JP2010275929A - Laser propulsion system - Google Patents

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Shigeaki Uchida
成明 内田
Yoshinari Minami
善成 南
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser propulsion system achieving high specific thrust rocket engine without limit in combustion chamber temperature, pressure, and space charge density, achieving variability of thrust and specific thrust, and enabling free flight not in a corded style such as a kite. <P>SOLUTION: This system includes a semiconductor laser, a beam change over switch connected to the semiconductor laser, a Q switch solid pulse laser connected to the beam change over switch, and a power source supplying electric power to the semiconductor laser. The system changes over an operation mode between a first operation mode for executing continuous irradiation of beam to water or steam by the semiconductor laser and a second operation mode for executing pulse irradiation of the beam to water or steam by the Q switch solid pulse laser based on excitation of the semiconductor laser, by the beam change over switch. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明はレーザー推進システムに関し、特に可燃性を問わない液体及び気体を推進剤として用い、これら推進剤に直接レーザーを照射することで発生する加熱噴出ガスを推進力として利用する推進器構造材料に制限を受けない高性能(高比推力)レーザー推進システムに関する。   The present invention relates to a laser propulsion system, and particularly to a propellant structural material that uses a liquid and a gas that are not flammable as propellants, and uses a heated jet gas generated by directly irradiating the propellant with a laser as a propulsive force. The present invention relates to a high-performance (high specific force) laser propulsion system that is not limited.

現有の宇宙推進システム、すなわち化学ロケット推進、電気推進(イオンスラスタ、MPDスラスタ、ホールスラスタ、アークジェットスラスタ)、レーザー推進、原子力推進は、すべて質量体の後方への噴射による運動量推力(反動推力)を推進原理としている。   The existing space propulsion systems, namely chemical rocket propulsion, electric propulsion (ion thruster, MPD thruster, hall thruster, arc jet thruster), laser propulsion, and nuclear propulsion, all have momentum thrust (reaction thrust) by injection to the rear of the mass. Is the driving principle.

近年、化学ロケット以外に電気推進やレーザー推進が実用化とともに研究開発が行われている。電気推進ではすでにイオンスラスタが衛星の姿勢制御に使用されており、また、マイクロ波放電イオンスラスタが、日本のJAXA ISASによる小惑星サンプルリターン計画での「はやぶさ」探査機に搭載され、宇宙空間航行の実績がある。他の有望な推進システムの候補がレーザー推進である。   In recent years, in addition to chemical rockets, electric propulsion and laser propulsion have been put into practical use as well as research and development. In electric propulsion, ion thrusters have already been used for attitude control of satellites, and microwave discharge ion thrusters have been installed on the Hayabusa spacecraft in Japan's JAXA ISAS asteroid sample return program. There is a track record. Another promising propulsion system candidate is laser propulsion.

レーザー推進の実用化の研究開発は、1999年7月ミラボーとエドワーズ空軍研究所のフランクリン・ミード率いるプロジェクトによりCO2レーザーによるエアーブリージング・パルス・デトネーション・レーザー方式で2.3Gの加速度で71mの垂直飛行に成功している。   R & D on the practical application of laser propulsion is a 71m vertical flight with acceleration of 2.3G by CO2 laser air breathing pulse detonation laser method by Mirabor and Franklin Mead project of Edwards Air Force Laboratory in July 1999 Has succeeded.

一般に、ロケット推進機は推進剤を高速の流体に加速して少ない推進剤質量で大きな推進力を得る。それを実現する方法として化学ロケット推進では、推進剤を燃焼室で高温に燃焼させて圧力を上げ、これをノズルから噴射することにより熱エネルギーを運動エネルギーに変換して推進力を得る。以下、「推進力」を通常使用される「推力」と記述する。   In general, a rocket propulsion device accelerates a propellant into a high-speed fluid to obtain a large propulsive force with a small amount of propellant. In chemical rocket propulsion as a method for realizing this, a propellant is burned to a high temperature in a combustion chamber to increase the pressure, and this is injected from a nozzle to convert thermal energy into kinetic energy to obtain propulsive force. Hereinafter, “propulsive force” is described as “thrust force” that is normally used.

高速の噴射ガスを発生するために燃焼室は高温・高圧に耐えうる材料である必要があり、周辺装置もそれに準じた要求を満たす必要がある。この他に化学ロケットでは燃料質量当りの発生エネルギー量が原理的に決まっており比推力の上限が存在する。常温で気体の燃料(水素、酸素など)は貯蔵に膨大なエネルギーが必要で、発射タイミングが燃料注入に左右される。基本的に酸化剤と燃料が必要で貯蔵に複雑な技術が必要であり、また混合比も制御する必要がある。固体ロケットは比較的安定であるが、点火後の推力調整は困難で、再着火も難しい。   In order to generate high-speed propellant gas, the combustion chamber needs to be made of a material that can withstand high temperatures and high pressures, and peripheral devices must also satisfy requirements corresponding thereto. In addition, in chemical rockets, the amount of energy generated per fuel mass is determined in principle, and there is an upper limit of specific thrust. Gaseous fuel (hydrogen, oxygen, etc.) at room temperature requires enormous energy for storage, and the firing timing depends on the fuel injection. Basically, an oxidizer and a fuel are required, a complicated technique is required for storage, and the mixing ratio needs to be controlled. Solid rockets are relatively stable, but thrust adjustment after ignition is difficult and reignition is difficult.

電気推進方式では、放電などにより発生した荷電粒子に電界などを印加して加速し、高速噴射ガスを発生させるので高温高圧燃焼室が不要となるが、空間に荷電粒子を運動させるため、その密度は空間電荷制限により限界があり、エンジン口径に対して発生できる推力に限界がある。宇宙機に搭載するエンジンは口径が限られるため大きな推進力を発生することができない。   In the electric propulsion method, an electric field is applied to the charged particles generated by discharge and the like to accelerate and generate a high-speed jet gas, eliminating the need for a high-temperature and high-pressure combustion chamber. Has a limit due to space charge limitation, and there is a limit to the thrust that can be generated against the engine caliber. An engine mounted on a spacecraft cannot generate a large propulsive force because its diameter is limited.

また、現在研究開発されている大部分のレーザー推進は、機体にレーザー源、パワー用電源を積載しないで、地上設備のレーザー源とパワー用電源により推進させられる凧のような紐付きの方式を想定している。レーザー推進の利点として、エネルギー源の搭載が必要ないことが利点としてよく云われるが、これは自由に飛行する宇宙機にとってはむしろ致命的な欠点である。凧のような紐付きの戦闘機は全く用を成さないのと同様、レーザー推進による宇宙機はレーザー源とパワー用電源ともに搭載し、自由に飛行する自立したシステムが必要である。   In addition, most laser propulsion currently being researched and developed assumes a string-like system that is propelled by the ground source laser source and power source without loading the aircraft with a laser source and power source. is doing. The advantage of laser propulsion is often described as the advantage that no energy source is required, which is rather a fatal drawback for a free-flying spacecraft. Just as a fighter with a string like a kite does not work at all, a laser-propelled spacecraft needs a self-supporting system that is equipped with both a laser source and a power source for power.

従来のレーザー推進システムは、外部から(赤道上空上に配置された航空機)からのレーザーを地球周回軌道上の軌道間輸送機等の水または氷に照射することで、プラズマ噴射により推力を得ている(例えば、特許文献1参照)。   The conventional laser propulsion system irradiates water or ice from an external orbital aircraft (aircraft placed above the equator) on water or ice on an orbit around the earth, and obtains thrust by plasma injection. (For example, refer to Patent Document 1).

また、レーザーを光ファイバーなどの有線装置を通して推力発生装置に供給し、プラズマ噴射で推力を得ているものもある(例えば、特許文献2参照)。   In addition, there is a laser that supplies a thrust to a thrust generation device through a wired device such as an optical fiber and obtains a thrust by plasma injection (for example, see Patent Document 2).

特開2001−132542号公報(第2−4頁、図1)JP 2001-132542 A (page 2-4, FIG. 1) 特開2003 −148247号公報(第2−5頁、図1)JP 2003-148247 A (page 2-5, FIG. 1)

上述した従来のレーザー推進システムは、いずれも機体にレーザー源、パワー用電源を搭載していない、つまり地上や赤道上の航空機等の外部からレーザー伝送されるレーザー光を集光して推進剤に照射し推進力を得るものなので、凧のような紐付きの方式で自由に飛行ができないという欠点を有している。   None of the conventional laser propulsion systems described above has a laser source or power supply mounted on the fuselage, that is, the laser beam transmitted from the outside, such as an aircraft on the ground or the equator, is condensed into a propellant. Since it is irradiated and gains propulsive power, it has the disadvantage that it cannot fly freely with a stringed system like a kite.

