レーザー推進における部分電離プラズマの非平衡輻射流体計算

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本年度の研究では,準定常状態を仮定した輻射の放射・吸収,およびその原子状態から電離度等の気体の状態量を計算するコードを開発し,レーザーの屈折・吸収計算とともに流体計算と結合することでレーザー駆動管内加速装置(LITA)におけるプラズマの生成,およびそれによるブラスト波の形成過程を再現することに成功した。まず,現在のLITAの実験は不活性な単原子気体を用いているので,既存のコードでエネルギー準位やレート係数を計算し,それをもとに準定常状態を仮定した各エネルギー状態の存在確率を計算した.輻射計算で得られる放射率を流体との結合計算に利用するために,広範囲の密度・温度に対応するようにテーブル化した.また,本年度の結合計算に組み込むことはできなかったが,三次元の輻射輸送計算を効率的に解くための手法についても調査を行い,宇宙機が大気圏突入時に経験する輻射流れ場に対して適用した.開発した輻射流体コードを用いてLITAの基礎実験に対応した数値シミュレーションを行い,実験データとの比較を行った.その結果,実験で得られている衝撃波の伝搬速度や,プラズマの生成過程の様子をよく再現することができた.さらに,発光スペクトルの比較を行ったが,こちらに関してはまだ完全に一致しておらず,非平衡なプラズマの状態を記述するための計算手法に課題を残した.これに関しては現在,プラズマの非定常な状態を時間依存のレート方程式を解くことで再現することを試みている.さらに,効率的なレーザー推進システムの運用を目指して,レーザーエネルギーからいかに効率良く推進力を得るかについても調査を行った.その結果,得られる推進力は飛翔体の形状や,充填圧力に依存し,最適な条件があることがわかった.また,その傾向は実験で示唆されているものとも一致し,実験では不明瞭であった最適条件の存在を支持する結果が得られた.