ビーム駆動の推進力

Beam-powered_propulsion
指向性エネルギー推進としても知られるビーム駆動推進力は、遠隔発電所から宇宙船にビームされるエネルギーを使用してエネルギーを提供する航空機または宇宙船推進力のクラスです。ビームは通常、マイクロ波またはレーザービームのいずれかであり、パルスまたは連続のいずれかです。連続ビームはサーマルロケット、フォトニックスラスター、ライトセイルに適していますが、パルスビームはアブレーションスラスターやパルスデトネーションエンジンに適しています。
通常引用される経験則では、車両が低軌道に到達できるように加速されている間、ペイロード1kgあたり1メガワットの電力が車両に送信されます。
軌道上に打ち上げる以外に、世界中を素早く移動するためのアプリケーションも提案されています。

コンテンツ
1 バックグラウンド
2 レーザー推進
3 マイクロ波推進力
4 電気推進
5 直接衝動
6 提案されたシステム
6.1 ライトクラフト
6.1.1 テスト
6.2 レーザー熱ロケット 6.3 マイクロ波熱ロケット
7 経済
7.1 ビームディレクターのコスト
8 宇宙船以外のアプリケーション
9 も参照してください
10 参考文献
11 外部リンク

バックグラウンド
ロケットは勢いのある機械です。彼らはロケットから放出された質量を使用してロケットに勢いを与えます。運動量は質量と速度の積であるため、ロケットは通常、できるだけ多くの速度を作業質量に入れようとし、それによって必要な作業質量の量を最小限に抑えます。作業質量を加速するためには、エネルギーが必要です。従来のロケットでは、燃料を化学的に結合してエネルギーを供給し、得られた燃料生成物である灰または排気ガスを作業質量として使用します。
エネルギーと運動量の両方に同じ燃料を使用しなければならない特別な理由はありません。ジェットエンジン、例えば、燃料のみ農産物エネルギーに使用され、作業質量は、ジェット航空機が飛行を介して、空気から供給されます。最新のジェットエンジンでは、推進される空気の量は、エネルギーに使用される空気の量よりもはるかに多くなります。ただし、これはロケットの解決策ではありません。ロケットは、空気が薄すぎて作業質量の供給源として使用できない高度にすばやく上昇するためです。
ただし、ロケットは作業質量を運び、他のエネルギー源を使用することができます。問題は、化学燃料と競合するパワーウェイトレシオのエネルギー源を見つけることです。小型原子炉はこの点で競争することができ、核熱推進に関するかなりの作業が1960年代に行われたが、環境問題とコストの上昇により、これらのプログラムのほとんどが終了した。
宇宙船からエネルギー生成を取り除くことにより、さらなる改善を行うことができます。原子炉が地面に残され、そのエネルギーが宇宙船に伝達されると、原子炉の重量も取り除かれます。問題は、宇宙船にエネルギーを取り込むことです。これがビームパワーの背後にある考え方です。
ビーム推進力を使用すると、電源を地面に固定したままにし、固定設備からのメーザーまたはレーザービームを使用して、宇宙船の推進剤を直接（または熱交換器を介して）加熱することができます。これにより、宇宙船は電源を家に置いたままにして、大量の質量を節約し、パフォーマンスを大幅に向上させることができます。

レーザー推進
レーザー推進
レーザーは推進剤を非常に高温に加熱できるため、排気速度は温度の平方根に比例するため、ロケットの効率が大幅に向上する可能性が通常の化学ロケットの排気速度は、推進剤の一定量のエネルギーによって制限されますが、ビーム推進システムには特定の理論上の制限はありません（実際には温度制限があります）。

マイクロ波推進力
マイクロ波熱推進では、外部マイクロ波ビームを使用して耐火性熱交換器を> 1，500 Kに加熱し、次に水素、メタン、アンモニアなどの推進剤を加熱します。これにより、従来のロケット推進と比較して、推進システムの比推力と推力/重量比が向上します。たとえば、水素は700〜900秒の比推力と、50〜150の推力/重量比を提供できます。
ジェームズベンフォード兄弟とグレゴリーベンフォード兄弟によって開発されたバリエーションは、非常に大きなマイクロ波帆の材料に閉じ込められた推進剤の熱脱着を使用することです。これにより、マイクロ波で押し出された帆だけに比べて非常に高い加速度が発生します。

