講演番号 :3N1 28 GHz ジャイロトロンを用いた ミリ波大気放電実験 〇田畑邦佳, 中村友祐, 小紫公也 ( 東京大学 ) 假家強, 南龍太郎 ( 筑波大学 ) 1
概 要 1. 研究背景ーマイクロ波ロケット 機体設計や軌道解析を行うには 推力を正しく再現できるモデルが必要 推進器内部での圧力上昇 放電面背後の状態の詳細な調査が必要 ミリ波放電プラズマにより吸い込んだ空気を加熱 飛行方向 ミリ波放電プラズマ 高圧領域 2
概 要 1. 研究背景ーマイクロ波ロケット 機体設計や軌道解析を行うには 推力を正しく再現できるモデルが必要 推進器内部での圧力上昇 放電面背後の状態の詳細な調査が必要 ミリ波放電プラズマにより吸い込んだ空気を加熱 2. 実験 筑波大学の大電力ミリ波発振器ジャイロトロンを用いてプラズマを生成. 放電面背後の中性粒子温度を測定 3. 結果 4. 結論 中性粒子温度の非平衡性 構造形成による非一様加熱 を考慮した推力の見積りが必要なのではないか 3
マイクロ波ロケットによるコスト削減 機体 地上ヒ ーム基地 ジャイロトロン QST 19 g 機体の打ち上げデモンストレーション 空気吸い込み式 搭載燃料不要 比推力無限大 地上にビーム基地 パルスデトネーションエンジン 218/11/1 繰り返し使用 簡素な機体構造 建設費用償還可能 安価な機体製造費 第 62 回宇宙科学技術連合講演会 3N1 打ち上げコスト 1/1 4
ミリ波放電による圧力上昇を用いた推力生成 プラズマの着火 集光器 (1) プラズマ着火 ミリ波 ミリ波放電プラズマの進展電離波面の進展 (2) 推力生成膨張波 (3) (4) リード弁を通して吸気 空気吸い込み 5
ミリ波放電による圧力上昇を用いた推力生成 集光器 (1) プラズマ着火 ミリ波 ミリ波放電プラズマ背後の圧力上昇が推力に重要 重粒子の並進温度に由来 (2) ミリ波放電プラズマの進展 膨張波 今までの見積り 放電面背後で, 中性粒子の振動 回転 並進温度が熱平衡を保ちながら上昇することを仮定 (3) リード弁を通して吸気 推力見積りに誤差 (4) 6
実在気体における様々なエネルギーモード ミリ波エネルギーがどのように消費されるか 電子と重粒子の衝突 ミリ波エネルギー 電子の並進エネルギー 電離エネルギー ミリ波放電プラズマ N + 2 N 2 N 2 N 2 種電子 e - 重粒子の 電子励起エネルギー振動励起エネルギー回転励起エネルギー並進エネルギーミリ波エネルギー プラズマの進展方向 7
予想するプラズマの温度モデル ミリ波強度 S (W/m 2 ) が変化すると 電離波面の進展速度 U (S) が変化プラズマにおける時間スケールが変化 ミリ波強度大 進展速度速 時間スケール小 電離波面の移動 滞在時間が短い 検査面 放電が進む領域のこと 粒子が動いているわけではない 小 遅 大 滞在時間が長い 8
予想するプラズマの温度モデル ミリ波強度 S が変化すると 電離波面の進展速度 U (S) が変化プラズマ領域におけるスケール時間が変化 ミリ波強度大 小 電子温度 > 励起温度 > 振動温度 > 並進温度 ( 回転温度 ) 電子温度 励起温度 > 振動温度 > 並進温度 ( 回転温度 ) 電子温度 励起温度 振動温度 > 並進温度 ( 回転温度 ) 電子温度 励起温度 振動温度 並進温度 ( 回転温度 ) 4 温度 3 温度 2 温度 1 温度 研究目的 電子励起温度, 振動励起温度, 回転励起温度 ( 並進温度 ) を発光分光法により測定し, 温度モデルを検討する. 9
実験セットアップ 発光分光法 筑波大 28 GHz ジャイロトロン ICCD カメラ (istar scmos) 分光器 MS354i スリット幅 : 1 μm 露光時間 : 5 ms レンズ f: 2 mm 23 kw ミリ波の空間伝送 レンズ f: 15 mm コルゲート導波管 ミリ波強度.67 ~.46 GW/m 2 真空チャンバー プラズマ 集光器 1
実験セットアップ 発光分光法 筑波大 28 GHz ジャイロトロン ICCD カメラ (istar scmos) 分光器 MS354i スリット幅 : 1 μm 露光時間 : 5 ms プラズマのバルク領域レンズの測定 f: 2 mm 23 kw ミリ波の空間伝送 レンズ f: 15 mm コルゲート導波管 ミリ波強度.67 ~.46 GW/m 2 真空チャンバー プラズマ 集光器 11
Intensity /a.u. 電子励起温度の解析 シュタルク広がり 電子励起温度 サハの平衡式 n+ ne 2g+ 2 mekbtexc ev i = exp 2 nn g n h kbtexc 電子数密度が必要 [ 1 5 ] 1.8.6.4 電子励起温度 H α バルマーラインのシュタルク広がりより計測. FWHM Exp. data Fitting data.2 655.5 656 656.5 657 Wavelength /nm 23 FWHM = 1 1.98 1.47135 12 n e 1. 1 22 ~ 2.5 1 22 /m -3 と求まった.
