レーザー推進は、将来宇宙開発の進展に伴って予想される大量物資の宇宙への輸送を低価格で実現できる次世代低コスト打ち上げシステムの一つとして近年脚光を浴びています。レーザー推進の研究は、1972年.Kantrovitz 博士によってその当時発明されて間もないレーザーを推進エネルギー源として利用しようというアイデアが提唱されたことに端を発し始められ、その後、アメリカ、ロシア、ドイツ、日本をはじめとする多くの国々で活発な研究がなされています。 このように、各国が競い合ってレーザー推進の研究を進めた背景には、レーザー推進システムの持つ高いポテンシャルがあります。
レーザー推進の大きな特徴に、地上もしくは宇宙空間に設置されたレーザー基地からレーザーを推進機にあてるだけで推力を獲得することができるということがあげられます。これは、従来の化学ロケットのような複雑なシステムを搭載する必要がないことを意味しています。また、空気を燃料とする大気吸い込み型レーザー推進に関しては、酸化剤や燃料を推進機自身が搭載する必要がないために、効率よく大量の物資を運ぶことが可能となります。レーザー推進システムにおいて、こうした構造の簡素化と燃料の搭載が不要となる点は、従来の化学ロケットと比較して大変魅力的な要素となっています。
レーザー推進は、そのレーザー伝送形態の相違から、大きく分けて「CWレーザー推進」と「RPレーザー推進」の2つに分類することができます。
レーザー推進の一つの形態として連続発振レーザーを利用したCW(Continuous Waveの略)レーザー推進があります。集光されたレーザーによって生じるプラズマは、電子による逆制動放射効果でレーザーエネルギーを吸収し、レーザーが発振している間は、推進機内部に LSP (Laser Sustained Plasma(レーザー支持プラズマの略)として存在し続けます。これを熱源として、燃料となる気体をその周囲に流し込むことによって、気体はプラズマからエンタルピーを獲得し、それをノズルを利用して運動エネルギーに変換することで推進機は推力を得ます。
詳細が知りたい場合は、本研究室のCWレーザー推進班のページをご覧ください。
もう一つのレーザー推進の形態として、パルスレーザーを利用したRP(Repetitively Pulsedの略)レーザー推進があります。アブレーション材もしくは空気中に集光されたパルスレーザーは一種の爆発現象によってその周辺に爆風波を駆動します。この周辺気体の流れのエネルギーが推進に寄与するわけです。パルスレーザーのほうが連続発振型レーザーよりも高いレーザー出力が容易に得ることができるため、RPレーザー推進はCWレーザー推進に比べて打ち上げなどの大推力を必要とするミッションに使用することが考えられています。
Kantrovitz博士は、推進機に搭載したアブレーション材にレーザーを照射するレーザーアブレーション型の推進を提唱したが、空気吸い込み型レーザー推進のほうが燃料を搭載する必要がないという利点から近年においてはこの型の推進機に関する研究がなされています。
空気吸い込み式RPレーザー推進機の利点をまとめると以下の図のようになります。これにより、従来の化学推進ロケットに比べ、大幅なコストカットが期待できます。
パルス的に投入され集光されたレーザーは、十分高いレーザー強度を有する場合、大気を絶縁破壊しプラズマを発生させます。このプラズマは、電子による逆制動放射効果でレーザーエネルギーを吸収し、爆発的に膨張し、周辺気体は圧縮され、衝撃波及び爆風波が駆動されます。この衝撃波や爆風波の持つ流体的な流れのエネルギー、及び、高温空気がノズルによって加速膨張されるという2つの効果によって推進機は推力を獲得します。
全体としての推力発生過程は以下の4種類の過程に大きく分類することができます。
1. レーザー吸収及び爆風波変換過程
2. 爆風波膨張過程
3. インパルス発生過程
4. 空気吸い込み過程
下図はRPレーザー推進機のエンジンサイクルの簡単な模式図です。
1972年からこれまでの間に提案されたレーザー推進機の中で代表的なものは以下の3つです。
1. 平面型レーザー推進機
2. ベルノズル型レーザー推進機
3. スパイクノズル型レーザー推進機
最後にレーザー推進が研究されてきた経緯を下表に示します。
西暦 | 出来事 |
1957年 | レーザーの発明 |
1972年 | Kantrovitz博士によるレーザー推進の提唱 |
~1980年 | プレートタイプのレーザー推進機の研究 |
1998年 | Myrabo らによる10kWクラスのCO2レーザーを用いた打ち上げデモンストレーション(米) ・推進機タイプ:スパイクノズル型 ・推進機重量 100g ・到達高度 4m |
2000年 | ドイツ航空宇宙センター による、 8kWクラスのCO2レーザーを用いた打ち上げデモンストレーション(独) ・推進機タイプ:ベル型ノズル ・推進機重量:53g ・到達高度:60cm |
2000年 | Myrabo らによる10kWクラスのCO2レーザーを用いた打ち上げデモンストレーション(米) ・推進機タイプ:スパイクノズル型 ・推進機重量 50g ・到達高度 71m |