2023/09/11 更新

写真a

ナカムラ　ユウスケ
中村　友祐
NAKAMURA Yusuke
所属
大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻 空力・推進 特任助教
職名
特任助教
外部リンク

学位 1

  1. 博士(科学) （ 2019年3月   東京大学 ） 

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学歴 1

  1. 東京大学   大学院新領域創成科学研究科

    2014年4月 - 2019年3月

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    国名： 日本国

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受賞 4

  1. The 26th Annual Meeting of IAPS Best Poster Award

    2019年3月  

  2. 新領域創成科学研究科長賞(博士)

    2019年3月   東京大学  

  3. Plasma Conference 2017 若手優秀発表賞

    2017年11月   プラズマ核融合学会   亜臨界強度のミリ波電界中での放電進展シミュレーション

    中村友祐, 小紫公也, 小泉宏之

  4. 日本航空宇宙学会47期年会講演会 優秀発表賞受賞

    2016年4月   日本航空宇宙学会   ミリ波放電伸展時における粒状プラズマの数値解析

    中村友祐, 福成雅史, 山口敏和, 小紫公也, 小泉宏之

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論文 25

  1. Measurement of ablation impulse and direction with oblique laser-pulse irradiation

    Yusuke Nakamura, Daichi Moriyama, Atsushi Isomura, Akihiro Sasoh

    Acta Astronautica     2023年6月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1016/j.actaastro.2023.03.017

  2. Transition to Weak-Shock Solution Around Centerbody Using Laser Energy Deposition 査読有り

    Hiroki Asai, Yusuke Nakamura, Akihiro Sasoh

    AIAA Journal     2022年11月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.2514/1.J061785

  3. Petal formation law in a cellophane diaphragm subjected to a pressure difference 査読有り

    Gaku Fukushima, Jun Hagiwara, Yusuke Nakamura, Akihiro Sasoh

    Physical Review E   106 巻 ( 4 )   2022年10月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    In this study, a layer of cellophane, subjected to an air-pressure difference, was ruptured using a piercing needle. Accordingly, petal-like fragmentation was observed in the layer via high-speed imaging. Two types of crack-propagation regimes were subsequently observed experimentally. If a tensile stress lower than 20.6 MPa acted on the cellophane diaphragm, a single crack was generated, whose propagation speed was lower than that under higher-stress conditions. For tensile stresses greater than 23.7 MPa, the crack-propagation speed remained constant at approximately 0.86 km/s, even after altering the device size, pressure, and humidity on the low-pressure side. The number of cracks equidistant from the piercing point was expressed as a linear function of the tensile stress acting on the diaphragm.

    DOI： 10.1103/PhysRevE.106.L043001

    Scopus

    PubMed

  4. Geometrical matching in remote in-tube shock compression by an unsteady jet 査読有り

    D. Ichihara, D. Kuwabara, D. Moriyama, Y. Nakamura, A. Iwakawa, A. Sasoh

    Shock Waves   32 巻 ( 4 ) 頁： 373 - 381   2022年6月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：Springer Science and Business Media LLC  

    DOI： 10.1007/s00193-022-01079-1

    その他リンク： https://link.springer.com/article/10.1007/s00193-022-01079-1/fulltext.html

  5. Electrostatic–magnetic hybrid ion acceleration for high-thrust-density operation 査読有り

    D. Ichihara, R. Nakano, Y. Nakamura, K. Kinefuchi, A. Sasoh

    Journal of Applied Physics   130 巻 ( 22 )   2021年12月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    To achieve high-thrust-density operation, we propose electrostatic-magnetic hybrid ion acceleration in which the empirical thrust density limit of the electrostatic acceleration is surpassed without violent plasma oscillation by combing the collisional momentum transfer mechanism, which is the ion acceleration mechanism of the electromagnetic acceleration. To achieve hybrid ion acceleration, we experimentally obtained two design criteria: one near anode propellant injection and another at the on-axis hollow cathode location. The thrust characteristics of three thrusters composed of a slowly diverging magnetic field between an on-axis hollow cathode and a coaxially set ring anode were examined. By injecting xenon propellant along the anode inner surface, the electron impact ionization process was enhanced, and generated ions are electrostatically accelerated through the radial-inward potential gradient perpendicular to the axial magnetic lines of force. The hybrid ion acceleration characteristics were obtained only if these two criteria were satisfied and the obtained thrust was consistent with the thrust formula derived for steady-state, quasi-neutral plasma flows. In addition to the criteria, strengthening the magnetic field and enhancing the propellant mass flux were effective for improving thrust density without deteriorating thrust efficiency. Among the experimental conditions in this study, the maximum thrust density was 70 N/m2 with an anode specific impulse of 1200 s, which cannot be achieved in a purely electrostatic thruster with thrust density 6.3 times than that of a typical Hall thruster.