電気推進
いくつかの提案された宇宙船推進機構は、電気エネルギーがイオンスラスターまたはプラズマ推進エンジンなどの電気動力ロケットエンジンによって使用される、電気動力宇宙船推進力を使用する。通常、これらのスキームは、ソーラーパネルまたはオンボードリアクターのいずれかを想定しています。ただし、どちらの電源も重いです。
レーザの形の梁の推進は、に電力を送信するために使用することができる太陽光発電パネルのために、レーザー電気推進。このシステムでは、ソーラーアレイに高強度が入射する場合、加熱効果による変換効率の低下を回避するために、パネルを注意深く設計する必要がJohn Brophyは、NASA Innovative Advanced Conceptsプロジェクトで恒星間前駆ミッションなどの高デルタVミッションを達成する手段として、高効率の電気推進システムに電力を供給する光起電アレイへのレーザー出力の送信を分析しました。
マイクロ波ビームは、マイクロ波電気推進のために、レクテナに電力を送るために使用できます。マイクロ波放送電力は実際に数回実証されており（たとえば、1974年にカリフォルニア州ゴールドストーン）、レクテナは潜在的に軽量であり、高い変換効率で高電力を処理できます。ただし、レクテナは、かなりの量の電力を取り込むために非常に大きくする必要がある傾向が

直接衝動
ビームを使用して、セールを直接「押す」ことでインパルスを提供することもできます。
この一例は、ソーラーセイルを使用してレーザービームを反射することです。呼ばれるこの概念は、レーザープッシュライトセイル1号は、当初、マルクスによって提案されたが、最初の詳細に分析し、物理学者で、上の精緻化ロバート・L・フォワード1989年の方法として、恒星間航行非常に高い避けるだろう燃料を運ばないことによる質量比。概念のさらなる分析は、ランディス、 マローブとマトロフ、 アンドリュースルービン、などによって行われました。
後の論文で、フォワードはマイクロ波ビームで帆を押すことを提案しました。これには、セールが連続した表面である必要がないという利点がフォワードは、超軽量帆「スターウィスプ」の提案にタグを付けました。Landisによる後の分析は、Forwardによって最初に提案されたStarwispの概念は機能しないことを示唆しましたが、提案のバリエーションが実装される可能性が
ビームは、回折のためにビームのごく一部だけが帆を逃すように大きな直径を持っている必要があり、レーザーまたはマイクロ波アンテナは、船が中心に追従するのに十分な速さで帆を傾けることができるように、良好なポインティング安定性を備えている必要がありますビームの。これは、惑星間旅行から星間旅行に移行するとき、およびフライバイミッションから着陸ミッション、そして帰還ミッションに移行するときに、より重要になります。レーザーまたはマイクロ波送信機は、おそらく太陽放射から直接エネルギーを取得する小さなデバイスの大きなフェーズドアレイです。アレイのサイズは、レンズやミラーの必要性を否定します。
別のビームプッシュの概念は、マグネティックセイルまたはMMPPセイルを使用して、荷電粒子のビームを粒子加速器またはプラズマジェットからそらすことです。ランディスは1989年に粒子ビーム押し帆を提案し、2004年の論文でより詳細に分析した。 Jordin Kareは、これの変形を提案しました。これにより、小さなレーザー加速ライトセイルの「ビーム」が勢いをマグセイルビークルに伝達します。
別のビームプッシュコンセプトは、通常の物質のペレットまたは発射体を使用します。静止したマスドライバーからのペレットの流れは、宇宙船によって「反射」されます。マスドライバー。宇宙船は、それ自体の推進のためにエネルギーも反応質量も必要としません。
提案されたシステム編集

