(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）アルミニウムからなる被推進体と、
（ｂ）該被推進体の後方に設けられるとともに、前記被推進体との比重が近似するガラス板、アクリル板又は液滴からなる流動性レーザー光透明体と、
（ｃ）該流動性レーザー光透明体に繰り返しレーザー光を照射する手段とを備え、
（ｄ）前記レーザー光によって発生するアブレイションによる駆動力が前記流動性レーザー光透明体に作用し、前記駆動力の反作用としての推進力を前記被推進体に付与し、前記駆動力が発生すると前記流動性レーザー光透明体は復元し、次に照射されるレーザー光により再びアブレイションによる駆動力を発生させ、これを繰り返すことを特徴とする繰り返し推進装置。
【請求項２】
（ａ）少なくとも金属部分を有する飛行機と、
（ｂ）該飛行機本体の金属部分の後方に設けられるとともに、アルミニウムからなる被推進体との比重が近似するガラス板、アクリル板又は液滴からなる流動性レーザー光透明体と、
（ｃ）該流動性レーザー光透明体に繰り返しレーザー光を照射する手段とを備え、
（ｄ）前記レーザー光によって発生するアブレイションによる駆動力が前記流動性レーザー光透明体に作用し、前記駆動力の反作用としての推進力を前記被推進体に付与し、前記駆動力が発生すると前記流動性レーザー光透明体は復元し、次に照射されるレーザー光により再びアブレイションによる駆動力を発生させ、これを繰り返すことを特徴とする繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機。
【請求項３】
請求項２記載の繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機において、前記飛行機の翼に前記流動性レーザー光透明体を備え、該流動性レーザー光透明体へのレーザー光の照射により、飛行の制御を可能にすることを特徴とする繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機。
【請求項４】
請求項２記載の繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機において、前記飛行機の翼に形状記憶合金を備え、該形状記憶合金へのレーザー光の照射により、翼の形状を制御することにより、飛行の制御を可能にすることを特徴とする繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機。
【請求項５】
請求項３又は４記載の繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機において、前記翼の両翼を交互にレーザー照射することによって、姿勢や方向を制御することを特徴とする繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繰り返し推進装置及びそれを用いた軽量小型飛行機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙において、ロケットを化学燃料で推進する代わりに地上に置いたレーザーをロケットに照射し、そこから噴出するガスの反作用を利用してロケットを推進しようとするアイディアは、１９７２年にＫａｎｔｒｏｗｉｔｚによって提案された〔先行技術文献１：Ａ．Ｋａｎｔｒｏｗｉｔｚ，Ａｓｔｒｏｎａｕｔ，Ａｅｒｏｎａｕｔ．１０，７４（１９７２）〕。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ロケットの大きさを考えると、このために必要なレーザーの開発は近い将来では難しいであろうと考えられる。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑みて、簡単な機構で推進を継続することができる繰り返し推進装置及びそれを用いた軽量小型飛行機を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕繰り返し推進装置において、アルミニウムからなる被推進体と、この被推進体の後方に設けられるとともに、前記被推進体との比重が近似するガラス板、アクリル板又は液滴からなる流動性レーザー光透明体と、この流動性レーザー光透明体に繰り返しレーザー光を照射する手段とを備え、前記レーザー光によって発生するアブレイションによる駆動力が前記流動性レーザー光透明体に作用し、前記駆動力の反作用としての推進力を前記被推進体に付与し、前記駆動力が発生すると前記流動性レーザー光透明体は復元し、次に照射されるレーザー光により再びアブレイションによる駆動力を発生させ、これを繰り返すことを特徴とする。
【０００６】