また、化学燃料を推進剤とする方式は燃焼室温度と圧力に制限されるので、高い比推力のロケットエンジンを実現できないという欠点を有している。
本発明の目的は、燃焼室温度と圧力に制限されること無く高い比推力のロケットエンジンの実現並びに推力及び比推力の可変性を実現し、凧のような紐付きの方式でなく自由に飛行できるレーザー推進システムを提供することにある。
In addition, the method using a chemical fuel as a propellant has a drawback that a rocket engine with a high specific thrust cannot be realized because it is limited to the combustion chamber temperature and pressure.
The object of the present invention is to realize a rocket engine with a high specific thrust without being limited by the combustion chamber temperature and pressure, and to realize a variable thrust and a specific thrust, and can fly freely instead of a stringed system such as a kite. It is to provide a laser propulsion system.

本発明の第1のレーザー推進システムは、任意の推進剤をレーザーにより加熱し、発生する高温・高圧の蒸気の運動エネルギーを利用して推力を発生することを特徴としている。   The first laser propulsion system of the present invention is characterized in that an arbitrary propellant is heated by a laser, and thrust is generated using the kinetic energy of generated high-temperature and high-pressure steam.

本発明の第2のレーザー推進システムは、前記第1のレーザー推進システムにおいて、前記高温・高圧の蒸気に直接レーザーエネルギーを吸収させ、ノズル壁面に加わる熱負荷を抑制しながら推力を発生することを特徴としている。 According to a second laser propulsion system of the present invention, in the first laser propulsion system, the high-temperature and high-pressure steam directly absorbs laser energy and generates a thrust while suppressing a thermal load applied to the nozzle wall surface. It is a feature.

本発明の第3のレーザー推進システムは、前記第1または第2のレーザー推進システムにおいて、前記推進剤の加熱源としての前記レーザーは、連続発振とパルス発振を任意に切り替えて動作することを特徴としている。 According to a third laser propulsion system of the present invention, in the first or second laser propulsion system, the laser as a heating source of the propellant operates by arbitrarily switching between continuous oscillation and pulse oscillation. It is said.

本発明の第4のレーザー推進システムは、前記第3のレーザー推進システムにおいて、前記レーザーは、固体レーザー、半導体レーザー、ファイバーレーザーの単独使用及び組み合わせ使用であることを特徴としている。 The fourth laser propulsion system according to the present invention is characterized in that, in the third laser propulsion system, the laser is a solid laser, a semiconductor laser, or a fiber laser used alone or in combination.

本発明の第5のレーザー推進システムは、水を燃料としこの水にレーザー光を照射するレーザー源と、このレーザー源に電力を供給する電源とを備えたことを特徴としている。 The fifth laser propulsion system of the present invention is characterized by including a laser source that uses water as fuel and irradiates the water with laser light, and a power source that supplies power to the laser source.

本発明の第6のレーザー推進システムは、水を加熱した水蒸気と、この水蒸気にレーザー光を照射するレーザー源と、このレーザー源に電力を供給する電源とを備えたことを特徴としている。 A sixth laser propulsion system according to the present invention is characterized by including water vapor that heats water, a laser source that irradiates the water vapor with laser light, and a power source that supplies power to the laser source.

本発明の第7のレーザー推進システムは、水及び水蒸気を有し、いずれか一方にレーザー光を照射するレーザー源と、このレーザー源に電力を供給する電源とを備えたことを特徴としている。 The seventh laser propulsion system of the present invention is characterized by including a laser source that has water and water vapor, and irradiates one of them with a laser beam, and a power source that supplies power to the laser source.

本発明の第8のレーザー推進システムは、前記第5〜7のいずれかのレーザー推進システムにおいて、前記レーザー源が半導体レーザーであることを特徴としている。 An eighth laser propulsion system of the present invention is characterized in that, in the laser propulsion system according to any one of the fifth to seventh aspects, the laser source is a semiconductor laser.

本発明の第9のレーザー推進システムは、前記第5〜7のいずれかのレーザー推進システムにおいて、前記レーザー源が半導体レーザー励起Qスイッチ固体パルスレーザーであることを特徴としている。 The ninth laser propulsion system of the present invention is characterized in that, in any of the fifth to seventh laser propulsion systems, the laser source is a semiconductor laser excitation Q-switched solid state pulse laser.

本発明の第10のレーザー推進システムは、前記第5〜7のいずれかのレーザー推進システムにおいて、前記レーザー源が半導体レーザーと半導体レーザー励起Qスイッチ固体パルスレーザーとを有し、いずれか一方のレーザー源に切り替えることを特徴としている。 A tenth laser propulsion system according to the present invention is the laser propulsion system according to any one of the fifth to seventh aspects, wherein the laser source includes a semiconductor laser and a semiconductor laser excitation Q-switched solid-state pulse laser, It is characterized by switching to the source.

本発明の第11のレーザー推進システムは、前記第9または第10のいずれかのレーザー推進システムにおいて、前記固体レーザーがYAGレーザーであることを特徴としている。 An eleventh laser propulsion system according to the present invention is characterized in that, in any of the ninth and tenth laser propulsion systems, the solid-state laser is a YAG laser.

本発明の第12のレーザー推進システムは、前記第5〜11のいずれかのレーザー推進システムにおいて、前記電源が燃料電池であることを特徴としている。 According to a twelfth laser propulsion system of the present invention, in any of the fifth to eleventh laser propulsion systems, the power source is a fuel cell.

本発明の第13のレーザー推進システムは、前記第5〜11のいずれかのレーザー推進システムにおいて、前記電源が燃料電池と太陽電池とを備えたことを特徴としている。 A thirteenth laser propulsion system according to the present invention is characterized in that, in any of the fifth to eleventh laser propulsion systems, the power source includes a fuel cell and a solar cell.

本発明の第14のレーザー推進システムは、前記第12または第13のいずれかのレーザー推進システムにおいて、前記燃料電池が固体高分子形燃料電池であることを特徴としている。 A fourteenth laser propulsion system according to the present invention is characterized in that, in the twelfth or thirteenth laser propulsion system, the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の第15のレーザー推進システムは、
半導体レーザーと;
前記半導体レーザーに接続するビーム切替スイッチと;
前記ビーム切替スイッチに接続するQスイッチ固体パルスレーザーと;
前記半導体レーザーに電力を供給する電源と;
を備え、前記ビーム切替スイッチにより、前記半導体レーザーにより推進剤を連続照射する第1の動作モード及び前記半導体レーザー励起にもとづく前記Qスイッチ固体パルスレーザーにより前記推進剤をパルス照射する第2の動作モードの切り替えを行うことを特徴としている。
The fifteenth laser propulsion system of the present invention is
With semiconductor lasers;
A beam changeover switch connected to the semiconductor laser;
A Q-switched solid state pulse laser connected to the beam changeover switch;
A power supply for supplying power to the semiconductor laser;
And a second operation mode in which the propellant is pulsed by the Q-switched solid-state pulse laser based on the excitation of the semiconductor laser. It is characterized by switching.

本発明の第16のレーザー推進システムは、前記第15のレーザー推進システムにおいて、前記推進剤が水蒸気、水又は氷であることを特徴としている。 According to a sixteenth laser propulsion system of the present invention, in the fifteenth laser propulsion system, the propellant is water vapor, water, or ice.

本発明の第17のレーザー推進システムは、前記第15または第16のいずれかのレーザー推進システムにおいて、前記固体レーザーがYAGレーザーであることを特徴としている。 The seventeenth laser propulsion system of the present invention is characterized in that, in any one of the fifteenth and sixteenth laser propulsion systems, the solid-state laser is a YAG laser.

本発明の第18のレーザー推進システムは、前記第15〜17のいずれかのレーザー推進システムにおいて、前記電源が燃料電池と太陽電池のいずれか一方又は両方を備えたことを特徴としている。 An eighteenth laser propulsion system according to the present invention is characterized in that in the laser propulsion system according to any one of the fifteenth to seventeenth aspects, the power source includes one or both of a fuel cell and a solar cell.

本発明の第19のレーザー推進システムは、前記第18のレーザー推進システムにおいて、前記燃料電池が固体高分子形燃料電池であることを特徴としている。 According to a nineteenth laser propulsion system of the present invention, in the eighteenth laser propulsion system, the fuel cell is a solid polymer fuel cell.

本発明の第20のレーザー推進システムは、前記第1〜19のいずれかのレーザー推進システムを装備した宇宙機又は航空機を特徴としている。 A twentieth laser propulsion system of the present invention is characterized by a spacecraft or an aircraft equipped with any one of the first to nineteenth laser propulsion systems.

以上説明したように、本発明のレーザー推進システムは、水または水蒸気にレーザー照射するレーザー源とこれに電力を供給する電力源を搭載できるので、自立した自由な飛行が行えるという効果を有している。   As described above, the laser propulsion system according to the present invention can be equipped with a laser source that irradiates water or water vapor with a laser and a power source that supplies power to the laser source. Yes.

