JP2001132542A - レーザー光を利用したエンジンシステム - Google Patents
レーザー光を利用したエンジンシステムInfo
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Abstract
推進力、比推力が大きく取れてエンジン性能が高く、且
つレーザー光源からのレーザー光を天候の影響を受けず
安定して供給できるエンジンシステムを得る。 【解決手段】 燃料としてペレット状の氷またはスラッ
シュ状態の水を用い、該燃料に外部からレーザー光6を
集光光学系7、8を介して効率良く供給することにより
高いエネルギーを供給し、燃料を直接高温のプラズマガ
ス状態としてノズル5から噴射することにより、より大
きな推力と高い比推力を得ることができる。また、レー
ザー光の光源は赤道上空に配置された航空機に搭載され
ている高出力反復パルスレーザーを用いることにより、
天候の影響を受けることなく、安定して高エルネギーを
供給できる。
Description
より大きな推力性能を発揮するエンジンシステムおよび
このエンジンを用いて、効率的に軌道変換を行なうため
のレーザー光の伝送システムに関する。
衛星の時代に入り、より大きな推力性能を持ちながら低
コストのエンジンが求められている。現在、最も普通に
用いられているものには、酸化剤と燃料を混合燃焼させ
る化学燃料による推進方法と、推進薬をイオン化して電
気的に加速する電気推進方法とがあるが、これらのエン
ジンを軌道変換に用いようとする場合、その特性には何
れも長短がある。
は、電気推進法によるエンジンと比べて推力が大きいの
で、軌道間の移動時間は短くでき、大きなペイロードを
移動できるが、電気推進法に比して比推力が小さいの
で、必要な推進薬(酸化剤、燃料)の重量が重くなり、
ペイロードが大きくなると、推進薬量が非常に多くなる
と云う問題がある。
は、比推力が大きいので、推進薬となるガス重量は少な
くできるが、推力が小さいため、低高度軌道から、高高
度軌道にペイロードを移動させるには時間がかかる。ま
た、短い時間で移動させようとすれば、小さなペイロー
ドにしか使用出来ないこととなってしまう。
発生方法に関わらず、燃料重量、比推力、推力は、相互
に関連しており、軌道間輸送では、特に、燃料重量、エ
ンジン重量が少なく、比推力が高く、推力も高い推進シ
ステムが求められる。このようなエンジンとして、外部
からエネルギーを供給するエンジンシステムがいくつか
提案されており、その一つとして、レーザーをエネルギ
ー源とする、レーザー熱推進システムがある。レーザー
熱推進エンジンシステムの特徴は、機体に搭載された燃
料をレーザーにより加熱し、高温高圧力のガスとしてノ
ズルから放出し、電気推進より大きな推力、化学燃料よ
り高い比推力を得るものである。
ンの性能は、レーザーによって加熱されたガスの温度
と、使用する燃料の分子量により決まり、温度が高いほ
ど、また、分子量が小さいほど、エンジン性能が高くな
る。エンジンの性能を高くするために、低分子量燃料と
して水素が有効であるが、燃料体積が大きくなるため、
一般には極低温の液体水素状態で保管する。しかし、液
体水素は、取扱が難しく、高価な上、蒸発しやすいため
長期保管には適さない。また、極低温で保管するための
タンクは、効率の高い断熱システムを必要とし、重量増
加の要因となる。
地上に設置した場合、軌道上にあるレーザー推進システ
ムの方向にレーザーを向けるために、レーザー方向を変
える装置が必要となる。また、常時レーザー光を供給す
るためには、軌道に沿って数多くの、レーザー供給源
(施設)が必要となる。さらに、レーザー光源を地上に
設置したとき、レーザー光は天候の影響を大きく受け、
雲がある場合には、レーザー推進システムに供給できる
エネルギーは、ほとんど無くなってしまうという問題が
ある。