〔２〕繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機において、少なくとも金属部分を有する飛行機と、この飛行機本体の金属部分の後方に設けられるとともに、アルミニウムからなる被推進体との比重が近似するガラス板、アクリル板又は液滴からなる流動性レーザー光透明体と、この流動性レーザー光透明体に繰り返しレーザー光を照射する手段とを備え、前記レーザー光によって発生するアブレイションによる駆動力が前記流動性レーザー光透明体に作用し、前記駆動力の反作用としての推進力を前記被推進体に付与し、前記駆動力が発生すると前記流動性レーザー光透明体は復元し、次に照射されるレーザー光により再びアブレイションによる駆動力を発生させ、これを繰り返すことを特徴とする。
【０００７】
〔３〕上記〔２〕記載の繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機において、前記飛行機の翼に前記流動性レーザー光透明体を備え、この流動性レーザー光透明体へのレーザー光の照射により、飛行の制御を可能にすることを特徴とする。
【０００８】
〔４〕上記〔２〕記載の繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機において、前記飛行機の翼に形状記憶合金を備え、この形状記憶合金へのレーザー光の照射により、翼の形状を制御することにより、飛行の制御を可能にすることを特徴とする。
【０００９】
〔５〕上記〔３〕又は〔４〕記載の繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機において、前記翼の両翼を交互にレーザー照射することによって、姿勢や方向を制御することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００１１】
本願発明者らは、より実現性の高いレーザーの応用として、小さな物体をレーザーで加速することを思いついた。すなわち、レーザーによって軽量小型の飛行機（マイクロ飛行機）を加速するものである。この飛行機には、エンジンや制御装置が不要なため、観測装置のみを積載するだけで済むので、軽量小型化が可能である。
【００１２】
この飛行機の後部には、金属などを貼りつける。これにレーザーを照射して蒸発させ、その蒸発するガスの反作用で飛行機が推進される。レーザーで追尾することにより、ある時間間隔で照射すれば、自在に推進を調節することができる。
【００１３】
また、翼の部分にも同様な仕組みを導入すれば、両翼を交互にレーザー照射することによって、姿勢や方向を制御することができる。さらに、翼の部分は、別の推進方法も考えられる。すなわち、スマート構造のような薄い形状記憶合金などを使い、レーザーで熱を与えることによって形状を制御し、翼を制御することも可能である。
【００１４】
さらに効率を上げるために、蒸発する部分に特殊な構造を持たせることも可能である。例えば、金属の上に透明な物質（ガラスやアクリル等）をコーティングするか、水などの液体状のものをコーティングすることによって、効率が桁違いに上昇する。
【００１５】
図１はレーザー強度Ｉと運動量結合係数Ｃｍの比例則を示す図であり、薄膜にレーザーを照射し、どのような力を薄膜が得ることができるかをコンピュータシミュレーションと基礎実験によって確かめたものである。横軸はレーザー強度Ｉで、縦軸は運動量結合係数Ｃｍである。ここで、τはレーザーのパルス幅、Ｃｍは薄膜の得た運動量Ｎ．ｓ（ニュートン×秒）をレーザーエネルギーＭＪ（メガジュール）で規格化したものである。
【００１６】
図１中の□と実線は、アルミニウム薄膜のみをレーザー照射したときのシミュレーション結果で、×、△、＋と実線は、アルミニウムにアクリルを貼り付けた場合のシミュレーション結果で、パルス幅を５ナノ秒から５０ナノ秒まで変化させた。計算には、ＣＩＰ−ＣＵＰ法を用いたＰＡＲＣＩＰＨＡＬコードを使用した〔先行技術文献２：Ｔ．Ｙａｂｅ，Ｆ．Ｘｉａｏ，ａｎｄ  Ｔ．Ｕｔｓｕｍｉ，Ｊ．Ｃｏｍｐｕｔ．Ｐｈｙｓ．１６９，５５６（２００１）〕。
【００１７】
図１中の○は、Ｐｈｉｐｐｓ氏による、オハイオ州  Ｗｒｉｇｈｔ−Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ空軍基地のＬＨＭＥＬネオジミウムガラスレーザー（出力７０ジュール、パルス幅２５から１００ナノ秒）によるアルミニウム板加速実験の結果である〔先行技術文献３：Ｃ．Ｒ．Ｐｈｉｐｐｓ  ａｎｄ  Ｍ．Ｍ．Ｍｉｃｈａｅｌｉｓ，Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｂｅａｍｓ，１２，２３（１９９４）〕。なお、アルミニウム板にはガラスを貼り付けてあった。
【００１８】
このように、アルミニウム板の上に透明な物質を貼ることによって加速効率が上がるということは、本願発明者である矢部を初めとする多数の研究者によって提案されてきたもので、キャノンボール効果と呼ばれている。Ｗｉｎｔｅｒｂｅｒｇ〔先行技術文献４：Ｆ．Ｗｉｎｔｅｒｂｅｒｇ，Ｌｅｔｔｅｒｅ  ａｌ  Ｎｕｏｖｏ  Ｃｉｍｅｎｔｏ，１６，２１６（１９７６）〕、Ａｚｅｃｈｉ〔先行技術文献５：Ｈ．Ａｚｅｃｈｉ，Ｎ．Ｍｉｙａｎａｇａ，Ｓ．Ｓａｋａｂｅ，Ｔ．Ｙａｍａｎａｋａ  ａｎｄ  Ｃ．Ｙａｍａｎａｋａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０，Ｌ４７７（１９８１）〕らは、外側の球に穴を開けることにより、外側が大砲の筒の効果を示し、内側の球が大砲の弾の役割を担って飛ぶことからキャノンボールという命名を行った。