また、燃焼室温度、圧力、空間電荷密度に制限されることが無いので、高い比推力のロケットエンジンの実現並びに推力及び比推力の可変性を実現するという効果を有している。 Further, since there is no limitation on the combustion chamber temperature, pressure, and space charge density, it has the effect of realizing a rocket engine with high specific thrust and variability of thrust and specific thrust.

レーザー出力と推進力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a laser output and driving force. 本発明のレーザー推進システムの一つの実施の形態を示すシステムブロック図である。It is a system block diagram showing one embodiment of a laser propulsion system of the present invention. 図2の半導体パワーレーザー励起QスイッチYAGレーザーの一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the semiconductor power laser excitation Q switch YAG laser of FIG. 加熱水蒸気へのレーザー照射を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the laser irradiation to heating water vapor | steam. 水へのレーザー照射を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows laser irradiation to water. レーザー推進システムを搭載した宇宙機を示す概観図である。It is a general-view figure which shows the spacecraft carrying a laser propulsion system.

レーザー推進の基本原理は、レーザー照射による高温ガスまたはイオン噴き出しの反動力を利用するものである。物質をレーザーで照射すると、物質は溶けて蒸発する。この蒸発はレーザー照射方向と反対に溶けた粒子が後方に飛散するので反動推力が発生する。これはロケットの噴射に相当し、ロケットと同じ運動量推力による推進原理である。   The basic principle of laser propulsion utilizes the reaction force of high-temperature gas or ion ejection caused by laser irradiation. When the material is irradiated with a laser, the material melts and evaporates. In this evaporation, particles melted in the direction opposite to the laser irradiation direction scatters backward, and a reaction thrust is generated. This is equivalent to rocket injection and is the same propulsion principle with the same momentum thrust as the rocket.

レーザー推進方式は大きく2種類に分類される。第1に、水素等分子量の小さい物質を推進剤に用い、大出力パルスレーザーにより高比推力を実現する推進方式、第2に、水等の比較的分子量の大きい物質を推進剤に用い、連続レーザーにより高推力を実現する推進方式である。   There are two types of laser propulsion systems. First, a propellant that uses a low molecular weight substance such as hydrogen as a propellant, and achieves a high specific thrust with a high-power pulse laser. Second, a relatively large molecular weight substance such as water is used as a propellant. This is a propulsion method that achieves high thrust with a laser.

レーザー推進技術では、レーザー光と推進剤の組み合わせにより、推進剤に任意のエネルギー密度を与えることが可能となり、推進剤排気速度や流体の運動状態を制御できる。
レーザー推進での推力発生に関し、2つの重要な性能指標がある。レーザー推進特有の運動量結合係数Cm (Momentum coupling
coefficient :N・s/J= N/W) と通常の推進で使用される比推力ISPである。運動量結合係数Cmは電気推進での推力電力比(N/kW)のことである。運動量推力を推進原理とする推進システムでは、推力F(N)と投入パワーP、この投入パワーPがどれだけ推進剤の運動エネルギーに変換されたかを示す推進効率ηとの次の関係式が重要である。レーザー推進なのでレーザーパワーPL(W)とする。ただし、gは重力加速度、m(kg/s)は推進剤流量、VE(m/s)はアブレートした物質の飛散速度(推進剤流速)を示す。
(1)
運動量結合係数Cmはターゲットへのレーザーエネルギーに対するターゲット表面で発生するアブレーションによる蒸発物質の運動量の比で定義され、1〜100 dyne・s/J(dyne/W = 10N/MW)の範囲とされる。レーザーパワー単位W当たりの発生推力とも解釈できる。
(2)
比推力Ispは次式で定義される。
(3)
レーザー推進における単位時間当たりのエネルギー収支について下記が成立する。
(4)
ηは照射レーザーエネルギーPLが推進剤の運動エネルギー
に変換された割合を示す。(2),(3),(4)式から(5)式が得られる。
(5)
(5)式のCとISPの積は流体効率を示す。レーザー推進の性能は、レーザーエネルギーからプラズマ運動エネルギーへの変換効率(流体効率)を上限として制御できることになる。
In laser propulsion technology, it becomes possible to give an arbitrary energy density to the propellant by a combination of laser light and propellant, and the propellant exhaust speed and fluid motion state can be controlled.
There are two important performance indicators for thrust generation in laser propulsion. Laser propulsion specific momentum coupling coefficient C m (Momentum coupling
coefficient: N · s / J = N / W) and a specific impulse I SP to be used in the normal propulsion. The momentum coupling coefficient C m is the thrust power ratio (N / kW) in electric propulsion. In a propulsion system that uses momentum thrust as the propulsion principle, the following relational expression is important: thrust F (N), input power P, and propulsion efficiency η that indicates how much this input power P is converted into kinetic energy of the propellant It is. Since laser propulsion is used, the laser power P L (W) is used. Here, g is the acceleration of gravity, m (kg / s) is the propellant flow rate, and V E (m / s) is the scattering rate (propellant flow rate) of the ablated material.
(1)
The momentum coupling coefficient C m is defined as the ratio of the momentum of the evaporated substance due to ablation generated on the target surface to the laser energy to the target, and is in the range of 1 to 100 dyne · s / J (dyne / W = 10N / MW). The It can also be interpreted as the thrust generated per unit of laser power.
(2)
Specific thrust Isp is defined by the following equation.
(3)
The following holds for the energy balance per unit time in laser propulsion.
(Four)
η is the irradiation laser energy P L is the kinetic energy of the propellant
The percentage converted to is shown. Equation (5) is obtained from equations (2), (3), and (4).
(Five)
(5) the product of C m and I SP of formula represents the fluid efficiency. The performance of laser propulsion can be controlled with the upper limit of the conversion efficiency (fluid efficiency) from laser energy to plasma kinetic energy.

一方、(3)式から比推力ISPは推進剤の速度VEのみで決まる。流体効率(2η/g)が決まれば、(5)式よりCとISPは反比例するから、CとISPのトレードオフが可能となる。つまり、レーザーパワーと推進剤の利用効率がトレードオフできることになる。 On the other hand, it depends only on the speed V E of the propellant specific impulse I SP from equation (3). If the fluid efficiency (2η / g) is determined, C m and ISP are inversely proportional to each other according to the equation (5), so that it is possible to trade off C m and ISP . In other words, the laser power and the utilization efficiency of the propellant can be traded off.

例えば、レーザーパワーに対して大きな推力を出す推進システム(大量の推進剤をして大きなCが得られる)と、大きな比推力(大きなISP)を出す推進システム(少ない量の推進剤により推力を出す)推進システムが、現実の条件を反映させながらレーザー推進の設計が可能であることを示す。つまりは、推進剤排気速度の制御により推進剤消費を抑えた高ISPか、大きな推力を得る高Cの選択が可能となる。高ISPの推進剤節約モードは、周回軌道から静止軌道への遷移または惑星ミッションへの利用に最適である。 For example, a propulsion system that produces a large thrust with respect to laser power (a large amount of propellant is used to obtain a large C m ) and a propulsion system that produces a large specific thrust (a large ISP ) (thrust with a small amount of propellant) Show that the propulsion system can design laser propulsion while reflecting actual conditions. That is, high I SP or with reduced propellant consumed by the control of the propellant exhaust velocity, selection of high C m becomes possible to obtain a large thrust. Propellant saving mode of high I SP is ideal for use to transition or planetary missions from orbit to geosynchronous orbit.

本発明のレーザー推進は、燃料(推進剤)として化学活性の高い酸化剤や還元剤を必要とせずに水のような安定で安価な物質を利用することができる。また排気ガスは地球環境にインパクトのない水蒸気であり、将来の航空宇宙機の推進システムとして開発する意義は非常に高い。レーザー推進はレーザーの高パワー密度(光強度)性を利用して推進剤に与えた熱エネルギーを運動エネルギーに変換して推力を発生する技術である。 The laser propulsion of the present invention can use a stable and inexpensive substance such as water without requiring a highly chemically active oxidizing agent or reducing agent as a fuel (propellant). In addition, the exhaust gas is water vapor that has no impact on the global environment, and it is highly meaningful to develop it as a propulsion system for future aerospace vehicles. Laser propulsion is a technology for generating thrust by converting thermal energy applied to a propellant into kinetic energy using the high power density (light intensity) property of a laser.

化学燃焼に基づく従来の推進システムに比べて、レーザー推進では推進剤の熱エネルギー(温度)や運動エネルギーが自由に選択でき、推進システムの目的に応じてエンジンの性能を設計することが容易となる。ターゲットに大きなレーザーパワーまたは小さなレーザーパワーを任意に投入できる。また、燃料に取り扱いの容易な物質(水など)を利用することができるので、推進システムの信頼性と取り扱い安さを向上させ、コスト低減を図ることが可能であると考えられる。 Compared to conventional propulsion systems based on chemical combustion, laser propulsion allows you to freely select the propellant's thermal energy (temperature) and kinetic energy, making it easier to design engine performance according to the purpose of the propulsion system. . A large laser power or a small laser power can be arbitrarily applied to the target. In addition, since a material (such as water) that can be easily handled can be used for the fuel, it is considered that the reliability and ease of handling of the propulsion system can be improved and the cost can be reduced.

