レーザー推進機内の流れ計算

航空宇宙技術研究所 16-18 Jun. 1999 東京 日本

National Aerospace Laboratory 16-18 Jun. 1999 Tokyo Japan

CW(連続波)レーザ推進におけるレーザ加熱現象を数値的に研究した。推進機内部での推進性能とエネルギーバランスを決定するレーザビーム光学、逆制動輻射吸収、イオン化/再反応、輻射、熱伝導および対流などのレーザ推進機内での主な物理的プロセスはモデル化されて来た。推進機室内部での流れは非常に高圧縮性であるが、計算領域の大部分での流れマッハ数は0.01と小さい。その結果、計算の強固なスティッフネスをCFL(Courant-Friedrichs-Lewy)数を大きく取り、フラックスベクトル陰解法(Flux Vector Implicit Scheme)を用いて克服した。2kWのCW(連続波)CO2レーザを用いて研究所で得られた実験データと計算結果を比較するため、アルゴン推進剤の流量が0.9〜1.2g/sでレーザの出力レベルが400〜700Wの運転条件を選択した。システムのf値(凸レンズの焦点距離/入射レーザ径)は7.35〜8.33である。計算結果は測定値と良い一致を示した。計算されたレーザ持続プラズマ(LSP)の位置は、入射レーザビームの焦点位置に依存し、推進機室内の軸方向に変化する。LSPの中心と焦点間の距離は入射レーザの出力が700Wの場合は18〜20mmであり、400Wの場合は8〜10mmである。入射レーザ出力から推進運動エネルギーに対するエネルギー変換効率は23%と推定した。入射レーザ出力の約50%は吸収されずLSPを通過した。出力の25%は輻射により推進機室の壁で損失する。計算によれば、壁境界近くの流れは全く加熱されず、壁への伝導熱による損失はゼロであった。

Laser heating phenomena in a CW (Continuous Wave) laser propulsion have been numerically studied. Major physical processes in a laser thruster such as laser beam optics, inverse-Bremsstrahlung absorption, ionization/recombination reactions, radiation, heat conduction, and convection, which determine the thruster performance and the energy balance in the thruster, have been modeled. The flow inside the thrust chamber is highly compressive, but its flow Mach number is as small as 0.01 at the most of computational domain. Resulting strong computational stiffness has been overcome by using a flux vector splitting implicit scheme with a large CFL (Courant-Friedrichs-Lewy) number. In order to compare the computational results with the experimental ones obtained at the laboratory using a 2-kW CW (Continuous Wave) CO2 laser, the operational conditions are selected as laser power level of 400-700 W at the argon propellant mass-flow rate of 0.9-1.2 g/s. The f value of the system (= focal length of a convex lens/incident laser diameter) is 7.35 to 8.33. The computed results showed a good agreement with measured ones. The computed positions of Laser Sustained Plasma (LSP) varied in the axial direction in the chamber depending on the focus position of the incident laser beam. The distance between the center of LSP and the focal point was 18-20 mm for the incident laser power of 700 W and 8-10 mm for 400 W. The energy conversion from the incident laser power to the propellant kinetic energy was estimated at 23 percent. About 50 percent of the incident laser power has not been absorbed and passed through the LSP. The 25 percent of the power is lost to the chamber wall due to the radiation. According to the computation, the flow near the wall boundary has not been heated at all, and the convective heat loss to the wall was zero.

資料番号: AA0001961006

レポート番号: NAL SP-44