【００１９】
矢部〔先行技術文献６：Ｔ．Ｙａｂｅ  ａｎｄ  Ｋ．Ｎｉｕ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ，４０，８６３（１９７６）〕らは、透明な物質を外側に付け、これをレーザーが透過することによって同様の効果をもたらすことを発見した。本発明は、本願発明者によって提案された先行技術文献６に基づいている。本発明は、更に、その方式を飛行機の推進機構として利用したものである。
【００２０】
〔具体例〕
実際に、この原理を用いて実験を行った例が図２及び図３である。ここでは、出力５９０ｍＪでパルス幅５ｎｓのＹＡＧレーザーを使用した。
【００２１】
図２では、３８ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍのサイズで、重さ０．１ｇの紙飛行機を用いた。飛行機は最初、溝を切った発射台の上に置かれた。飛行機の後部には３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×０．１ｍｍの矩形のアルミニウム板を貼り付けた。さらに、このアルミニウム板上に３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×０．６ｍｍの矩形のアクリル板を接着剤で軽く固定した。
【００２２】
アクリル板なしでは飛行機は全く動かなかったが、アクリル板を付けると、大きな推力を得て飛び立った。アクリル板ではなく、水滴を付加した場合には、図３に示すように、３９ｍｍ×５６ｍｍ×１５ｍｍのサイズで重量０．２ｇの軽量小型飛行機を飛行させ着陸させることができた。わずか５９０ｍＪの１パルスでこのような推力を得ることができるということは、実用化に問題がないということを意味する。
【００２３】
図１（前述）の■がこの実験の結果であるが、シミュレーションおよび基礎実験では、５０ジュールのレーザーによりこの１万倍の推力を得ることが可能ということを示し、既存のレーザーでも数百グラムから１キログラムのマイクロ飛行機を駆動できることを意味している。
【００２４】
ただし、図２の実験では、１パルスでアクリル板が飛んでいってしまうので、将来的な繰り返しの推進には不向きである。繰り返し推進には、図３の液滴が最適である。
【００２５】
図４は本発明にかかる推進装置の原理の説明図である。
【００２６】
この図において、物質１とレーザーに対して透明な物質２が接着されており、この二つの物質１，２の間にレーザー（図示なし）が照射されると、物質２はレーザーに対して透明であるため、右側から入射したレーザー（図示なし）はこれを通過し物質１まで達する。このとき、運動量保存の法則により、
ＭＵ＝ｍｕ
が成立する。
【００２７】
これを用いると、物質１と物質２の部分の運動エネルギーの比は、
ＭＵ2 ／ｍｕ2 ＝ｍ／Ｍ
となる。
【００２８】
したがって、物質２が空気のような軽い物質であると、ｍ≪Ｍであるため、ほとんどの運動エネルギーは物質２の方へ行き、物質１（例えば、飛行機）を加速する効率が悪い。
【００２９】
そこで、ｍ，Ｍを同等にすれば、エネルギーが効率よく、物質１（例えば、飛行機）に与えられる。
【００３０】
図５は本発明の実施例を示す繰り返し推進装置の模式図である。
【００３１】
この図において、１１は被推進体（金属体）としてのアルミニウム体、１２はこの被推進体１１の後方に設けられる（付着される）流動性透明体としての液滴、１３はこの液滴１２に繰り返し照射されるレーザー光、１４はそのレーザー光によって発生するアブレイションによる駆動力、１５はその駆動力が液滴１２に作用して発生する反作用力としての推進力である。
【００３２】
これによれば、レーザー光が照射されアブレイションによる駆動力が発生すると、すぐに流動性透明体としての液滴１２は復元し、次の照射されるレーザー光により再びアブレイションによる駆動力が発生し、これを繰り返すことにより、継続的な推進力を得ることができる。
【００３３】
また、被推進体１１と液滴１２との二重構造の効果は、図６に示すように、半導体ロードセル（豊田工機社製  Ｍｏｄｅｌ  ＰＡ−６／１０Ｎ）による直接的な力の測定でも実証された。図６はアルミニウム薄膜のみの場合（Ｂ）と、その上にアクリル板を付着させた場合（Ａ）での、レーザー照射によって、物体に働く力の時間変化を示す図である。
【００３４】
なお、この図において、横軸は時間（μｓｅｃ）、縦軸は力（Ｎ）であり、本発明の場合（Ａ）は、従来の場合（Ｂ）に比べて、数倍の力を発生させることができた。
【００３５】
