Transcript 041110システムスタディ

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.B asic m ass
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 rbital M ano uver system 40
R eactio n C o ntro l S ystem 30
M o m entum C o ntro l S ystem 25
通 信 ・航 法
400
SP固定部品
140
合計
3901
水素
酸素
strab le
6358
702
200
合計
7260
6805
合計
6805
2.P ro p ellant
3.P aylo ad
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
Isp

S pe c ific m ass
T an kage fac to r
LP
400-2000
0 .3
5× 10
0 .1 5
-6
Io n e n gin e
3000-10000
0 .6 - 0 .8
1× 10
0 .1
-2
A rc J e t
400-1500
0 .3 - 0 .5
1× 10
0 .1
-2
重量電力比を極めて小さくできる可能性
C h e m ic al
400
--0 .1
OTV ミッション
ペイロード比


 ue2
1

  1 

  1  
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
 prop   pwr
 V  

1  exp 
 


 ue  
推進システムで決定するパラメタ
 : 構造重量
2t
LEO-GEO遷移
軌道パラメタ
ペイロード比
 ue2
1

  1 

  1  
LEO
G EO
必要速度増分
 V  

1  exp 
 


 ue  
軌 道 高 度 , km
軌 道 傾 斜 角 ,°
350
35
4 2 ,1 6 4
0
4 ,8 5 8 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

 V
 exp  
 ue

40
1
0.9


 



0.8
0.7
0.6

 opt 


 V 2


2 1  exp  
ue 1   
u
e 



20
Tim e, h ou r
0.5
0.4
0.3
  
opt
 V 
 
exp  

u
e 


21   
0.2
EP
0.1
0
0
50000
Tim e, h ou r
100000
ミッション時間
=5e-6 kg/W
14000
100000000
E xha ust ve lo city
10000000
12000
1000000
10000
10000
15000
20000
 o p t, s
 o p t, s
100000
10000
8000
6000
1000
4000
E xha ust ve lo city
100
10
10000
LP
15000
20000
EP
0
1
1 .0 0 E -0 6
2000
1 .0 0 E -0 4
1 .0 0 E -0 2
1 .0 0 E +0 0
0
0 .2
0 .4
0 .6
E ffic ie nc y
S pe c ific ma s s , 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
  
P ayloa d ratio
0.4
opt
 V 
 
exp  

u
e 


21   
高比推力
0.3
0.2
T ankag e fac to r
0 .1
0.1
0 .2
0 .3
0
0
50000
E xh au st 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
0.8
太 陽 光 吸 収 率 ,α
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
@ 300K
チタン合 金
T i-6A L -4V
アル ミ合 金
A A 6061
FR P
ステンレス
S U S 304
引 っ張 り強 さ, P a
1.2E +09
3.1E +08
1.5E +08
6.0E +08
4500
2690
1500
7930
2.6E +05
1.2E +05
9.8E +04
7.6E +04
密 度 , kg m
-3
比 強 度 , N m kg
-1
水素脆性に優れたAA6061が適当
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 
Pin  Prad  Pt
Pin  A1 S
Prad   A 2  T
Pt 
A3
t3
 : 熱放射率
A2 : 放射面積
4
 T  TH
T : 表面温度
2

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
1000
T 4
100
10
A1S
A2
~ 176 K
1
0.1
50
250
450
Surface temperature, K
解析結果
6
Insulator 1mm
Insulator 10 mm
Insulator 100 mm
0.1
0.01
0.001
Hydrogen-tank mass ratio
Boil-of f fraction, /day
1
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
I sp 
1
2Plaser
g

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、、、
I sp
1 2

m
比推力 -実験結果Specific impulse
Efficiency
Estimat ed
Isp , sec
300
0.6
スロー ト径 1.0m m
250
0.5
スロー ト径 0.7m m
200
0.4
150
0.3
100
0.2
交換効率
50
吸収効率
0.1
エネル ギ ー変 換 効 率
0
0
0
20
流 量 , slm
40
60
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
R
2
A
F (T )  uAT  0
L
radial
axial conduction axial convection
conduction
R
0 ~1
R
2
R
2
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  me
2
12
E  5.5 10 ne H 
~ 1.5 10
kbTe  M

1000
E 
2
I
 0c
5
~
10
10
~ 4 10
12
8
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
TH  Te
p  k neTe  nH TH 1   DH 
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 

k
T
 b e 
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

 (   1) E  (   1)  E  4 
2
E

2
C hange in i onization degree
1
2
 E : LTEでの電離度
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
N on-equilibrium in H eavy partic le tem perature, K
1
重粒子温度の影響
C h a n g e i n h e a vy p a rticle n u m b e r d e n sity
重粒子密度
nH
nHE

1E
 
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
N o n-e q uilib rium in H e a vy p a rticle
te m p e ra ture , K
1
n e * ni / n e * nn
5
5
4 .5
4
3 .5
3 .5
3
3
2 .5
2
ne nn
4
Change
Change
4 .5
ne ni
E
2 .5
E
2
1 .5
0.01
1 .5
1
0.05
1
0.01
0.05
0.1
0.1
0 .5
0 .5
0.5
0
0.5
0
0
0 .5
N o n-e q uilib rium in H e a vy p a rticle
te m p e ra ture , K
1
0
0 .5
N o n-e q uilib rium in H e a vy p a rticle
te m p e ra ture , 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