これまでのレーザー推進研究では実験室において種々の推進剤にレーザー照射を行い、入射レーザーパワーに対して発生する推進力や噴出ガス速度などの基礎的データが測定されている。その結果、レーザーの照射パワー密度(集光の仕方)と推進剤の組み合わせによりガス噴出速度を100m/sから40
km/sまで変化させ得ることが確認でき、レーザー推進システムが様々な用途に応用可能であることを示すとともに、推進システムの設計に必要な基礎データが取得されている。
In previous laser propulsion research, various propellants were irradiated with laser in the laboratory, and basic data such as propulsive force generated against incident laser power and jet gas velocity were measured. As a result, the gas ejection speed can be changed from 100m / s to 40m depending on the combination of laser irradiation power density (condensing method) and propellant.
It can be confirmed that the laser propulsion system can be changed up to km / s, which indicates that the laser propulsion system can be applied to various applications, and basic data necessary for the design of the propulsion system has been acquired.

図1はレーザー出力と推進力との関係を示す実験データをまとめた図である。図1は(1)式の
と一致をみている。
パラメータである効率ηと比推力Ispはそれぞれレーザーエネルギーが推進剤の運動エネルギーに変換される割合(運動エネルギー変換率)と比推力(推進剤噴出ガス速度÷重力加速度、単位=秒)である。図1の青で示した線は水を推進剤とし、比推力600秒でHII-Aロケットなど液体酸素+液体水素の燃焼により得られる性能に匹敵する条件である。赤で示した線は金属を推進剤とし、比推力3000秒で、はやぶさ(JAXA)などに採用されたイオンエンジンに匹敵する性能である。
FIG. 1 is a table summarizing experimental data showing the relationship between laser power and propulsive force. Figure 1 shows the formula (1)
Looking for a match.
The parameters efficiency η and specific thrust Isp are the ratio (kinetic energy conversion rate) and specific thrust (propellant jet gas velocity ÷ gravity acceleration, unit = second) at which laser energy is converted into propellant kinetic energy, respectively. The blue line in Fig. 1 is a condition comparable to the performance obtained by burning liquid oxygen + liquid hydrogen such as an HII-A rocket with a specific thrust of 600 seconds using water as a propellant. The line shown in red uses metal as a propellant and has a specific thrust of 3000 seconds, which is comparable to the performance of an ion engine adopted by Hayabusa (JAXA).

与えられたレーザーパワーに対して比推力が低いモードで運転するシステムがより大きな推力を発生する(ただし、より多くの推進剤を消費する)。また、比推力3000秒程度では噴出ガスはプラズマとなっており、輻射損失がエネルギー変換率低下の原因となる。 A system operating in a mode with a low specific thrust for a given laser power will produce a larger thrust (but consume more propellant). Further, when the specific thrust is about 3000 seconds, the jet gas is plasma, and the radiation loss causes the energy conversion rate to decrease.

エネルギー源として用いるレーザーは、小型ながら近年高出力化が進んでいる半導体レーザー(LD)が宇宙機搭載型として適している。半導体レーザーは基本的に連続発振であり、比較的低比推力の噴射ガスの発生に適している。一方、高い比推力を得るためには高いピークパルスを発生するパルス動作型のレーザー装置が適している。この条件を実現するためには、半導体レーザーを励起源とし、Qスイッチを付加した固体レーザー(Nd:YAG等)が技術的に適している。 As a laser used as an energy source, a semiconductor laser (LD) whose output has been increasing in recent years despite its small size is suitable as a spacecraft-mounted type. A semiconductor laser basically has continuous oscillation and is suitable for generating a jet gas having a relatively low specific thrust. On the other hand, in order to obtain a high specific thrust, a pulse operation type laser device that generates a high peak pulse is suitable. In order to realize this condition, a solid-state laser (Nd: YAG or the like) using a semiconductor laser as an excitation source and added with a Q switch is technically suitable.

本発明では推進剤として水、氷または水蒸気等を用いる。水(液体)に比べて水蒸気にする利点は、エネルギー効率の高い高温(高圧力)を作り出せることである。少ない質量(分子)に大量のパワーを集中できるので温度が高くできる。つまり、水蒸気にすると密度が水の千分の一程度になるので同じ体積にレーザーパワーを打ち込むと水蒸気の方が高い温度になってIspが上がることになる。 In the present invention, water, ice, water vapor or the like is used as a propellant. The advantage of using water vapor compared to water (liquid) is that it can create a high temperature (high pressure) with high energy efficiency. Since a large amount of power can be concentrated on a small mass (molecule), the temperature can be increased. In other words, if water vapor is used, the density will be about one-thousandth of water, so if laser power is injected into the same volume, water vapor will have a higher temperature and Isp will increase.

さらに水蒸気とレーザーの組み合わせを利用する利点は、加熱領域を水蒸気の内部に生成することで燃焼室やノズルに熱負荷をかけないので材料の耐熱性を気にせずに高温(高圧力)が発生できることである。温度を上げることにより密度の薄い推進剤(少ない推進剤で)で大きな推力を出すことができる(つまりIspが上がる)。 Furthermore, the advantage of using a combination of water vapor and laser is that the heating zone is generated inside the water vapor so that no heat load is applied to the combustion chamber or nozzle, so high temperature (high pressure) is generated without worrying about the heat resistance of the material. It can be done. By increasing the temperature, a large thrust can be produced with a low density propellant (with a small amount of propellant) (that is, Isp increases).

なお、レーザーパワーと水蒸気の流量は独立に制御できるが、Ispを高くしようとして水蒸気の流量を下げ過ぎると水蒸気が薄くなり、レーザーの吸収効率が落ちてくるので制限がある。推進効率ηはレーザーエネルギーから流体運動エネルギーへの変換効率で、一般に低強度のレーザーで推進剤を加熱すると低温の噴射となりロスが少なく、変換効率の高いエネルギー変換が起こる。一方、Ispを高くしようとして温度を上げると、潜熱(蒸発熱やイオン化エネルギー)や輻射損失が増えてきて(温度の4乗に比例)運動エネルギーへの変換効率が低下する。 The laser power and water vapor flow rate can be controlled independently, but there is a limitation because if the water vapor flow rate is lowered too much to increase Isp, the water vapor becomes thinner and the laser absorption efficiency decreases. The propulsion efficiency η is the conversion efficiency from laser energy to fluid kinetic energy. Generally, when the propellant is heated with a low-intensity laser, low-temperature jetting results in low loss and energy conversion with high conversion efficiency occurs. On the other hand, when the temperature is raised to increase Isp, latent heat (evaporation heat and ionization energy) and radiation loss increase (proportional to the fourth power of temperature), and the conversion efficiency to kinetic energy decreases.

ちなみに、比熱比をk、推進剤の単位分子量あたりの気体定数をR、レーザーによる推進剤の加熱温度をTとすると、レーザーの加熱により得られる比推力Ispは式(6)で与えられる。式(6)から、加熱温度により比推力が制御できることが理解される。
Incidentally, if the specific heat ratio is k, the gas constant per unit molecular weight of the propellant is R, and the heating temperature of the propellant by the laser is T, the specific thrust Isp obtained by laser heating is given by the equation (6). From formula (6), it is understood that the specific thrust can be controlled by the heating temperature.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図2は本発明のレーザー推進システムの一つの実施の形態を示すシステムブロック図である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a system block diagram showing an embodiment of the laser propulsion system of the present invention.

図2に示す本実施の形態は、システムに電力を供給する電源1と、連続レーザーを出力する半導体パワーレーザーダイオード(LD)2と、パルスレーザーを出力する半導体パワーレーザー励起QスイッチYAGレーザー3と、半導体パワーレーザー単独による連続レーザーと半導体パワーレーザー励起QスイッチYAGレーザーによるパルスレーザーを切り替えるビームスイッチ4と、システムの発熱を冷却するラジエター5とから構成されている。   The embodiment shown in FIG. 2 includes a power source 1 that supplies power to the system, a semiconductor power laser diode (LD) 2 that outputs a continuous laser, a semiconductor power laser pumped Q-switched YAG laser 3 that outputs a pulsed laser, The beam switch 4 switches between a continuous laser using a semiconductor power laser alone and a pulsed laser using a semiconductor power laser pumped Q-switch YAG laser, and a radiator 5 that cools the heat generated by the system.

