(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メガフォン形状の噴射ノズルと、該ノズルの口当て部に設置された集光レンズと、前記口当て部後方に連設された固体推進剤収納部からなるものであって、前記集光レンズにレーザー光が伝送されると、固体推進剤収納部の固体推進剤にレーザーが集光してプラズマ噴射することを特徴とするプラズマ噴射装置。
【請求項２】
レーザー発振器と、該レーザー発振器からのレーザーを所望箇所に伝送する可撓性の光ケーブルと、請求項１に記載のプラズマ噴射装置が、ロケット又は宇宙構造物に搭載されることにより推進力を得ることを特徴とするレーザースラスターシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ噴射装置が、ロケット又は宇宙構造物の複数所望箇所に搭載されることにより所望方向への姿勢・移動制御を可能とすることを特徴とする請求項２に記載のレーザースラスターシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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る有線伝送方式によるレーザー推力発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、人工衛星などの宇宙構造物の位置や姿勢制御用に用いられる推力発生装置として、化学ロケットや電気推進機が用いられている。化学ロケットによる方式は、燃焼ガスやコールドガスを用いて推力を発生するものであるが、比推力が数百秒程度と低いため、推進剤の消費が大きいことと、装置としてタンクやバルブを必要とするために可動部品の故障を起こし易いという問題がある。電気推進機は推進剤をイオン化して電気的に加速する電気推進方法である。これを用いた場合には、数千秒の比推力を発生するものであるから推進剤搭載量を減らすことの出来る長所がある反面、電源装置と放電を起こすのに必要なコンデンサを必要とするためシステム全体としては質量の劇的な減少をもたらすものとはならない。この他の宇宙用エンジンとしては、いまだ地上実験段階であるが、固体推進剤にレーザーを照射してアプレーション推力を発生するレーザー推進装置が提示されている。このエンジンの場合、比推力では1000秒程度を発生するとされる高効率の性能を持っており、推力発生装置単体は固体推進剤とノズルなどで構成された単純な構造的であるため軽量である上、可動部品が存在しないシステムである。軌道間輸送では、特に、燃料重量、エンジン重量が小さく、比推力が高く、推力も高い推進システムが求められるところであるが、このレーザー推進装置はその要望に応えるものとして、将来有望なものと期待されている。
【０００３】
本発明者グループは、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、推進剤の供給方法、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に工夫を加えたレーザー光を利用したエンジンシステムを提示し先に特許出願（特開2001-132542号公報）した。このレーザー光を利用したエンジンシステムは、図３に示すように外部から供給されるレーザー光６、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５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ものであるが、前記推進剤としての水は、氷又は氷と水が混合したシャーベット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５の冷却（冷却水路11）に利用し、さらに前記集光光学系は、少なくとも２枚の可動反射鏡７，８を用いて入射レーザー光６を常に一点の集光するようにした。また、このレーザー光を利用したエンジンシステムは、遠隔の赤道上空に配置された航空機（宇宙施設）に搭載されているレーザー光の光源からレーザーが供給される形態をとるものであって、望ましくはこのレーザー光源として高出力反復パルスレーザーを採用するものとした。
【０００４】
こ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。また、推進剤（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。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き、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。また、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ものである。