ライトクラフト lightcraft lightcraftは、推力を生成するための電力を提供するために、レーザーまたはメーザーエネルギーの外部パルス光源を使用する現在開発中の車両です。
レーザーは、車両の下側にある放物面反射鏡を照らし、光を集中させて非常に高温の領域を生成します。この領域の空気は加熱されて激しく膨張し、レーザー光の各パルスで推力を生成します。宇宙では、軽航空機はこのガス自体を機内のタンクまたは奪格の固体から供給する必要がビークルの電源を地面に置いたままにし、上昇の大部分の反応質量として周囲の大気を使用することにより、ライトクラフトはその発射質量の非常に大きな割合を軌道に送ることができます。また、製造が非常に安価になる可能性も

テスト
2000年10月2日の早朝、高エネルギーレーザーシステム試験施設（HELSTF）で、米国空軍研究所のフランクリンB.ミードとレイクミラボの助けを借りて、ライトクラフトテクノロジーズ社（LTI）が新しい世界を築きました。直径4.8インチ（12.2 cm）、1.8オンス（51 g）のレーザーブーストロケットで12.7秒間の飛行で、233フィート（71 m）の高度記録。午前8時35分の飛行の多くは230フィート以上でホバリングに費やされましたが、ライトクラフトはこれまでで最長のレーザー駆動の自由飛行と最大の「飛行時間」（つまり、打ち上げから着陸まで）で世界記録を獲得しました。 / recovery）光推進オブジェクトから。これは、ロバート・ゴダードのロケット設計の最初のテスト飛行に匹敵します。レーザー出力を100キロワットに上げると、高度30キロまでの飛行が可能になります。彼らの目標は、特注の1メガワットの地上ベースのレーザーを使用して、1キログラムのマイクロサテライトを低軌道に加速することです。このようなシステムは、約20ドル相当の電力を使用し、キログラムあたりの打ち上げコストを現在の打ち上げコスト（数千ドルで測定）の何倍にも抑えます。
Myraboの「ライトクラフト」デザインは、反射放物面を使用してレーザーから中心に向かって熱を送る反射漏斗型のクラフトで、レーザーが文字通りその下の空気を爆発させ、揚力を生成します。航空機の反射面はビームをリングに集束させ、そこで空気を太陽の表面のほぼ5倍の温度に加熱し、空気を爆発的に膨張させて推力を発生させます。

レーザー熱ロケット
サーマルロケット
レーザー熱ロケットは、外部レーザービームによって提供されるエネルギーによって推進剤が加熱される熱ロケットです。 1992年、故ジョーダン・ケアは、液体水素を含むロケットを使用する、より単純で短期間の概念を提案しました。推進剤は、従来のノズルを介して車両を離れる前に、レーザービームが当たる熱交換器で加熱されます。この概念は連続ビームレーザーを使用することができ、半導体レーザーは現在このアプリケーションにとって費用効果が高いです。

マイクロ波熱ロケット
サーマルロケット
2002年、Kevin LG Parkinは、マイクロ波を使用した同様のシステムを提案しました。 2012年5月、DARPA / NASAミリ波熱発射システム（MTLS）プロジェクトは、このアイデアを実装するための最初のステップを開始しました。MTLSプロジェクトは、ミリ波吸収耐火性熱交換器を最初に実証し、その後、それを小型ロケットの推進システムに統合して、最初のミリ波熱ロケットを製造しました。同時に、最初の高出力協調ターゲットミリ波ビームディレクターを開発し、それを使用して最初のミリ波熱ロケットの打ち上げを試みました。いくつかの打ち上げが試みられましたが、2014年3月に資金がなくなる前に、ビームディレクターの問題を解決できませんでした。