図2を用いて動作を説明する。半導体パワーレーザーダイオード(LD)2は基本的に連続発振であり、比較的低比推力の噴射ガスの発生に適している。一方、高い比推力を得るためには高いピークパルスを発生するパルス動作型のレーザー装置、例えば半導体パワーレーザー励起QスイッチYAGレーザー3が適している。これは半導体レーザーで発生した光を励起源として用い、別の固体レーザーをパルス発振させる方式である。 The operation will be described with reference to FIG. The semiconductor power laser diode (LD) 2 is basically continuous oscillation and is suitable for generating a jet gas having a relatively low specific thrust. On the other hand, in order to obtain a high specific thrust, a pulse operation type laser device that generates a high peak pulse, for example, a semiconductor power laser excitation Q-switched YAG laser 3 is suitable. In this method, light generated by a semiconductor laser is used as an excitation source, and another solid-state laser is pulse-oscillated.

図2のレーザーシステムを搭載した宇宙機のレーザー推進システムは、宇宙機が推力は比較的小さくても燃費の良い高比推力つまり宇宙機の推進速度を速くしたい動作モードの場合は、パルスレーザーを出力する半導体パワーレーザー励起QスイッチYAGレーザー3に切り替えて推進させる。   The spacecraft laser propulsion system equipped with the laser system shown in Fig. 2 uses a pulse laser in the operation mode in which the spacecraft has a relatively small thrust but a high specific thrust with good fuel efficiency, that is, to increase the spacecraft propulsion speed. The semiconductor power laser excitation Q switch YAG laser 3 to be output is switched to be propelled.

一方、燃費は多少悪くても宇宙機を加速させるため大きな推力を必要とする場合は、半導体パワーレーザーダイオード(LD)2の単独動作モードに切り替える。ビームスイッチ4は高比推力・低推力モードと低比推力・高出力モードの切り替え制御を行う。半導体パワーレーザー単独による連続レーザーと半導体パワーレーザー励起QスイッチYAGレーザーによるパルスレーザーをビームスイッチ4で切り替えて使用する。レーザーで発生する熱はラジエター5により冷却される。 On the other hand, if a large thrust is required to accelerate the spacecraft even if the fuel efficiency is somewhat poor, the semiconductor power laser diode (LD) 2 is switched to the single operation mode. The beam switch 4 performs switching control between a high specific thrust / low thrust mode and a low specific thrust / high output mode. The beam switch 4 switches between a continuous laser using a semiconductor power laser alone and a pulse laser using a semiconductor power laser pumped Q-switched YAG laser. Heat generated by the laser is cooled by the radiator 5.

上述の通り、例えば、噴出するガスの速度を大きくすれば、より少ない質量の推進剤で多くの運動量を発生することができる。一方、速度を小さくすれば、より小さなエネルギーで同じ運動量を得ることができる。前者は「ハヤブサ」など電気推進(推進ガス速度10km/s以上)の条件であり、より少ない推進剤で小惑星まで飛ぶことができた。後者はHII-Aロケットやジェットエンジン(噴出ガス速度5km/s以下)であり、化学燃料がふんだんに使える場合に採用される。本発明のレーザー推進システムではこの両者の性能を単一のエンジンシステムで切り替えながら実現できる。 As described above, for example, if the velocity of the ejected gas is increased, a large amount of momentum can be generated with a smaller amount of propellant. On the other hand, if the speed is reduced, the same momentum can be obtained with smaller energy. The former was a condition of electric propulsion (propulsion gas speed of 10km / s or more) such as "Falcon", and was able to fly to the asteroid with less propellant. The latter are HII-A rockets and jet engines (with a gas velocity of 5 km / s or less), and are used when chemical fuel can be used abundantly. In the laser propulsion system of the present invention, both of these performances can be realized by switching with a single engine system.

はやぶさの探査機は4基のイオンスラスタを搭載しているが、1基8mNのイオンスラスタ3基同時運用で24mNの推力で宇宙空間を航行していた。イオンスラスタ3基への供給電力は約1kW(イオンスラスタ1基の消費電力349W)だが、ハイパワー半導体レーザー単独または半導体レーザー励起YAGレーザーのレーザーエンジンで、この探査機搭載電力を用いることで同等以上の推力を生成することが可能である。 The Hayabusa spacecraft was equipped with four ion thrusters, but was navigating outer space with a thrust of 24 mN using three 8 mN ion thrusters simultaneously. The power supplied to the three ion thrusters is about 1 kW (power consumption of one ion thruster is 349 W), but it is equivalent to or higher by using the power installed in this spacecraft with a laser engine of a high power semiconductor laser alone or a semiconductor laser pumped YAG laser. Thrust can be generated.

この半導体レーザー励起パルスYAGレーザーの方式は、比推力の高い燃料節約型には適しているが、その分高い推力は得られない。これはYAGレーザーによるQスイッチ方式がピークパワーの高いパルスレーザーにより水の表面のみが急速に加熱されるため、アブレーションされる質量が小さいためである。それだけ、推進剤としての水の消費量を抑えるので燃費がよくなる。 This semiconductor laser excitation pulse YAG laser method is suitable for a fuel saving type with a high specific thrust, but a high thrust cannot be obtained accordingly. This is because the mass of ablated is small because only the surface of water is rapidly heated by a pulse laser having a high peak power in the Q switch method using a YAG laser. The fuel consumption is improved because the consumption of water as a propellant is reduced.

むしろ比推力は抑えても高い推力が必要な場合、半導体レーザーを直接推進剤に照射する方式が望ましい。半導体レーザーを直接水に当てた場合は加熱がゆっくり起こるため、パルスに比べて大きな体積の水が同時に加熱されるとともに温度は低く保たれるので、大きな質量の低温推進剤の噴射が発生する。したがって、大きなCが実現され大きな推力が得られる。 On the contrary, when high thrust is required even if the specific thrust is suppressed, a method of directly irradiating the propellant with a semiconductor laser is desirable. When the semiconductor laser is directly applied to water, heating occurs slowly, so that a large volume of water is simultaneously heated and the temperature is kept low as compared to the pulse, so that a large mass of low-temperature propellant is injected. Therefore, a large C m is realized and a large thrust is obtained.

したがって、図2のように直接的に水を照射する半導体パワーレーザーと、半導体パワーレーザー励起QスイッチYAGレーザーの2系統を用意し、高推力低比推力モード(半導体パワーレーザー単独)と低推力高比推力モード(半導体パワーレーザー励起QスイッチYAGレーザー)を任意に切り替えて、地球周回飛行、宇宙空間飛行用に運用することが望ましい。 Therefore, two systems of semiconductor power laser that directly irradiates water as shown in FIG. 2 and semiconductor power laser pumped Q-switched YAG laser are prepared, high thrust low specific thrust mode (semiconductor power laser alone) and low thrust high It is desirable that the specific thrust mode (semiconductor power laser excitation Q-switched YAG laser) is arbitrarily switched to operate for orbiting the earth and flying in space.

次に、図3は図2の半導体パワーレーザー励起QスイッチYAGレーザーの一例を示すブロック図である。 FIG. 3 is a block diagram showing an example of the semiconductor power laser pumped Q-switched YAG laser shown in FIG.

これは半導体レーザーで発生した光を励起源として用い、別の固体レーザーをパルス発振させる方式である。図3を参照すると、レーザーダイオードに電力を供給する電源1と、半導体パワーレーザーダイオード(LD)2と、レーザー光を集光する集光レンズ6と、レーザー媒質7と、Qスイッチ素子8と、出力用結合ミラー9とから構成されている。なお、図3において図2に示す構成要素に対応するものは同一の参照数字または符号を付し、その説明を省略する。 In this method, light generated by a semiconductor laser is used as an excitation source, and another solid-state laser is pulse-oscillated. Referring to FIG. 3, a power source 1 for supplying power to the laser diode, a semiconductor power laser diode (LD) 2, a condensing lens 6 for condensing the laser beam, a laser medium 7, a Q switch element 8, And an output coupling mirror 9. In FIG. 3, components corresponding to those shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals or symbols, and description thereof is omitted.

固体レーザーは大きなエネルギーを蓄積できるYAGなどの結晶をレーザー媒質として用い、光を蓄積して瞬間的に放出するQスイッチ素子との組み合わせにより、容易に光パルスを発生することができる。 A solid-state laser can easily generate light pulses by using a crystal such as YAG that can store a large amount of energy as a laser medium and combining it with a Q switch element that stores light and emits it instantaneously.

図3には出力と効率の一例として電源容量1000Wの場合のシステム要素の典型的なパワーの流れを示す。この装置により数ミリニュートンの推力を発生するシステムが可能である。半導体レーザーの変換効率を70%として電源1の出力1000Wからレーザーパワー700Wの出力が得られる。これを集光レンズ6で集光し、レーザー媒質7(YAGロッド)に照射する。レーザー媒質7の量子効率を考慮し、500Wのパワーがレーザー媒質7のYAGロッドを励起する。 FIG. 3 shows a typical power flow of system elements in the case of a power supply capacity of 1000 W as an example of output and efficiency. With this device, a system that generates a thrust of several millinewtons is possible. With a conversion efficiency of 70% for the semiconductor laser, an output of 700 W of laser power can be obtained from an output of 1000 W of the power supply 1. This is condensed by the condenser lens 6 and irradiated to the laser medium 7 (YAG rod). Considering the quantum efficiency of the laser medium 7, the power of 500 W excites the YAG rod of the laser medium 7.