このように、本発明によれば、より実現性の高いレーザーの応用として、小さな物体をレーザー光で繰り返し、推進させることができる。
【００３６】
図７は本発明の実施例を示す繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機の模式図である。
【００３７】
この図において、２１は軽量小型飛行機、２２はその軽量小型飛行機２１の推進装置、２３は地上のレーザー基地、２４はその地上のレーザー基地２３から照射されるレーザー光である。
【００３８】
この図に示すように、本発明の飛行機には、エンジンや制御装置が不要なため、観測装置のみを積載するだけで済むので、軽量小型化が可能である。
【００３９】
この飛行機の後部には、上記した推進装置２２を搭載し、これにレーザー光２４を照射して蒸発させ、その蒸発するガスの反作用で軽量小型飛行機２１が推進される。軽量小型飛行機２１をレーザー光２４で追尾することにより、ある時間間隔で照射すれば、自在に推進を調節することができる。
【００４０】
また、飛行機の翼の部分にも、同様な仕組みを導入すれば、両翼を交互にレーザー光を照射することによって、姿勢や方向を制御することができる。
【００４１】
さらに、飛行機の翼の部分は、別の推進方法も考えられる。スマート構造のような薄い形状記憶合金などを使い、この形状記憶合金にレーザー光を照射して、熱を与えることによって形状を制御し、翼を制御することも可能である。
【００４２】
本発明の軽量小型飛行機の利用は色々な場合が考えられる。
【００４３】
まず、火山やメタン層などの人間が直接行くことのできない場所に、観測装置を運ぶことが考えられる。現在は、ラジコン飛行機を使用しているが、
（１）電波障害により操縦が不安定になりやすい。
【００４４】
（２）超高空を飛ぶことができない（プロペラが機能しない）。
【００４５】
（３）遠方まで飛ばすことができない。
などの欠点が指摘されてきた。
【００４６】
そのような場合に、本発明の軽量小型飛行機（レーザー駆動マイクロ飛行機）を使用すれば、軽量でさまざまな測定装置を運ぶことができるようになる。
【００４７】
なお、レーザー光による駆動のみに限定する必要はない。通常のラジコンを用い、操縦不可能となったときや、超高空、遠方でレーザー光を照射し、お互いに補完し合う「ハイブリッド型」とすることができる。
【００４８】
現在、日本の上空に飛行船を飛ばし、これを利用して衛星通信を行おうという試みがあるが、この飛行船を常時空に浮かべるには、駆動力を供給する必要がある。そこで、本発明を用いて、この飛行船に地上から駆動力を供給すれば、燃料を積む必要がなくなる。
【００４９】
また、配管の中なども、要所要所に反射鏡さえ設置すれば、本発明のマイクロ飛行機を誘導して行くことができるであろう。
【００５０】
さらに、もっと小さなものになれば、人体の中（例えば、肺の中）を飛ぶマイクロ飛行機も可能であろう。
【００５１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば以上のような効果を奏することができる。
【００５３】
（Ａ）簡単な機構で推進を継続することができる繰り返し推進装置及びそれを用いた軽量小型飛行機を提供することができる。
【００５４】
（Ｂ）火山やメタン層などの人間が直接行くことのできない場所に、観測装置を運ぶことができる軽量小型飛行機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  レーザー強度Ｉと運動量結合係数Ｃｍの比例則を示す図である。
【図２】  アルミニウムの薄膜の上にアクリル板を付けた飛行機の飛行経路（実験結果）図（高速度カメラによるコマ撮り図面代用写真）である。
【図３】  アルミニウムの薄膜の上に水滴を付けた飛行機の飛行経路（実験結果）図（高速度カメラによるコマ撮り図面代用写真）である。
【図４】  本発明にかかる推進装置の原理の説明図である。
【図５】  本発明の実施例を示す繰り返し推進装置の模式図である。
【図６】  アルミ薄膜のみの場合と、その上にアクリル板を付着させた場合での、レーザー照射によって物体に働く力の時間変化（半導体ロードセルによる測定）を示す図である。
【図７】  本発明の実施例を示す繰り返し推進装置付き軽量小型飛行機の模式図である。
【符号の説明】
１    物質
２    レーザーに対して透明な物質
１１    被推進体（金属体）としてのアルミニウム体
１２    流動性透明体としての液滴
１３    繰り返し照射されるレーザー光
１４    レーザー光によって発生するアブレイションによる駆動力
１５    推進力
２１    軽量小型飛行機
２２    軽量小型飛行機の推進装置
２３    地上のレーザー基地
２４    レーザー基地から照射されるレーザー光
【図１】
0004001740.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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