マイクロ波ロケット内部におけるミリ波放電現象解明に向けた励起種の輻射輸送が駆動する電離波面進展モデル

摘要

メガワットクラスのミリ波発振装置であるジャイロトロンが核融合炉におけるプラズマ加熱源として開発が進hでおり、より高出力のミリ波をより長時間発振し続けることが可能となっている。このジャイロトロンにより発振したミリ波のエネルギーを推力へと変換する宇宙推進機である「マイクロ波ロケット」が提案され、研究が進められている。図1に推進機内においてミリ波のエネルギーを推力へと変換する過程の模式図を示す。開口端から入射したミリ波ビームを、推進機最奥面に設置した着火器に導き、初期放電を起こす。ミリ波ビーム中においてプラズマの着火が起こると電離波面がビームのエネルギーを吸収しながら照射方向へと向かって超音速で進展することが知られており、この現象を利用して推進器内の気体を順次加熱、昇圧することで推力を生成する。このときの上昇圧力は単位体積当たりに入るエネルギーに依存するため、入射ミリ波パワーに対する電離波面の進展速度が重要となる。図 2 にミリ波を用いた大気放電実験で観測された入射パワー密度に対する電離波面速度を示す。この電離波面進展は放電臨界強度を境に臨界強度以上での進展と臨界強度以下での進展とに大別され、それぞれにおいて異なった進展度構造が観測されている。電力伝送に用いることができるのは臨界強度以下のビームのみであるため、「マイクロ波ロケット」への応用においては臨界強度以下での進展が重要である。図2に先行研究で行われた電離波面進展の数値シミュレーションから得られた進展速度を示す。これを見ると臨界強度以下の条件における進展速度は数値シミュレーションと実験とで大きな開きがあることが分かる。さらに、数 GW/m~2程度以下のパワー条件においては進展そのものが再現できていない。これは、臨界強度以下の条件において電離波面がこれまでの計算では考慮されていないメカニズムにより駆動されている可能性を示唆している。また、波長がミリ波の 1/100 程度であるレーザーを用いた放電でも同様の進展現象が観測されているが、図２に示す進展速度はミリ波放電の場合と大きく異なっており、レーザーとミリ波では進展原理が異なることが示唆されている。