    DOI： 10.1063/5.0066083

    Scopus

  6. Thrust Density Enhancement in an Electrostatic–Magnetic Hybrid Thruster 査読有り

    Daisuke Ichihara, Koichiro Oka, Ayumi Higo, Yusuke Nakamura, Kiyoshi Kinefuchi, Akihiro Sasoh

    Journal of Propulsion and Power   37 巻 ( 6 ) 頁： 973 - 976   2021年11月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA)  

    DOI： 10.2514/1.b38480

    Scopus

  7. Losing the shock wave front profile due to interaction with turbulence 査読有り

    Fukushima Gaku, Wei Jiaxi, Ogawa Shingo, Hagiwara Jun, Nakamura Yusuke, Sasoh Akihiro

    FLUID DYNAMICS RESEARCH   53 巻 ( 2 ) 頁： 025504 - 025504   2021年4月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：Fluid Dynamics Research  

    DOI： 10.1088/1873-7005/abeda4

    Web of Science

    Scopus

    その他リンク： https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1873-7005/abeda4/pdf

  8. Impacts of grid turbulence on the side projection of planar shock waves 査読有り

    Fukushima G., Ogawa S., Wei J., Nakamura Y., Sasoh A.

    SHOCK WAVES   31 巻 ( 2 ) 頁： 101 - 115   2021年3月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：Shock Waves  

    DOI： 10.1007/s00193-021-01000-2

    Web of Science

    Scopus

    その他リンク： https://link.springer.com/article/10.1007/s00193-021-01000-2/fulltext.html

  9. Speckle beam-oriented schlieren technique 査読有り

    Nakamura Yusuke, Suzuki Takumi, Kinefuchi Kiyoshi, Sasoh Akihiro

    EXPERIMENTS IN FLUIDS   62 巻 ( 1 )   2021年1月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：Experiments in Fluids  

    DOI： 10.1007/s00348-020-03113-3

    Web of Science

    Scopus

  10. General relativistic effects on Hill stability of multibody systems: Stability of three-body systems containing a massive black hole 査読有り

    Suzuki Haruka, Nakamura Yusuke, Yamada Shoichi

    PHYSICAL REVIEW D   102 巻 ( 12 )   2020年12月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：Physical Review D  

    DOI： 10.1103/PhysRevD.102.124063

    Web of Science

    Scopus

    その他リンク： http://harvest.aps.org/v2/journals/articles/10.1103/PhysRevD.102.124063/fulltext

  11. Theory and modeling of under-critical millimeter-wave discharge in atmospheric air induced by high-energy excited neutral-particles carried via photons 査読有り

    Nakamura Yusuke, Komurasaki Kimiya

    PLASMA SOURCES SCIENCE & TECHNOLOGY   29 巻 ( 10 )   2020年10月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：Plasma Sources Science and Technology  

    DOI： 10.1088/1361-6595/ab8e4c

    Web of Science

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  12. Experimental investigation of ionization front propagating in a 28 GHz gyrotron beam: Observation of plasma structure and spectroscopic measurement of gas temperature 査読有り

    Tabata Kuniyoshi, Harada Yuki, Nakamura Yusuke, Komurasaki Kimiya, Koizumi Hiroyuki, Kariya Tsuyoshi, Minami Ryutaro

    JOURNAL OF APPLIED PHYSICS   127 巻 ( 6 )   2020年2月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：Journal of Applied Physics  

    DOI： 10.1063/1.5144157

    Web of Science

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  13. Millimeter-Wave Discharge below Critical Intensity Using a 28 GHz Gyrotron 査読有り

    Kuniyoshi Tabata, Yusuke Nakamura, Kimiya Komurasaki, Tsuyoshi Kariya, Ryutaro Minami

    International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz   2018-September 巻   2018年10月

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    掲載種別：研究論文（国際会議プロシーディングス）  