振動 回転温度の解析 N 2 バンドスペクトル Intensity /a.u. 振動温度, 回転温度 測定波長域 : 解析に用いた発光 : 3. 2.5 2. 1.5 1..5 37 41 nm 窒素分子の励起発光バンドスペクトル S peak =.67 GW/m 2, T v = 6, K, T r = 6, K Measured. Calculated. 37 38 39 4 41 Wavelength /nm 13.5.4.3.2.1 Residue 2
振動 回転温度の解析 N 2 バンドスペクトル Intensity /a.u. 振動温度, 回転温度 測定波長域 : 解析に用いた発光 : 3. 2.5 2. 1.5 1. 37 41 nm 窒素分子の励起発光バンドスペクトル S peak =.67 GW/m 2, T v = 6, K, T r = 6, K Measured. Calculated..5 Bremstruhlung radiation.1 37 38 39 4 41 Wavelength /nm 14.5.4.3.2 Residue 2
振動 回転温度の解析 N 2 バンドスペクトル Intensity /a.u. 振動温度, 回転温度 測定波長域 : 解析に用いた発光 : 3. 2.5 2. 1.5 1..5 37 41 nm 窒素分子の励起発光バンドスペクトル S peak =.67 GW/m 2, T v = 6, K, T r = 6, K Measured. Calculated. N 2 Second positive system 37 38 39 4 41 Wavelength /nm 15.5.4.3.2.1 Residue 2
振動 回転温度の解析 N 2 バンドスペクトル Intensity /a.u. 振動温度, 回転温度 測定波長域 : 解析に用いた発光 : 37 41 nm 窒素分子の励起発光バンドスペクトル 3. S peak =.67 GW/m 2, T v = 6, K, T r = 6, K.5 2.5 2. 1.5 1..5 N 2 + First negative system Measured. Calculated..4.3.2.1 Residue 2 37 38 39 4 41 Wavelength /nm 16
振動 回転温度の解析 N 2 バンドスペクトル Intensity /a.u. 振動温度, 回転温度 測定波長域 : 解析に用いた発光 : 37 41 nm 窒素分子の励起発光バンドスペクトル 3. S peak =.67 GW/m 2, T v = 6, K, T r = 6, K.5 2.5 2. 1.5 1..5 CN Violet system Measured. Calculated..4.3.2.1 Residue 2 37 38 39 4 41 Wavelength /nm 17
実験結果, 考察 18
Measured temperature /K 計測された電子励起, 振動, 回転温度 Specific absorbed energy q /(J/kg) 1 8 6 4 2 小 Electron excitation temperature Vibrational temperature Rotational temperature.8.6.4.2..1.2.3.4.5 Millimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) 比例定数 a 1. [ 1 7 ] 大 ミリ波投入エネルギー q /(J/kg) S q = U S: ミリ波強度 (W/m 2 ) ρ: 中性粒子密度 (kg/m 3 ) U ioniz : 電離波面進展速度 (m/s) 比例定数 a が小さい低強度領域で q が増加. 19 ioniz ioniz ( ) ( S) U S = a S q = 1 a 比例定数
Measured temperature /K Specific absorbed energy q /(J/kg) 計測したミリ波強度領域における温度モデル 1 Electron excitation temperature Vibrational temperature Rotational temperature 2 温度モデル 1. [ 1 7 ] 8.8 1 温度モデル 6 4 2.6.4.2 3 温度モデル?.1.2.3.4..5 Millimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) 2
Measured temperature /K 計測したミリ波強度領域における温度モデル Specific absorbed energy q /(J/kg) 1 温度モデル 1 Electron excitation temperature Vibrational temperature Rotational temperature 1. [ 1 7 ] 2 温度モデル 8 6.8.6 進展速度が速い領域で, 振動 回転 ( 並進 ) モードのエネルギー緩和が進んでいない. 4.4 2.2..1.2.3.4.5 Millimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) 遅い速い進展速度 ミリ波強度によって温度モデルが変化する. 今後, 推力見積りに複数温度モデルを反映する 21