経済
ビーム駆動の推進システムを開発する動機は、推進性能の改善の結果として得られるであろう経済的利点から来ています。ビーム駆動ロケットの場合、推進性能が向上すると、ペイロードの割合が増加し、構造マージンが増加し、ステージが少なくなります。フリーマンダイソンによって執筆されたJASONの1977年のレーザー推進に関する研究は、ビーム駆動の打ち上げの可能性を簡潔に示しています。
「宇宙技術に革命を起こす可能性のあるアイデアとしてのレーザー推進力。地上の単一のレーザー施設は、理論上、単段の車両を低軌道または高軌道に打ち上げることができます。ペイロードは、車両の20％または30％になります。 -オフウェイト。化学推進よりも質量とエネルギーの使用においてはるかに経済的であり、同一の車両をさまざまな軌道に投入する際にはるかに柔軟性が」
この約束は、NASAのために実施された1978年のロッキード研究で定量化されました。
「研究の結果は、高度な技術により、宇宙ベースまたは地上ベースのレーザー送信機を備えたレーザーロケットシステムが、宇宙輸送に割り当てられた国家予算を10年間のライフサイクルで100〜3450億ドル削減できることを示しました。同等の能力を持つ高度な化学推進システム（LO 2 -LH 2）と比較して。」

ビームディレクターのコスト
1970年代の研究などでは、ビーム駆動の発射システムの障害の可能性として、ビームディレクターのコストが挙げられています。最近の費用便益分析は、ビームダイレクタのコストが20ドル/ワットを下回ると、マイクロ波（またはレーザー）熱ロケットが経済的であると推定しています。適切なレーザーの現在のコストは<100 $ / Wであり、適切なマイクロ波源の現在のコストは<$ 5 / Wです。大量生産により、電子レンジマグネトロンの製造コストは<0.01 $ / Wに、一部の医療用レーザーは<10 $ / Wに低下しましたが、これらはビームダイレクタでの使用には不適切であると考えられています。

宇宙船以外のアプリケーション
1964年、ウィリアムC.ブラウンは、レクテナと呼ばれるアンテナと整流器の組み合わせを備えた小型ヘリコプターのデモを行いました。レクテナはマイクロ波電力を電気に変換し、ヘリコプターが飛ぶことを可能にしました。
2002年、日本のグループがレーザーを使用して小さなアルミニウム飛行機を推進し、それに付着した水滴を蒸発させました。2003年、NASAの研究者は、レーザーで照らされたソーラーパネルを搭載したプロペラを備えた11オンス（312 g）のモデル飛行機を飛行しました。 。このようなビーム駆動の推進力は、通信リレー、科学プラットフォーム、または監視プラットフォームとして機能するように設計された、長時間の高高度無人航空機または気球に役立つ可能性が
地球軌道からスペースデブリを一掃するために「レーザーほうき」が提案されました。これは、ビーム駆動の推進力の別の提案された使用法であり、それによって推進されるように設計されていないオブジェクト、たとえば、ノックオフされた（「スポール」された）衛星の小片などに使用されます。レーザー出力がオブジェクトの片側をアブレーションし、オブジェクトの軌道の離心率を変更するインパルスを与えるため、この手法は機能します。その後、軌道は大気と交差して燃え尽きます。

も参照してください
ビームパワーチャレンジ–NASA センテニアルチャレンジの1つ MagBeam シンアレイ呪い
レーザー記事のリスト
プラズマ（物理）記事のリスト
プロジェクトフォワード（星間）

