔と推進器のサイズに大きく依存することが確かめられた。60Hzのパルス間隔では、推進器サイズが小さいモデルのとき第1パルスと第2パルスの運動量結合係数はほぼ同じになり、モデルサイズが大きくなると第2パルスの運動量結合係数は減少した。また100Hzの場合では、小さい推進器モデルでも第2パルスの運動量結合係数は減少することが確認された。
小田 靖久*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
電気学会研究会資料,原子力研究会(NE-04-11
15), p.19 - 22, 2004/09
日本原子力研究所と東京大学は、核融合プラズマ加熱用に開発された1MWクラスの大電力ジャイロトロンから発生する大電力マイクロ波を、ロケットのビーミング推進に適用する協力研究を行っている。推進器としてパラボラ型の反射鏡を用いることにより大電力マイクロ波ビームはフォーカスされ気中放電によるプラズマを生成すると同時に、衝撃波を発生させる。その衝撃波により推進器(ロケット)は推進力を得る。実験において測定された運動量結合係数は、最短のパルス幅であった100マイクロ秒において最も高くなり、400N/MWを記録した。この値はこれまでのレーザー推進器の性能に比肩する性能であり、19gのロケット型推進器を2m打ち上げることに成功した。
中川 樹生*; 三原 与周*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 坂本 慶司; 今井 剛
Journal of Spacecraft and Rockets, 41(1), p.151 - 153, 2004/02
被引用回数：40 パーセンタイル：88.62(Engineering, Aerospace)マイクロ波推進機のモデルを製作し、110GHzジャイロトロンから出力される110GHz, 1MWのマイクロ波を用いて打ち上げ実験を行い、打ち上げ時の力積を測定した。マイクロ波(RF)を推進機のパラボラ形状のノズルに入射すると、フォーカス点付近でプラズマが生成、そしてマイクロ波により加熱される。その時、衝撃波が発生し、その衝撃力により推進機を押し上げるというのが打ち上げのメカニズムである。今回の実験における衝撃力の打ち上げエネルギーへの結合係数は395N/MWで、これはレーザー推進機と同レベルである。実験でのRFのパルス幅は0.175msecで、今のところ結合係数はそのパルス幅の長さで制限されており、パルス幅をより短くすることで、結合係数が増加する可能性がある。
小田 靖久*; 中川 樹生*; 松井 信*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 坂本 慶司; 今井 剛
第47回宇宙科学技術連合講演会講演集 (CD-ROM), p.1067 - 1069, 2003/00
近年、低コスト打ち上げシステムへの要求がますます高まっており、外部からエネルギーを供給するビーミング推進機はその有力な候補の一つである。中でもパルスビームにより大気をプラズマ化し、生じた衝撃波により推力を得る大気吸込型パルスビーミング推進は盛んに研究されている。本研究ではパルスビーム源として100GHz帯1MW出力ジャイロトロンから出力されるマイクロ波を用い、アルミ製パラボラ型模型機の飛行試験を行い、初速度,最高到達高度から力積及び運動量結合係数(Cm値)を求めた。その結果、マイクロ波パワー及びパルス幅がそれぞれ730kW, 0.1msecのときCm値は440N/MWとなり、これまでに報告されているパラボラ集光型レーザー推進機の250N/MWを超えている。
松井 信*; 三原 与周*; 中川 樹生*; 森 浩一*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 坂本 慶司; 今井 剛
宇宙輸送シンポジウム(平成14年度)講演集, p.300 - 303, 2003/00
100GHz帯1MW級マイクロ波を用いたパルス型マイクロ波推進機の運動量結合係数Cmをロードセル測定、及びフライト試験により測定した。ロードセル測定,フライト試験ではそれぞれ最大でCm=28, 130N/MWが得られた。この違いはプラズマ着火過程,周波数の違いによるものだと考えられ、パルス幅,推進機形状を改良することでさらに高いCmが得られると考えられる。
小田 靖久*; 河村 好一*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司
no journal, ,
マイクロ波ビーミング推進器の推力発生モデルとして、デトネーション波の伝播による推力発生モデルを検討するため、推進器内の圧力履歴の測定を行った。ノズル側面での圧力履歴による衝撃波伝播速度の測定と、高速度カメラ画像によるプラズマ伝播速度の測定を行い、両者が同じ速度にて伝播することを確認した。また、推進器端面における圧力履歴の測定を行い、パルスデトネーションエンジンの圧力履歴と類似した結果が得られた。