ーザー熱推進を使用する上で問題となる、上記のような
推進薬の供給方法、ガス発生方法、高温ガスの保持方
法、外部エネルギーの供給方法を解決することができる
レーザー光を利用したエンジンシステムを提供しようと
するものである。
明のレーザー光を利用したエンジンシステムは、外部か
ら供給されるレーザー光、集光光学系、集光された前記
レーザー光により燃料をプラズマ化して噴射するノズル
からなるエンジンシステムにおいて、燃料として水を用
いたことを特徴とする。前記推進薬としての水は、氷又
は氷と水か混合した状態としてレーザー光の集光点に供
給するのが望ましい。そして、この燃料用の水の一部
は、噴射ノズルの冷却に利用するのが好ましい。さらに
前記集光光学系は、入射レーザー光を常に一点の集光す
るため、少なくとも2枚の可動反射鏡から構成するのが
望ましい。
ジンシステムは、外部から供給されるレーザー光の光源
は赤道上空に配置された航空機に搭載されていることを
特徴とする。このレーザー光源は、高出力反復パルスレ
ーザーであることが望ましい。
明する。図1は、本発明のレーザー光を利用したエンジ
ンシステムの構成を示す概念図である。本発明のエンジ
ンシステムにおいては、推進薬として、取扱が容易で、
保管が容易な水を使用する。タンク1に貯蔵された推進
薬の水2は、加圧ガス(本実施形態で窒素ガスGN2)
3またはポンプにより、冷却装置である製氷器4に送ら
れ、細かい氷(例えばペレット状、粒状等)または水と
氷がほぼ均一に混合した状態(例えば、スラッシュ上、
シャーペット状など)にし、ノズル内に供給した時に発
散しにくい形にする。これにより、推進薬である水をノ
ズル内の一点に、安定的に供給することが出来る。
て、レーザー光を使用する。エンジンシステムの外部か
ら矢印で示すように供給されるレーザー光6は、集光鏡
7、反射鏡8により、ノズル5内の一点で焦点を結び、
推進薬に高いエネルギーを供給する。この高密度のエネ
ルギーにより推進薬である水をプラズマガス状態とする
ことにより、より大きな推力と高い比推力を得ることが
できる。
は、ポンプ10によりノズルの外套に設けられた冷却水
通路11に送られて高膨脹ノズルであるノズル5の冷却
に使用され、冷却後の高温の水蒸気は、その一部がター
ビン12によるポンプ駆動用の動力源として使用された
後、放熱器13により、冷却され、水タンク1へと還流
して再利用されるようになっている。なお、図中、14
はタンク1への加圧ガス供給を制御する制御バルブであ
り、15はタンクから製氷器4に水の供給を制御する制
御バルブである。
ンシステムの軌道上の運行に伴い、集光鏡へのレーザー
の入射方向が常に変化する。これに対応するために、本
実施形態では、集光鏡および反射鏡を可動にして、レー
ザーの入射方向に合わせてその角度を変えることができ
るように構成して、入射光の方向に無関係に、常にノズ
ル内の一点に集光出来るようにされている。これによ
り、入射レーザー光の方向は、エンジンの推力方向に対
して、関係なく、自由な方向からレーザー光を当てるこ
とができ、レーザー光源の位置、方向は、エンジンの推
力方向に無関係に配置することが可能となる。また、図
示しないシステムにより、レーザー光の一部は電力に変
換し、バルブや製氷器の駆動などに使用する。
源を航空機に搭載して、航空機からレーザー光を供給す
るようにする。これにより地上に光源を配置した時に問
題となる、天候の影響を受けずに、レーザー光のエネル
ギーを軌道上を移動している宇宙機のエンジンに効率良
く供給することができる。このシステムの概念図を、図
2に示す。
を搭載した航空機21を、地球赤道上空に、複数基(5
機以上が望ましい)配置することにより、軌道上の宇宙
機に搭載されているレーザー熱推進エンジン22に、常
時レーザー光の供給が可能となる。なお、図中20は地
球である。
ルスレーザーを使用することが望ましい。レーザーとし