YAGレーザーの変換効率を50%として、250Wの半導体レーザー励起YAGレーザーのパワー出力が出力用結合ミラー9を通して得られる。なお、電源は30cm角程度のラック形状の大きさである。 The power output of the 250 W semiconductor laser pumped YAG laser is obtained through the output coupling mirror 9 with the conversion efficiency of the YAG laser being 50%. The power source has a rack shape size of about 30 cm square.

レーザーを水に吸収させるにはレーザーの波長がCO2レーザーの10.6μm帯が望ましい。YAGレーザーの波長は1.06μm帯だが、YAGレーザーはエネルギー密度が高く小型装置でQスイッチが使えジャイアントパルスが生成できるため使用する。しかし、高推力生成のための水アブレーションにはパルス出力でなく、連続出力(CW)が適していることは上述の通りである。 In order to absorb the laser in water, the wavelength of the laser is preferably in the 10.6 μm band of the CO2 laser. The wavelength of the YAG laser is 1.06 μm, but the YAG laser is used because it has a high energy density and can use a Q switch with a small device to generate a giant pulse. However, as described above, continuous output (CW), not pulse output, is suitable for water ablation for generating high thrust.

YAGロッドの励起はフラッシュランプにより行うのが一般的だが、高出力半導体レーザーを使用する。その他、太陽光励起が検討されている。太陽光の場合、スペクトルが広範囲であるので、Nd:YAGに増感剤Crを混入したロッドの使用により、広帯域(ワイドバンド)のスペクトルに対応させることができる。 The YAG rod is generally excited by a flash lamp, but a high-power semiconductor laser is used. In addition, solar excitation has been studied. In the case of sunlight, since the spectrum is wide, the use of a rod in which the sensitizer Cr is mixed with Nd: YAG can correspond to a broad spectrum.

LD半導体レーザーの波長は0.8〜1μ帯の狭帯域(ナローバンド)なので、水がレーザー光を吸収するのを補助するために、水に墨の色素を混ぜる(墨汁)ことが吸収性能アップに必要である。電源供給はLDと冷却用のみ必要であり、YAGロッドに電源供給は不要である。 Since the wavelength of the LD semiconductor laser is a narrow band of 0.8-1μ band (narrow band), mixing ink with water (ink ink) to help water absorb the laser light will improve the absorption performance. is necessary. Power supply is required only for LD and cooling, and power supply to the YAG rod is not necessary.

図4は加熱水蒸気へのレーザー照射を示すブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram showing laser irradiation to heated steam.

図4を参照すると、ノズル20と、蒸気予熱室21と、ノズル壁面22と、レーザー窓23と、レーザー光源24と、推進剤タンク25と、レーザー路26とから構成されている。 Referring to FIG. 4, the nozzle 20, the steam preheating chamber 21, the nozzle wall surface 22, a laser window 23, a laser light source 24, a propellant tank 25, and a laser path 26 are configured.

推進剤として分子量が小さく貯蔵が簡単で比較的低い温度で蒸気圧の高い物質を選択する。ここでは左記条件に加えて化学的安定性も加味して水を選択する。蒸気予熱室21において水蒸気30を発生し、これをノズル20に導く。水蒸気30はノズル壁面22から噴射させノズル20の内部を満たす。ノズル20の中心部に照射するレーザー光31により水蒸気30は加熱され高温水蒸気32となりノズル20の出口から噴出する。レーザー光31はレーザー光源24から、レーザー窓23、レーザー路26を通して水蒸気30に照射される。 A propellant is selected that has a low molecular weight, is easy to store, and has a relatively low temperature and high vapor pressure. Here, water is selected in consideration of chemical stability in addition to the conditions on the left. Steam 30 is generated in the steam preheating chamber 21 and guided to the nozzle 20. The water vapor 30 is injected from the nozzle wall surface 22 to fill the inside of the nozzle 20. The water vapor 30 is heated by the laser beam 31 irradiating the central portion of the nozzle 20 to become high temperature water vapor 32 and is ejected from the outlet of the nozzle 20. The laser light 31 is irradiated from the laser light source 24 to the water vapor 30 through the laser window 23 and the laser path 26.

宇宙機の推進性能はこの噴出ガスである水蒸気30の特性(速度、温度、密度)とノズル20の口径により決まる(噴出ガスによる推進力=密度×(速度)2、運動エネルギー流れ=密度×(速度)3/2、いずれもノズル単位面積あたり)。噴出ガスである水蒸気30が発生する推力はノズル20内の水蒸気30を通してノズル壁面22に伝わり宇宙機への推力となる。このときノズル壁面22の表面近傍は低温高密度状態、ノズル20の中心(レーザー加熱)部は高温低密度状態となっており、流体全体としては圧力分布が一様な状態が保たれている。これは、流れが亜音速以下ならばレーザー加熱で発生した圧力波が流体全体に行き渡り圧力が一様になるからである。すなわちノズル20内の気体の流れは音速以下となっており、高温ガスとしての水蒸気30がノズル20から噴出す反動力は効率よくノズル壁面22に伝達され、宇宙機を駆動する推力となる。 The propulsion performance of the spacecraft is determined by the characteristics (velocity, temperature, density) of the water vapor 30 that is the jet gas and the diameter of the nozzle 20 (propulsion force by jet gas = density × (speed) 2 , kinetic energy flow = density × ( speed) 3/2 per both nozzle unit area). The thrust generated by the water vapor 30 which is the jet gas is transmitted to the nozzle wall surface 22 through the water vapor 30 in the nozzle 20 and becomes the thrust to the spacecraft. At this time, the vicinity of the surface of the nozzle wall surface 22 is in a low-temperature and high-density state, and the center (laser heating) portion of the nozzle 20 is in a high-temperature and low-density state, and the pressure distribution is kept uniform as a whole fluid. This is because if the flow is below the subsonic speed, the pressure wave generated by laser heating spreads throughout the fluid and the pressure becomes uniform. That is, the gas flow in the nozzle 20 is less than the speed of sound, and the reaction force that the water vapor 30 as the high-temperature gas is ejected from the nozzle 20 is efficiently transmitted to the nozzle wall surface 22 and becomes a thrust for driving the spacecraft.

従って、燃焼室温度と圧力に制限されること無く、高い比推力のロケットエンジンを実現することができる。 Therefore, a rocket engine having a high specific thrust can be realized without being limited by the combustion chamber temperature and pressure.

次に、高推力が必要な場合、図5の水または氷へのレーザー照射が必要である。 Next, when high thrust is required, laser irradiation of water or ice in FIG. 5 is necessary.

図5は水へのレーザー照射を示す説明図である。 FIG. 5 is an explanatory view showing laser irradiation to water.

図5を参照すると、ノズル40と、水タンク41と、ノズル40内に貯蔵されている水42または氷43と、レーザーシステム44および受光板46とから構成されている。ほとんどのレーザー光は受光板で吸収され、ここで熱エネルギーに変換される。受光板の上は適量の水膜が覆っており、熱エネルギーはこの水膜を吹き飛ばして運動エネルギーに変換される。水膜厚を適当に設定することにより熱エネルギーのほとんどを運動エネルギーに変換することができエネルギー効率の高い(高Cm)推進力が得られる。 Referring to FIG. 5, the nozzle 40, the water tank 41, water 42 or ice 43 stored in the nozzle 40, a laser system 44 and a light receiving plate 46 are configured. Most laser light is absorbed by the light receiving plate, where it is converted into thermal energy. An appropriate amount of water film covers the light receiving plate, and the heat energy is blown off and converted into kinetic energy. By setting the water film thickness appropriately, most of the thermal energy can be converted to kinetic energy, and a high energy efficiency (high Cm) propulsion can be obtained.

ノズル40に氷43がある場合、レーザーシステム44からレーザー光45が照射され氷のアブレーションが生じる。 When ice 43 is present in the nozzle 40, laser light 45 is emitted from the laser system 44 and ice ablation occurs.

図6は上述の図2、図3、図4、図5のレーザー推進システムを搭載した宇宙機を示す概観図である。 FIG. 6 is a schematic view showing a spacecraft on which the laser propulsion system shown in FIGS. 2, 3, 4, and 5 is mounted.

図6を参照すると、宇宙機100は、太陽電池パドル101a、101bと、水タンク及びレーザーシステム102と、ノズル103、ジンバル104とから構成されている。 Referring to FIG. 6, the spacecraft 100 includes solar cell paddles 101 a and 101 b, a water tank and laser system 102, a nozzle 103, and a gimbal 104.