しかしながら、推力発生装置へのレーザー供給法は、遠隔の施設に設置されたレーザー発振器からのレーザーを、真空中もしくは大気中を通して受光したのち、そのレーザー光を集光鏡、反射鏡により、推力発生装置のノズル内の一点で焦点を結ばせ、推進剤に高いエネルギーを供給するものであるため、レーザー発振器を設置した施設と推力発生装置を搭載した宇宙構造物との位置関係やレーザー放射部材や受光部材を設置する場所の制約を強く受けることになる。また、受光したレーザーを常に推進剤の設置された位置に正確に集光させる調整は、実施上困難な問題を伴うものであった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記のような問題を解決すること、すなわち宇宙構造物に用いられる推力発生装置として、比推力が高く、可動部分がないことで故障や疲労が少なく、燃料重量、エンジン重量が小さくという有利な条件を備えているレーザー推進システムにおいて、レーザー伝送のためにレーザー源との位置関係や部材の設置場所の制約を受けず、推進剤へのレーザー照射位置調整が容易なシステムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザースラスターシステムはレーザー発振器と、該レーザー発振器からのレーザーを所望箇所に伝送する可撓性の光ケーブルと、所望箇所に設置されたプラズマ噴射装置とから構成されるものであって、該プラズマ噴射装置は、メガフォン形状の噴射ノズルと、該ノズルの口当て部に設置された集光レンズと、前記口当て部後方に連設された固体推進剤収納部からなる可動部を有しない単純構造とした点に特徴がある。また、宇宙構造物に搭載すると共にプラズマ噴射装置を複数配備することで大きな推進力を得ること、所望箇所に複数配設することにより、所望方向への姿勢・位置制御を可能とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
レーザー推進システムは前述したように、比推力が高く、可動部分がないことで故障や疲労が少なく、燃料重量、エンジン重量が小さという点で、宇宙構造物に用いられる推力発生装置として有利な条件を備えているが、従来の実施形態が遠隔施設からレーザー光を空間を介してレーザービームの形態で受け、これを受光施設側の推力発生装置のノズル内に置かれた推進剤の一点に焦点を結ばせるものであるため、両施設間の位置関係やそれに伴う送受信装置の配置の制約、また、推力発生装置における反射光学系の厄介な調整という問題を抱えていた。本発明はこの問題を解決するために、遠隔の施設から空間を介してレーザービームの形態でレーザー光を供給することを止め、推力発生装置を備えている宇宙構造物内でレーザーを発生させ、該レーザー光をフレキシブルな光ケーブルを用いて、適宜所望箇所へ自由に伝送できる有線伝送を採用するシステムを想到した。
本発明の全体基本構成を図１を参照しながら説明する。１はレーザー発生装置で、レーザー励起手段とレーザー共振回路とからなる。２はレーザー切替装置でであり、プラズマ噴射ノズルが複数個配備される場合にレーザーをそのいずれかに選択切替して伝送する機能を持つ。３はフレキシブルな光ケーブルで該レーザー発生装置で生成したレーザーはこのオプティカルロード内を伝送される。４は集光レンズであり、光ケーブル３内を伝送されてくる光を燃料面の１点に集束させるものである。５はプラズマ噴射ノズルであり、６は個体推進剤収納部である。システムの基本構成は以上であり、先に示した特開2001-132542号公報の推力発生装置に比較しても、極めてシンプルであり、軽量装備となっている。推力発生装置を備えている宇宙構造物内でレーザーを発生させる構成を採用したことにより、地上の気象条件などの影響を受けないことは勿論、遠隔の施設との位置関係や両者の送受光部材の取り付け位置などの問題から解放される。また、フレキシブルな光ケーブルでレーザーを伝送する構成を採用したことにより、推力発生装置の配置も取り付け姿勢も自由に決めることができる。
【０００８】
【実施例１】
以下に本発明の実施例を示す。レーザー発生装置１のレーザー励起手段には装置の軽量化という観点から半導体励起レーザを採用する。レーザー共振回路にはリングレーザ共振器に比べ光学部材が少なくて済むという観点から、二枚のブラッグ反射器を用いたファブリー−ペロ共振器を採用する。レーザー切替装置２には軽量かつ可動部がないものという観点から機械的なものではなく、電磁的光学効果を利用した光スイッチング素子を用いる。光ケーブル３にはフレキシブルな機能をもたせるため光ファイバーを用いるが、本発明の場合伝送する光が単色光のレーザーであるため、使用するレーザーの波長に適合した単モード伝送用光学繊維を用いるのが伝送効率の点で有利である。
