Studies have been done on the laser detonation propulsion with solid-state laser, especially on its beam energy absorption process and the energy conversion process. This thesis is divided to five chapters. In chapter 1, the background of this research was introduced including some closely related developments and important concepts. In laser detonation propulsion, the launch power is supplied remotely from ground based high power laser system. When the incident beam is focused by the thruster reflector, breakdown happens in the atmosphere air. The high speed expansion of the laser induced plasma results in the generation of a strong blast wave. Impulse is applied to the thruster when the blast wave reaches its inner wall. Since on-board fuel is not necessary when the flight is in the atmosphere, much higher payload ratio is expected compares with the traditional chemical launching system. Therefore, laser detonation propulsion is a promising alternative launch concept which can dramatically reduce the current launch cost.

Laser source selection is one most important issue which should be seriously considered. Previous works have concentrated on the using of CO2 laser. There is still no systematic research on the using of solid-state laser as laser power source in performing this mission. This is majorly because due to its shorter wavelength, one tenth of that of the CO2 laser, the energy conversion efficiency using this near-infrared laser is thought to be low. However, recent developments on high power solid-state laser system are gradually making it a potential candidate for fulfilling the requirements of laser propulsion launching mission. This is the reason we conducted this study, to clarify this feasibility from the views of energy absorption and conversion.

The chapters are arranged following this sequence: (1) the most important regime in the energy absorption is laser supported detonation regime. Its supporting and termination condition are clarified, in terms like LSD termination time and the laser power density on the blast wave front. (2) After that, the whole energy conversion process is studied. An analytic method is proposed to estimate this solid-state laser induced blast wave energy. Thus the energy conversion efficiency from laser beam to the blast wave is obtained. (3) The thrust performance with using of solid-state laser is firstly investigated with an impact pendulum system. The gotten momentum coupling coefficient verifies the calculated energy conversion efficiency. In addition, the influence of thruster geometer on thrust performance were tested and compared with the CO2 laser result.

In chapter 2, research is concentrated on the supporting and termination conditions of solid-state laser generated LSD wave. The laser supported detonation regime is very important because it is the regime that absorbed laser energy could be efficiently converted to that of the blast wave. In this chapter, it is found that because of the wavelength difference, in LSD regime, it is actually a volume absorption in solid-state laser case than the thin layer laser absorption that happens in CO2 laser case. In another words, strengthen of blast wave by ionization front in solid state laser case happens in two directions, both forward and backward in the laser channel. We named it as two directional LSD, to distinguish the backward propagation LSD in CO2 laser case. To clearly identify its LSD termination condition, an innovative Half Shadowgraph Half Self-emission experiment is designed in which we can easily figure out the positions of the blast wave front and the ionization front. Result shows that, the termination happens at late time of the laser irradiation duration, for a 900 ns pulse laser, the LSD termination time is as long as 750 ns for 2.0 J pulse energy. It means that most of the laser energy could be absorbed in the LSD regime, which basically assures the high energy conversion efficiency from laser to the blast wave.

In chapter 3, the energy conversion process is studied. Firstly, with the help of pairs of a photodetectors and energy meters, the temporal laser absorption and transmission are obtained, which show that laser transmission is always happening during the laser irradiation, due to its low laser absorption efficiency in solid-state laser case. For estimating the laser induced blast wave energy, a three directional expansion model is proposed to describe the irregular blast wave evolution. With this model and the result gotten in shadowgraph experiments, blast wave energy under various conditions, like pulse energy, focusing number and ambient pressure, were calculated. The highest efficiency obtained is 59%. This result indicates that the energy conversion efficiency ηbw in using solid-state laser can achieve the same level as that using CO2 laser. It brings a promising future of using solid-state laser to conduct laser launching mission.

In chapter 4, laser beam is focused in cone nozzle thrusters to measure the laser propulsion impulse use solid-state laser. Momentum coupling coefficient, Cm, as high as 220 N/MW was obtained. As compares with the corresponding result in CO2 laser case, this result verifies the calculated ηbw well. Besides, to learn the thruster geometry influence on this propulsion performance, thrusters with different non-dimensional nozzle lengths are tested which is valuable for future thruster design.

Chapter 5 summarized the results obtained in our study. In our research, the supporting condition of LSD is clarified, as well as the energy absorption process. After optimization, the energy conversion efficiency could achieve as high as 59%, together with the Cm result, verifies the feasibility of using solid-state laser as power source in laser detonation mission.

工学修士 王 彬提出の論文は「Laser Detonation Propulsion with Solid-state Laser」(和訳:固体レーザーを用いたレーザー爆轟推進の研究)と題し,本文5章から成っている.