水タンク及びレーザーシステム102と、ノズル103は図2、図3、図4、図5の構成であり、ここでは説明を省略する。 The water tank and laser system 102 and the nozzle 103 have the configurations shown in FIGS. 2, 3, 4, and 5, and a description thereof is omitted here.

宇宙機100の電力は2枚の太陽電池パドル101a、101bから供給され、主に宇宙機100のシステム用に1次電源として使用される。太陽電池の発生電力は一般には0.13kW/m程度であり、一例として7m×5mの太陽電池パドル2枚搭載することにより地球近傍宇宙空間で9kWの電力が得られる。 The power of the spacecraft 100 is supplied from the two solar battery paddles 101a and 101b, and is mainly used as a primary power source for the system of the spacecraft 100. The generated electric power of the solar cell is generally about 0.13 kW / m 2. For example, by mounting two 7 m × 5 m solar cell paddles, 9 kW of electric power can be obtained in the space near the earth.

レーザー供給パワー電力としては充分でないので、すでにジェミニ宇宙船、アポロ宇宙船、スペースシャトルに搭載され、宇宙使用実績をもつ燃料電池(図示せず)をレーザー供給パワー電力に適用する。特に、小型、軽量、低温、大電力発生が期待でき、現在燃料電池自動車に積載され実用化されている固体高分子形燃料電池を1次電源として使用する。固体高分子形燃料電池は2007年において、100kWの性能のものが自動車に積載されている。今後、開発の早さから400kW級の固体高分子形燃料電池出現が予測される。 Since the laser power supply power is not sufficient, a fuel cell (not shown) that is already installed in Gemini spacecraft, Apollo spacecraft, and space shuttle and has a track record of space use is applied to the laser power supply power. In particular, a polymer electrolyte fuel cell that can be expected to be small, light, low temperature, and generate a large amount of power and is currently used in a fuel cell vehicle is used as a primary power source. In 2007, a solid polymer fuel cell having a performance of 100 kW was mounted on an automobile. In the future, it is expected that 400 kW class polymer electrolyte fuel cells will appear from the early stage of development.

また、宇宙機100はリチウムイオン電池(図示せず)を2次電源として搭載し、太陽電池パドル及び燃料電池の剰余電力を充電し、必要なときに放電して使用する。 In addition, the spacecraft 100 is equipped with a lithium ion battery (not shown) as a secondary power source, charges the surplus power of the solar cell paddle and the fuel cell, and discharges and uses it when necessary.

固体高分子形燃料電池からの出力あるいは2次電源のリチウムイオン電池からの出力いずれかを使用し、降圧して図3の半導体レーザー駆動電流源として、高推力・低比推力推進用の半導体パワーレーザーエンジンと、低推力・高比推力推進用の半導体パワーレーザー励起QスイッチYAGレーザーQスイッチYAGレーザーエンジンに供給される。この電源は冷却用にも一部使用される。 Using either the output from the polymer electrolyte fuel cell or the output from the lithium-ion battery of the secondary power source, the semiconductor power for driving high thrust and low specific thrust is reduced as the semiconductor laser drive current source in FIG. Supplied to laser engines and semiconductor power laser pumped Q-switched YAG laser Q-switched YAG laser engine for propulsion of low thrust and high specific thrust. This power supply is partially used for cooling.

いずれの推進モードのエンジンを使用するかは図4のビームスイッチ4の切り替え制御部により選択される。 The propulsion mode engine to be used is selected by the switching control unit of the beam switch 4 in FIG.

なお、宇宙機100の太陽電池パネル101はジンバル104に設置され、太陽方向を常時向くように姿勢制御される。また、燃料電池で生成される水は飲料水だけでなく、推進剤として再利用も可能である。
表1は宇宙機100の仕様案の一例を示す。
The solar battery panel 101 of the spacecraft 100 is installed on the gimbal 104, and its attitude is controlled so that it always faces the sun. Moreover, the water produced | generated with a fuel cell can be reused not only as drinking water but as a propellant.
Table 1 shows an example of a draft specification of the spacecraft 100.

なお、半導体パワーレーザーは年々ハイパワー化の開発状況にあり、現状スタックアレイ構造により数kWのもの(数cm角)が開発されている。現有技術により100kWの半導体パワーレーザーが(10cm角)開発可能である。ただし、半導体レーザーは固体レーザーなどに比べてビーム広がりが大きいので集光点のスポットサイズが大きくなりがちなので、集光レンズと推進剤の配置をレンズのコンタミネーションなどを考慮して設計することが必要である。 The semiconductor power laser is in a development state of high power year by year, and a several kW (several cm square) has been developed by the current stack array structure. A 100kW semiconductor power laser (10cm square) can be developed by the existing technology. However, semiconductor lasers have a larger beam spread than solid-state lasers and so on, so the spot size of the condensing point tends to be large, so the arrangement of the condensing lens and propellant can be designed in consideration of lens contamination. is necessary.

宇宙機を月面から打ち上げる場合の一例として、 計算上は、効率0.8、レーザー出力8000kW、Isp=350秒にすると、推進力 F=2×0.8×8000000/(9.8×350)=3.7×103Nとなる。宇宙機の質量を
m=1000kgを仮定すると、加速度α=3.7×103/1000=3.7m/s2=0.38Gとなり、月の重力1/6G=0.16Gより大きく、月面から1tonの宇宙機が打ち上げられることになる。
As an example of launching a spacecraft from the moon surface, in terms of calculation, if the efficiency is 0.8, the laser output is 8000 kW, and Isp = 350 seconds, the propulsive force F = 2 × 0.8 × 8000000 / (9.8 × 350) = 3.7 × 10 3 N. Assuming that the mass of the spacecraft is m = 1000 kg, the acceleration α = 3.7 × 10 3 /1000=3.7 m / s 2 = 0.38G, the gravity of the moon is larger than 1 / 6G = 0.16G, and the space of 1 ton from the moon surface The machine will be launched.

ちなみに、高度100kmでの周回速度1600 m/sが460秒間の加速時間で得られる。この比推力Ispは温度Tで制御されるが、レーザーアブレーションでIsp350秒というのはかなり低いほうで、実現は十分可能である。低温推進剤になるので変換効率も高く取れ推進剤の消費量は50%となる。 Incidentally, an orbital speed of 1600 m / s at an altitude of 100 km can be obtained with an acceleration time of 460 seconds. This specific thrust Isp is controlled by the temperature T, but Isp 350 seconds is considerably low in laser ablation, which can be realized sufficiently. Since it becomes a low temperature propellant, the conversion efficiency is high and the propellant consumption is 50%.

なお、推進剤は水、氷、水蒸気に限定されるものではなく、適正と判断される固体、液体等を推進剤とすることは言うまでもない。 Needless to say, the propellant is not limited to water, ice, and water vapor, and the propellant is a solid, liquid, or the like that is judged appropriate.

また上述の通り、本発明のレーザー推進システムはシステムへの要求性能に応じて、推進剤の加熱源として、レーザーの連続発振とパルス発振を切り替えて動作させるものであるが、レーザー発生源として、固体レーザー(結晶媒質、セラミック媒質、ガラス媒質)、半導体レーザー、ファイバーレーザー等がシステムへの要求性能に応じて、多様に組み合わせられることは云うまでもないことである。 In addition, as described above, the laser propulsion system of the present invention is to operate by switching between continuous oscillation and pulse oscillation of the laser as a heating source of the propellant according to the performance required for the system, It goes without saying that solid lasers (crystal media, ceramic media, glass media), semiconductor lasers, fiber lasers, and the like can be combined in various ways according to the performance required for the system.

本発明で述べるレーザー推進は、レーザー光を水に照射することで発生する水蒸気爆発の反動推力を利用する。水であるためレーザーによるアブレーションに対して、航空機や化学ロケットのような膨大な大気汚染、宇宙環境汚染を発生しない。推進剤としてガソリン等の化石燃料の代替に水を利用するため、航空機のCO2排出量が低減され、今後増加する航空輸送の環境負荷低減、環境問題や原油価格変動に起因する不安定さをも無くす利点がある。   The laser propulsion described in the present invention uses the reaction thrust of a water vapor explosion generated by irradiating water with laser light. Because it is water, laser ablation does not cause enormous air pollution and space environment pollution like aircraft and chemical rockets. Since water is used to replace fossil fuels such as gasoline as a propellant, CO2 emissions from aircraft are reduced, reducing the environmental impact of air transportation that will increase in the future, and instability due to environmental problems and fluctuations in crude oil prices. There is an advantage to lose.