【０００９】
推力発生装置は図２に示すようにメガフォン形状の噴射ノズル５と、該ノズルの口当て部に設置された集光レンズ４と、前記口当て部後方に連設された固体推進剤収納部６からなる。集光レンズ４には光ケーブル３を介してレーザーが伝送されてくる。該集光レンズ４は燃料剤の表面にビームスポットを絞る機能をもたせるものであるが、燃料面は消費に伴い後退するものであるから該レンズの焦点深度は深いものとし、表面が移動してもビームスポットがボケないようにする。取り付け位置は図に示したようにメガフォン形状の噴射ノズル５の口当て部外面で固体推進剤収納部６に向けてビームスポットが照射されるようにする。プラズマ噴射ノズル５はメガフォン形状に形成されており、材質は耐熱軽量素材のカーボン系又は金属系のものとし、この実施例では連設する固体推進剤収納部６を一体成形する。そして、該固体推進剤収納部６に収納される固体燃料剤には、テフロン、ナイロンなどの自律燃焼性がなく、真空下で固体を維持する材料を用い、流動状のものを固体推進剤収納部６に流し込んで固化させたものの他、性能向上のため高い化学エネルギーを有するＨＴＰＢ／ＡＰなどの固体コンポジット推進剤の酸化剤配合割合を変えて自律燃焼を抑えた推進剤を同様に流し込んで固化させたものが用いられる。
【００１０】
レーザー発生装置１を起動させて、レーザーを所定の推力発生装置に光ケーブル３を介して伝送する。レーザー光は集光レンズ４によってビーム状に絞られ燃料剤の表面にスポットを照射する。ビームスポットが照射された固体燃料剤の表面部分は加熱され、溶解して超高密度プラズマの発生（アブレーション）現象を起こし、噴射ノズル５から外に向かって大量の粒子を放出し、これが推進力として作用する。
【００１１】
【発明の効果】
本発明のレーザースラスターシステムは、レーザー発振器と、該レーザー発振器からのレーザーを所望箇所に伝送する可撓性の光ケーブルと、所望箇所に設置されたプラズマ噴射装置から構成されるものであって、レーザー源であるレーザー発振器とプラズマ噴射装置とを直接光ケーブルで接続するものであるから、レーザー伝送のためにレーザー源との位置関係や部材の設置場所についての制約を受けることがない。配置が容易であることから、ミッションの信頼性が高まるとともに、ミッションの自由度が増す。
【００１２】
本発明に用いるプラズマ噴射装置は、メガフォン形状の噴射ノズルと、該ノズルの口当て部に設置された集光レンズと、前記口当て部後方に連設された固体推進剤収納部からなるものであって、前記集光レンズにレーザー光が伝送されると、固体推進剤収納部の固体推進剤にレーザーが集光してプラズマ噴射するものであるから、構成が単純で比推力が高く、可動部分を有しない、軽量な推進システムが実現できた。したがって、従来の人工衛星の推進システムの機能アップのみならず、小型衛星にも搭載可能である。また、集光レンズと固体推進剤との位置関係が一義的に定まっているので推進剤へのレーザー照射位置調整が必要ない容易なシステムが実現される。
【００１３】
本発明のレーザースラスターシステムは、ロケット、宇宙構造物に搭載され、一つのレーザー発振器から所望箇所に設置された１つ以上のプラズマ噴射装置に光ケーブルを介してレーザーを導くことができることにより、所望方向への姿勢・移動制御を可能とする。また、複数の噴射装置を協働させることにより大きな推進力を得ることが出来大型柔軟構造物などの制御で利点を発揮する。
本発明のレーザースラスターシステムは、スペース的に限られたロケット、宇宙構造物に搭載されるものであるが、光ケーブルが通るスペースがあれば限られた空間でもレーザー伝送が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有線伝送方式によるレーザースラスターシステムの概念図である。
【図２】本発明の有線伝送方式によるレーザースラスターシステムにおけるレーザー推進装置を示す図である。
【図３】先行技術におけるレーザースラスターシステムの構成図である。
【符号の説明】
１  レーザー発生装置            ５  プラズマ噴射ノズル
２  レーザー切替装置            ６  固体燃料収納部
３  光ケーブル
４  集光レンズ
【図１】
0003665760.tif 000002
【図２】
0003665760.tif 000003
【図３】
0003665760.tif 000004