て反復パルスレーザーを用いれば、ピークパワー/平均
パワーの比が大きく、レーザー光源の光学系を小さくで
きるので、小型の光学系のレーザー源が航空機に搭載可
能となり、光源配置の自由度が増し、効率的にレーザー
光を供給できる。
エンジンシステムの実施形態について説明したが、本発
明は上記実施形態に限るものでなく、その技術的思想の
範囲内で種々の設計変更が可能である。例えば、レーザ
ー光源を搭載した航空機は、有人機に限らず、無人機、
飛行船などが利用可能であり、マイクロウエーブにより
エネルギーが供給される航空機を用いることも出来る。
また、航空機を使用してのレーザー光の伝送システム
は、請求項1〜4のエンジンシステムと組み合わせるこ
とにより、より効果を発揮するものであるが、該レーザ
ー光の伝送システムの適用は必ずしも前記エンジンシス
テムに限るものではない。
したエンジンシステムによれば、従来のレーザー推進エ
ンジンシステムでは例をみない、次のような格別な効果
を奏する。 (1)本発明のレーザー推進システムでは、エンジンに
は、燃料としては水のみを装備すれば良く、酸化剤タン
ク、電源などを装備しなくて良いため、軽量化が可能と
なる。 (2)また、推進薬(燃料)として長期保存性を有して
いる水を使用したので、エンジンへの搭載も容易であ
り、ノズルの冷却も同時に行なうことが出来る。 (3)燃料である水を、氷または水と氷が混合した状態
にすることで、レーザー光の焦点に確実に燃料を供給す
ることが出来る。その結果、燃料は、焦点位置でレーザ
ー光の熱エネルギーにより、効率良くプラズマガス化さ
れるので、エネルギーの損失が少なく、エネルギー効率
を高めることができる。また、プラズマガス化すること
で推進力を大きくし、比推力も大きく取ることが出来
る。 (4)レーザー源を航空機に搭載することによって、天
候等の影響を受けない地上から離れた位置等、レーザー
光源配置の自由度が増し、効率的にレーザー光をレーザ
ー熱推進エンジンに供給できる。 (5)レーザー光を受ける集光鏡を可変とすることによ
り、レーザー光源の位置によらず、常時、レーザー光を
受けることが出来る。 と云う、を得ることが出来た。
ムの構成の1例を示す概念図である。
ムにおいて、レーザー光のエネルギーを効率良く供給す
るためのシステムの概念図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 外部から供給されるレーザー光、集光光
学系、集光された前記レーザー光により推進薬をプラズ
マ化して噴射するノズルからなるエンジンシステムにお
いて、燃料として水を用いたことを特徴とするレーザー
光を利用したエンジンシステム。 - 【請求項2】 前記燃料としての水は、氷または水と氷
が混合した状態としてレーザー光の集光点に供給される
ことを特徴とする請求項1記載のレーザー光を利用した
エンジンシステム。 - 【請求項3】 前記燃料としての水により、噴射ノズル
を冷却することを特徴とする請求項1又は請求項2記載
のレーザー光を利用したエンジンシステム。 - 【請求項4】 前記集光光学系は、少なくとも2枚の可
動反射鏡からなることを特徴とする請求項1ないし請求
項3の何れか記載のレーザー光を利用したエンジンシス
テム。 - 【請求項5】 外部から供給されるレーザー光、集光光
学系、集光された前記レーザー光により燃料をプラズマ
化して噴射するノズルからなるエンジンシステムにおい
て、前記レーザー光源は赤道上空に配置された航空機に
搭載されていることを特徴とするレーザー光を利用した
エンジンシステム。 - 【請求項6】 レーザー光源は高出力反復パルスレーザ
ーであることを特徴とする請求項5記載のレーザー光を
利用したエンジンシステム。
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