マイクロ波ロケットとは、地上からマイクロ波ビームを使ってロケットに飛行エネルギーを供給するロケットです。マイクロ波ロケットの推進機は片端が閉じた筒形で、閉管端に集光器が搭載されています.
マイクロ波が入射すると集光器で着火したプラズマの電離波面がマイクロ波エネルギーを吸収しながら衝撃波を伴い伝播していき、その際の高圧により機体は推力を得ることができます。
この推進手法はビーミング推進と呼ばれ、とてもシンプルなシステムでありながら優れた点が多く、ロケットの打ち上げ費用を大幅に低減させると期待されています。
これまでにマイクロ波から推力へのエネルギー変換の実証、打ち上げ試験(右図)に成功しています。
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なお一般にマイクロ波とは周波数が3-30 GHzの電磁波ですが、マイクロ波ロケットでは100 GHz帯のビームを用います。30 GHz-300 GHz の周波数帯はミリ波と呼ばれます。
しかしビーミング推進の分野では、大まかな区分としてレーザー推進とマイクロ波推進に分かれており、マイクロ波推進の中にミリ波の波長帯を用いたものも含まれます。また、「ミリ波」と「マイクロ波」の知名度を考慮し「マイクロ波ロケット」と呼んでいます。
ジャイロトロンは1メガワット級の大電力マイクロ波発信機です。核融合の分野で炉心プラズマ加熱とプラズマ着火用デバイスとして研究開発が進んでおり、既に1メガワット以上の安定した出力、高パルス変調、長時間作動、クラスタ化が実現しています。
福井大学遠赤外領域開発研究センターでは、
幅広い分野に遠赤外ジャイロトロンを応用するため、これまでの実績を基盤としてジャイロトロンの高度化研究を進めています。これまでガウスビームへの変換器を内蔵する連続動作ジャイロトロン(Gyrotron FU CW G Series)
やジャイロトロン管、マグネットおよび電源のコンパクト化によりジャイロトロンをコンパクト化したコンパクトジャイロトロン (Gyrotron FU CW C Series)、また1億度にもなる核融合プラズマのイオン温度を計測するため、100 kW を超える高出力を実現する高出力パルスジャイロトロンを開発しています。
その他にもPID制御による発振出力の安定化、後進波発振機構による周波数連続可変性の付与、独自の設計手法による高性能電子銃の開発を行っています。
ジャイロトロンは単位出力あたりの製造費用が安価であり、既に技術的にも確立されているので、ビーミング推進においても魅力的な発信機です。
航空宇宙の分野では、長距離伝送に向けたビーム制御・マイクロ波機器の開発やジャイロトロンの周波数帯で発生する大気圧プラズマの物理など、この分野特有の課題があります。そこで航空宇宙分野の研究のため、東京大学と福井大学の共同研究として独自のジャイロトロンの開発を進めています。
福井大学 遠赤外領域開発研究センターでは共同研究を公募しています。詳細は
福井大学遠赤外領域開発研究センター共同研究公募案内をご覧ください。
The Research Center for Development of Far-Infrared Region in University of Fukui calls for application of Joint Usage / Collaborative Research using Gyrotron or other millimeter wave application.
If you are interested in it, please feel free to contact me. My contact information is below.
大電力ミリ波によって誘起された放電は、ジャイロトロンの開発によって初めて研究が可能になった領域です。この放電では、電離波面が電離閾値以下の電界中を伝播し、その放電構造はフィラメント状の自己組織化された構造を持ちます。
最新の研究によって、入射ミリ波の周波数、電力密度、ガス密度、ガス種に依存してフィラメント構造の形成過程が変化すること、さらに放電部の局所的なガス密度の低下が電離の維持に寄与していることが指摘されています。
また電離波面と衝撃波が同じ速度で伝搬する領域での現象は流体的には燃焼のデトネーションと同じ式で表すことができます。しかし燃焼の場合と異なり電離波面の伝播速度はプラズマと電磁波のインタラクションで決定されるため、
燃焼の場合とは異なった解となる可能性があります。
この放電現象はマイクロ波ロケットの核となる部分で、推進性能、推力・姿勢制御、推進器形状の最適化に重要な意味を持ちます。
しかしその体系的なデータは少なく、現状では放電構造、伸展速度などを明確には説明できないため、さらなる実験的・解析的研究が必要です。
ジャイロトロン概念図
ミリ波放電の露光写真