水蒸気爆発によるレーザー推進は航空宇宙利用のみではない。現在のピストンエンジンのガソリンを水や海水に置き換え、レーザーで発火させる無排気ガスのレーザーピストンエンジンにも適用できるので、クルマや船舶への適用も可能となる。 Laser propulsion by steam explosion is not only aerospace use. It can be applied to non-exhaust gas laser piston engines that replace the gasoline of the current piston engine with water or seawater and ignite with a laser, so it can also be applied to cars and ships.

今後、地球周回軌道上に国際宇宙ステーションISSが稼動し、また宇宙観光ビジネスとして宇宙ホテルが建造された場合、こうした宇宙ホテル、ISS間の移動あるいは月への観光等の軌道間輸送機が必要となる。2015年からの本格的に各国共同による月面基地開発により、物資、乗員の輸送あるいは月面上を月面車でなく軌道間輸送機により飛行する月面ビークルが必要となる。そうした軌道間輸送機や月面ビークルとして、水や水蒸気を燃料とするレーザー推進機がバスやクルマのように宇宙空間で利用されることが期待される。 In the future, when the International Space Station ISS is in operation on the Earth orbit and a space hotel is built as a space tourism business, an inter-orbital transport such as movement between the space hotel and ISS or sightseeing to the moon will be required. Become. The full-scale joint development of the lunar base since 2015 will require transportation of goods and passengers, or a lunar vehicle that will fly on the lunar surface by inter-orbital transport instead of lunar vehicles. As such an interorbital transport aircraft and lunar vehicle, it is expected that laser propulsion devices using water or steam as fuel will be used in outer space like buses and cars.

1 電源1
2 半導体パワーレーザーダイオード(LD)
3 半導体パワーレーザー励起QスイッチYAGレーザー
4 ビームスイッチ
5 ラジエター
6 集光レンズ
7 レーザー媒質
8 Qスイッチ素子
9 出力用結合ミラー
20 ノズル
21 蒸気予熱室
22 ノズル壁面
23 レーザー窓
24 レーザー光源
25 推進剤タンク
26 レーザー路
30 水蒸気
32 高温水蒸気
40 ノズル
41 水タンク
42 水
43 氷
44 レーザーシステム
45 レーザー光
100 宇宙機
101a、101b 太陽電池パドル
102 水タンク及びレーザーシステム
103 ノズル
104 ジンバル
1 Power supply 1
2 Semiconductor power laser diode (LD)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Semiconductor power laser excitation Q switch YAG laser 4 Beam switch 5 Radiator 6 Condensing lens 7 Laser medium 8 Q switch element 9 Output coupling mirror 20 Nozzle 21 Steam preheating chamber 22 Nozzle wall surface 23 Laser window 24 Laser light source 25 Propellant tank 26 Laser path 30 Water vapor 32 High temperature water vapor 40 Nozzle 41 Water tank 42 Water 43 Ice 44 Laser system 45 Laser light 100 Spacecraft 101a, 101b Solar cell paddle 102 Water tank and laser system 103 Nozzle 104 Gimbal

Claims (20)

任意の推進剤をレーザーにより加熱し、発生する高温・高圧の蒸気の運動エネルギーを利用して推力を発生することを特徴とするレーザー推進システム。 A laser propulsion system that heats an arbitrary propellant with a laser and generates thrust using the kinetic energy of high-temperature and high-pressure steam generated. 前記高温・高圧の蒸気に直接レーザーエネルギーを吸収させ、ノズル壁面に加わる熱負荷を抑制しながら推力を発生することを特徴とする請求項1記載のレーザー推進システム。 2. The laser propulsion system according to claim 1, wherein the high-temperature and high-pressure steam directly absorbs laser energy and generates a thrust while suppressing a thermal load applied to the nozzle wall surface. 前記推進剤の加熱源としての前記レーザーは、連続発振とパルス発振を任意に切り替えて動作することを特徴とする請求項1又は請求項2記載のレーザー推進システム。 The laser propulsion system according to claim 1 or 2, wherein the laser as a heating source of the propellant operates by arbitrarily switching between continuous oscillation and pulse oscillation. 前記レーザーは、固体レーザー、半導体レーザー、ファイバーレーザーの単独使用及び組み合わせ使用であることを特徴とする請求項3記載のレーザー推進システム。 4. The laser propulsion system according to claim 3, wherein the laser is a solid laser, a semiconductor laser, or a fiber laser used alone or in combination. 水を燃料としこの水にレーザー光を照射するレーザー源と、このレーザー源に電力を供給する電源とを備えたことを特徴とするレーザー推進システム。 A laser propulsion system comprising: a laser source that uses water as fuel and irradiates the water with laser light; and a power source that supplies power to the laser source. 水を加熱した水蒸気と、この水蒸気にレーザー光を照射するレーザー源と、このレーザー源に電力を供給する電源とを備えたことを特徴とするレーザー推進システム。 A laser propulsion system comprising water vapor that heats water, a laser source that irradiates the water vapor with laser light, and a power source that supplies power to the laser source. 水及び水蒸気を有し、いずれか一方にレーザー光を照射するレーザー源と、このレーザー源に電力を供給する電源とを備えたことを特徴とするレーザー推進システム。 A laser propulsion system comprising a laser source having water and water vapor and irradiating one of them with a laser beam, and a power source for supplying power to the laser source. 前記レーザー源が半導体レーザーであることを特徴とする請求項5、6又は7記載のレーザー推進システム。 8. The laser propulsion system according to claim 5, 6 or 7, wherein the laser source is a semiconductor laser. 前記レーザー源が半導体レーザー励起Qスイッチ固体パルスレーザーであることを特徴とする請求項5、6又は7記載のレーザー推進システム。 8. The laser propulsion system according to claim 5, 6 or 7, wherein the laser source is a semiconductor laser excitation Q-switched solid state pulse laser. 前記レーザー源が半導体レーザーと半導体レーザー励起Qスイッチ固体パルスレーザーとを有し、いずれか一方のレーザー源に切り替えることを特徴とする請求項5、6又は7記載のレーザー推進システム。 8. The laser propulsion system according to claim 5, 6 or 7, wherein the laser source includes a semiconductor laser and a semiconductor laser excitation Q-switched solid-state pulse laser, and is switched to one of the laser sources. 前記固体レーザーがYAGレーザーであることを特徴とする請求項9又は請求項10記載のレーザー推進システム。 The laser propulsion system according to claim 9 or 10, wherein the solid-state laser is a YAG laser. 前記電源が燃料電池であることを請求項5〜11いずれか1項記載のレーザー推進システム。 The laser propulsion system according to any one of claims 5 to 11, wherein the power source is a fuel cell. 前記電源が燃料電池と太陽電池とを備えたことを特徴とする請求項5〜11いずれか1項記載のレーザー推進システム。 The laser propulsion system according to claim 5, wherein the power source includes a fuel cell and a solar cell. 前記燃料電池が固体高分子形燃料電池であることを特徴とする請求項12又は請求項13記載のレーザー推進システム。 The laser propulsion system according to claim 12 or 13, wherein the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell. 半導体レーザーと前記半導体レーザーに接続するビーム切替スイッチと前記ビーム切替スイッチに接続するQスイッチ固体パルスレーザーと前記半導体レーザーに電力を供給する電源とを備え、前記ビーム切替スイッチにより、前記半導体レーザーにより推進剤を連続照射する第1の動作モード及び前記半導体レーザー励起にもとづく前記Qスイッチ固体パルスレーザーにより前記推進剤をパルス照射する第2の動作モードの切り替えを行うことを特徴とするレーザー推進システム。 A semiconductor laser, a beam changeover switch connected to the semiconductor laser, a Q-switch solid state pulse laser connected to the beam changeover switch, and a power supply for supplying power to the semiconductor laser, and propelled by the semiconductor laser by the beam changeover switch A laser propulsion system that switches between a first operation mode in which an agent is continuously irradiated and a second operation mode in which the propellant is pulse-irradiated by the Q-switched solid-state pulse laser based on excitation of the semiconductor laser. 前記推進剤が水蒸気、水又は氷であることを特徴とする請求項15記載のレーザー推進システム。 The laser propulsion system according to claim 15, wherein the propellant is water vapor, water, or ice. 前記固体レーザーがYAGレーザーであることを特徴とする請求項15又は請求項16記載のレーザー推進システム。 The laser propulsion system according to claim 15 or 16, wherein the solid-state laser is a YAG laser. 前記電源が燃料電池と太陽電池のいずれか一方又は両方を備えたことを特徴とする請求項15、16又は17記載のレーザー推進システム。 The laser propulsion system according to claim 15, 16 or 17, wherein the power source includes one or both of a fuel cell and a solar cell. 前記燃料電池が固体高分子形燃料電池であることを特徴とする請求項18記載のレーザー推進システム。 The laser propulsion system according to claim 18, wherein the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell. 請求項1〜19記載のいずれか1項記載のレーザー推進システムを装備した宇宙機又は航空機。 A spacecraft or aircraft equipped with the laser propulsion system according to any one of claims 1 to 19.
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