計測結果の妥当性評価のためエネルギー収支を考える 吸収したエネルギーの内訳 エネルギー算出式参考値 [MJ/kg] 割合 電離エネルギー.17 3. % 電子の並進エネルギー.1.18 % 中性粒子の振動エネルギー 3 n e i e B e 2 n k T nk N B s,vib ( s,vib Ts,vib ) exp / 1 ミリ波強度.67 GW/m 2 の場合 T e = T exc と仮定 1.4 24 % 中性粒子の回転エネルギー 中性粒子の並進エネルギー 3 N B gas 2 n k T nnkbtrot 1.7 29 % 2.6 44 % 22
計測結果の妥当性評価のためエネルギー収支を考える 吸収したエネルギーの内訳 エネルギー算出式参考値 [MJ/kg] 割合 電離エネルギー.17 3. % 電子の並進エネルギー.1.18 % 中性粒子の振動エネルギー ミリ波強度.67 GW/m 2 の場合 ne i レーザー放電に比べ, 3 e B e 2 n k 電離効率は低い T nk N B s,vib ( s,vib Ts,vib ) exp / 1 T e = T exc と仮定 1.4 24 % 中性粒子の回転エネルギー 中性粒子の並進エネルギー 3 N B gas 2 n k T nnkbtrot 1.7 29 % 2.6 44 % 23
計測結果の妥当性評価のためエネルギー収支を考える 吸収したエネルギーの内訳 エネルギー算出式参考値 [MJ/kg] 割合 電離エネルギー.17 3. % 電子の並進エネルギー.1.18 % 中性粒子の振動エネルギー ne i ミリ波のエネルギーが 3放電開始後速やかに 2 n k T ミリ波強度.67 GW/m 2 の場合 e B e 中性粒子のエネルギーに変換される T e = T exc と仮定. nk N B s,vib ( s,vib Ts,vib ) exp / 1 1.4 24 % 中性粒子の回転エネルギー 中性粒子の並進エネルギー 3 N B gas 2 n k T nnkbtrot 全体の 97 % 1.7 29 % 2.6 44 % 24
Specific absorbed energy and specific enthalpy increase /(J/kg) ミリ波エネルギーは空間的に非一様に吸収される [ 1 7 ] 1..8.6.4.2 Specific absorbed energy q Specific enthalpy increase Δh.1.2.3.4.5 Milimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) 投入されたエネルギーと, プラズマ中の比エンタルピー増加量の比較 空間的に一様に加熱されるとして求まる 進展速度から計算される吸収エネルギー q < 空間的に発光の強い領域の温度を用いて求まる 分光結果から求まった温度を用いて算出した比エンタルピー増加量 構造の形成 25
Millimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) ミリ波放電において観測されているプラズマ構造 a) c) 1 mm b) d) 1 a) 1 mm k E 1 mm k E b 1 1 ストリーマ構造 a) 1 mm c) b) 1 mm 1 mm k E k E k E 1 mm k E d) λ/4 構造ストリーマ構造 c) k E d.1.1 櫛状構造 拡散構造 k E 2 4 6 8 c) 1 12 Ambient pressure /kpa 様々な雰囲気圧力, ミリ波強度に対して得られたプラズマ構造 1 mm 1 mm 218/11/1 第 62 回宇宙科学技術連合講演会 1 mm 3N1 26 1 mm k E d) 1 mm 拡散構造 k E k E k E 1 mm k E 櫛状構造 k E 今後, 非一様加熱が推力に与える影響を考察する.
構造によってプラズマの空間占有率は変化する 1 Plasma space occupancy.8.6.4.2 (a) 構造の遷移領域 (b).1.2.3.4.5 Millimeter-wave intensity /(GW/m 2 ) (a) (b) E 1 mm 1 mm k プラズマの長露光自発光画像 k E 自発光写真の 2 次元画像解析から求まるプラズマの空間占有率 プラズマ構造の違いを考慮した推力解析が必要. 27
結 論 筑波大 28 GHz, 35 kw ジャイロトロンを用いたミリ波大気放電実験を行い, 放電面背後における中性粒子温度を測定した. 放電面背後では, 進展速度の速い領域で振動 回転 ( 並進 ) モードのエネルギー緩和が進んでいないため, 熱平衡を仮定しない解析により推力を見積もる必要がある. さらに, プラズマが構造を持つため, 空間占有率が低い場合には空間的非一様性を考慮した推力の計算が必要である. 28
ご清聴ありがとうございました. 29