レーザー爆轟推進では,地上に設置された高出力レーザーシステムから遠隔的に供給されるビームを集光して生じる爆風波が,推進器壁面に力積を与えることにより推進力を生成する.大気中航行時は空気を推進剤として使用することができ、またターボポンプシステムを搭載する必要がないので,従来の化学ロケットに比べ格段に高いペイロード比,低い打ち上げコストを実現できると期待されている.レーザー源の波長選定は慎重に検討すべき重要項目であるが,先行研究はどれも吸収係数の大きい遠赤外域に発振波長をもつ炭酸ガスレーザーを使用して行われてきた.しかしながら,近年固体レーザーの高出力化が進み,レーザー推進打ち上げの出力要求を満たし得る候補になってきている.一方で,炭酸ガスレーザーの10分の1という短い波長で発振する固体レーザーでは,吸収係数が波長に強く依存するために炭酸ガスレーザーに比べて吸収係数が小さく,エネルギー変換効率が低いのではないかとの懸念がある.そこで本研究では,固体レーザーを用いた場合のレーザー爆轟( Laser Supported Detonation : LSD )波の構造と運動エネルギーおよび力積への変換効率の視点から固体レーザーの適用可能性を評価することを目的としている.

第1章は序論であり,研究の背景と目的について述べている.

第2章では,レーザーから爆風波へのエネルギー変換機構であるLSD波について,その構造と維持条件を調べている.LSD波構造に関しては,固体レーザーの吸収係数が小さいためにレーザー吸収長が炭酸ガスレーザーの場合と比較して長くなり,LSDを透過するエネルギーが増加する結果,透過したレーザー光が爆風波裏面においてレーザーと同方向へ伝播するもう一つのLSDを駆動している様子が観測された.すなわち,炭酸ガスレーザーで駆動される後退方向のみのLSDと異なり,固体レーザーの場合はレーザー照射方向に対して前進と後退の両方向に伝播するLSDが生じている.LSD維持条件に関しては,Half-Shadowgraph-Half-Self emission可視化法を取り入れ,衝撃波と電離波面の進展状況をそれぞれがオーバーラップすることなく撮影することによって,正確にLSD終了時刻(衝撃波と電離波面が分離する時刻)を同定した.結果として,レーザー照射時間中の遅い時間帯においてLSDが終了し,レーザーエネルギーのほとんどがLSD終了までに照射されていることが分かった.また、様々なパラメータにおけるLSD終了時の波面でのレーザー強度から閾値を評価している.

第3章では,レーザーから爆風波へのエネルギー変換効率について述べている.まず,二組のフォトディテクタとエネルギーメータを用いて,照射レーザーパワーの吸収と透過の時間履歴を測定した結果,固体レーザーを用いた場合には,ブレークダウン前の透過損失に加え,ブレークダウン後もその低い吸収係数のために透過損失を生じていることが分かった.次に,爆風波エネルギー(等価爆源エネルギー)を見積もるため,爆風波の進展履歴について解析を行っている.固体レーザーが誘起する爆風波は,上記の両方向性爆轟波伝播により楕円球というよりもむしろ洋ナシ型の爆風波が生成される.この爆轟波伝播をとらえた一連のシャドウグラフ画像から爆風波エネルギーを見積もる方法を提案し,変換効率を求めている.レーザーエネルギー,集光f値,雰囲気圧力を変えて爆風波エネルギーを求め,最大効率59%を得たが,この値は炭酸ガスレーザーによる場合と同等であり,レーザー打ち上げを考える際の固体レーザーの有効性を示している.透過損失が大きいにもかかわらず最終的に高い爆風波エネルギー効率を達成した要因として,LSDが維持されている時間が長かったことを挙げている.

第4章では,円錐型ノズル推進器と推力スタンドを用いて力積を測定し,第3章の結論を検証している.固体レーザーのビームを半頂角15°の円錐ノズルを用いて最大0.35 mNs/J の運動量結合係数(力積とレーザーエネルギーの比)を得たが,これは炭酸ガスレーザーで得られるものと同程度であり,第3章で述べた同等の爆風波エネルギー効率という測定結果を推進性能の面から裏付ける結果となっている.加えてノズル長さに対する運動量結合係数の依存性を調べ,将来の推進機設計のための最適な推進器スケールを議論している.

第5章は結論であり,本研究の成果を要約している.

以上要するに,本論文は,レーザー爆轟推進のレーザー源として固体レーザーを用いた場合のLSD構造と維持条件,エネルギー変換効率,推進性能を実験的に調べたもので,効率59%,運動量結合係数0.35mNs/Jを達成し,炭酸ガスレーザーと同程度に有効であることを示したものであり,その結果は独創的で,先端エネルギー工学,特に宇宙推進工学上貢献するところが大きい.

なお,本論文第2,3,4章は,小紫公也,嶋村耕平,道上啓亮,山口敏和,荒川義博との共同研究であるが,いずれも論文提出者が主体となって実験ならびに解析を行ったもので,論文提出者の寄与が十分であると判断する.

したがって,博士(科学)の学位を授与できると認める.