JP3879337B2 - レーザー光を利用したエンジンシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザー光を用いて、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。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙開発がフロンティアの時代から商用衛星の時代に入り、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。
【０００３】
化学燃料による推進法を用いたエンジンは、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。
【０００４】
一方、電気によりガスを加速する電気推進は、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。
【０００５】
ロケットエンジンにおいては、推進ガスの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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
レーザー熱推進エンジンの性能は、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。
【０００７】
エネルギー供給源であるレーザー光源は、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。
【０００８】
そこで、本発明は、高性能が期待できるレ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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発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。
【００１０】
また、本発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。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して具体的に説明する。
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。
【００１２】
推力を発生するための外部エネルギーとして、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。
【００１３】
タンク１から送られる推進薬用の水の一部は、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。
【００１４】
複数のレーザー光源の切り替えや、エンジ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。
【００１５】
本発明のシステムにおいては、レーザー光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。
【００１６】
図２に模式的に示すように、レーザー光源を搭載した航空機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。
【００１７】
このとき、レーザー光源は、高出力反復パ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。
【００１８】
以上、本発明に係るレーザー光を利用した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。
【００１９】
【発明の効果】
上記のように本発明のレーザー光を利用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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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の１例を示す概念図である。
【図２】本発明のレーザー光を利用したエンジンシステムにおいて、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。
【符号の説明】
１ タンク ２ 水
３ 加圧ガス ４ 製氷器
５ ノズル ６ レーザー光
７ 集光鏡 ８ 反射鏡
１０ ポンプ １２ タービン
１３ 放熱器 ２１ 航空機
２２ レーザー熱推進エンジン

Claims (6)

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。
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。
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。
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。
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。
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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