参考文献
^ ブレークスルー（2018-05-29）、ビームエネルギー推進の進歩| Kevin Parkin、
^ 「アーカイブされたコピー」。
^ http://resolver.caltech.edu/CaltechETD:etd-06022006-160023マイクロ波/熱推進上のケビン・パーキンの博士論文「マイクロ波熱スラスタと発射問題への応用」 ^ ジョン・ブロフィー、星間前駆体ミッションのための画期的な推進アーキテクチャ、NASA、2018年3月30日。2019年11月18日にアクセス。
^ G.マルクス、「レーザービームによって推進される星間ビークル」、 Nature、Vol。211、1966年7月、22〜23ページ。
^ RL Forward、「レーザープッシュライトセイルを使用した往復星間旅行」、J。Spacecraftand Rockets、Vol。21、pp 187-195（1989年3月-4月）
^ G. A. Landis、「レーザー推進ライトセイルの光学および材料に関する考慮事項」、ペーパーIAA-89-664、第40回国際宇宙航行連盟会議、スペイン、マラガ、1989年10月7〜12日（要約）（フルペーパー））
^ GA Landis、「小型レーザープッシュライトセイル恒星間探査機：パラメーター変動の研究」、 J。英国惑星間協会、Vol。50、No。4、pp.149-154（1997）; ペーパーIAA-95-4.1.1.02、 ^ ユージン・マローブ＆グレゴリー・マトロフ（1989）。スターフライトハンドブック。ジョン・ワイリー＆サンズ社ISBN  978-0-471-61912-3。
^ DG Andrews、「星間ミッションのコストに関する考慮事項」、論文IAA-93-706 ^ P. Lubin、 et al、 ” Directed Energy For Relativistic Propulsion and Interstellar Communications、” J. British Interplanetary Soc。、Vol。68、 No。5/ 6、2015年5月、172ページ。
^ RL Forward、「Starwisp：超軽量恒星間探査機」、J。Spacecraftand Rockets、Vol。21、pp。345-350、1985年5月〜6月）
^ GAランディス、「電子レンジは、恒星間航行プッシュ：Starwisp再訪」、紙AIAA-2000から3337、第36回合同推進会議、ハンツビルAL、7月17-19、2000.（ 「アーカイブコピーを」。アーカイブから元2007-02に-17 。）。
^ P.ギルスター、「粒子ビームによる星間飛行の再考」、2005年4月18日、 CentauriDreams。
^ GA Landis、「粒子ビームによる恒星間飛行」、 Acta Astronautica、Vol 55、No。11、931-934。
^ JT Kare、星間推進用の高加速度マイクロスケールレーザーセイル、最終報告書、NASA先端概念研究所、2001年12月31日 ^ P.ギルスター、「「スマートペレット」と星間推進力」、 Centauri Dreams、2014年7月16日。
^ Myrabo（2007-06-27）、LightCraft Launch 2000年10月-レーザービーム駆動の推進力、
^ H.KrierとRJGlumb。「レーザー支援ロケット推進の概念と状況」、 Journal of Spacecraft and Rockets、Vol。２１、Ｎｏ．１（１９８４）、７０〜７９ページ。https://dx.doi.org/10.2514/3.8610 ^ Leonard H. Caveny、「レーザー熱推進」、軌道上昇および操縦推進：研究状況とニーズ」、宇宙工学および航空学の進歩、米国航空宇宙学会（1983）pp.129-148。
^ カレ、JT（1992）。地上から軌道への打ち上げのためのレーザー駆動熱交換器ロケットの開発 ワシントンDC国際宇宙航行連盟会議 ^ Jordin T. Kare「モジュラーレーザー発射アーキテクチャ：分析とビームモジュール設計」（PDF）。niac.usra.edu 。
^ 「HXレーザーの打ち上げ：それは蒸気船の時間です」（PDF）。2011年7月24日にオリジナル（PDF）からアーカイブされました。
^ パーキン、KLG、他。（2002）。カリフォルニア工科大学ジェット推進センターのマイクロサテライトの超低コスト発射用のマイクロ波熱スラスター。
^ 「NASA​​がロケットを宇宙空間に打ち込むためのレーザービームの探査」。フォックスニュース。
^ 「マイクロ波を動力源とするロケットは軌道に到達するためのコストを削減するだろう」。サイエンティフィックアメリカン。
^ パーキン、ケビン（2017）。マイクロ波熱推進力-最終報告書。NASA。hdl：2060/20170009162。
^ ダイソン、フリーマン; パーキンス（1977）。「ジェイソンレーザー推進力研究」。スタンフォード研究所。
^ ジョーンズ、W。（1979）。「最終報告書。レーザーロケットシステム分析」。ロッキードミサイルアンドスペースカンパニー。
^ パーキン、ケビン。「マイクロ波サーマルロケット」。
^ 実験的な空中マイクロ波サポートプラットフォーム 2010年3月2日、ウェイバックマシンの説明ノート：最終報告書にアーカイブされました。6月64日-4月65日 ^ 「NASA​​アームストロングファクトシート：UAV用ビームレーザーパワー」。2015-03-31。

外部リンク
YouTubeのレーザードライブ推進に関するNASAのビデオ
星間ライトセイルの微調整
ハウスタッフワークス：光推進