    © 2018 IEEE. Microwave Rocket is one of beamed energy propulsion systems, whose energy is wirelessly supplied by using a millimeter-wave beam. Although millimeter-wave discharge plasma in under-critical conditions is necessary for its thrust generation, it has not been clarified why discharge is sustained below the critical intensity. One of the possible mechanisms is the one in which the plasma is composed of many excited molecules which can be ionized by lower-energy electrons than those in a ground state. Therefore, experiments using a 28 GHz gyrotron was conducted to confirm the physical modeling. Assuming that electron excitation temperature is higher than vibrational temperature, vibrational temperature was examined. As a result, the measured vibrational temperature of nitrogen molecules increased as peak intensity of millimeter-wave beam becomes lower. The result implies that electron excitation temperature is higher in those regions and highly excited molecules are important for ionization below critical intensity.

    DOI： 10.1109/IRMMW-THz.2018.8510094

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  14. Modeling of Under-Critical Millimeter-Wave DiScharge Induced by High Excitation Temperature 査読有り

    Yusuke Nakamura, Kimiya Komurasaki, Hiroyuki Koizumi

    International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz   2018-September 巻   2018年10月

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    掲載種別：研究論文（国際会議プロシーディングス）  

    © 2018 IEEE. Resent results of millimeter wave discharge experiments suggest that the high excitation temperature plays an important role in the ionization frond propagation in under-critical intensity. In this research, a simple model was proposed considering this high excitation temperature, and the theoretical propagation velocity was calculated using this model. The results were compared with the experimental results using 170 GHz and 28 GHz millimeter-wave. The theoretical results gave good agreement with the experimental results in 170 GHz. However, it disagreed with the results in 28 GHz when the peak power density is larger than 0.2 GW/m2, because the ionization front doesn't keep its shape during propagation.

    DOI： 10.1109/IRMMW-THz.2018.8510141

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  15. Numerical analysis of plasma structure observed in atmospheric millimeter-wave discharge at under-critical intensity 査読有り

    Yusuke Nakamura, Kimiya Komurasaki, Masafumi Fukunari, Hiroyuki Koizumi

    Journal of Applied Physics   124 巻 ( 3 ) 頁： 033303 - 033303   2018年7月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：{AIP} Publishing  

    DOI： 10.1063/1.5023269

  16. Thrust generation experiments on microwave rocket with a beam concentrator for long distance wireless power feeding 査読有り

    Masafumi Fukunari, ToshikazuYamaguchi, Yusuke Nakamura, Kimiya Komurasaki, Yasuhisa Oda, Ken Kajiwara, Koji Takahashi, Keishi Sakamotod

    Acta Astronautica     2018年4月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1016/j.actaastro.2018.01.057

  17. マイクロ波ロケットの空気吸い込み機構設計に関する数値計算 査読有り

    田畑邦佳, エンギュイエン フロリアン, 原田祐貴, 福成雅史, 柿沼薫, 小紫公也, 中村友祐, 小泉宏之

    日本航空宇宙学会論文集   66 巻 ( 5 ) 頁： 128 - 134   2018年

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    記述言語：日本語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.2322/jjsass.66.128

  18. Rocket Propulsion Powered Using a Gyrotron 査読有り

    Masafumi Fukunari, Kimiya Komurasaki, Yusuke Nakamura, Yasuhisa Oda, Keishi Sakamoto

    Journal of Energy and Power Engineering   11 巻 ( 6 )   2017年6月

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    出版者・発行元：David Publishing Company  

    DOI： 10.17265/1934-8975/2017.06.001

  19. Design of a Millimeter-Wave Concentrator for Beam Reception in High-Power Wireless Power Transfer 査読有り

    Masafumi Fukunari, Nat Wongsuryrat, Toshikazu Yamaguchi, Yusuke Nakamura, Kimiya Komurasaki, Hiroyuki Koizumi

    Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves     2017年2月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1007/s10762-016-0327-0

  20. Structural Change of Plasma at Various Ambient Pressures in 28 GHz Millimeter-Wave Discharges 査読有り

    Yuki HARADA, Yusuke NAKAMURA, Kimiya KOMURASAKI, Ryutaro MINAMI, Tsuyoshi KARIYA, Tsuyoshi IMAI, Kohei SHIMAMURA, Masafumi FUKUNARI

    Frontier of Applied Plasma Technology   10 巻 ( 1 ) 頁： 7 - 10   2017年1月

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    記述言語：英語  

  21. Fast-Framing Observation of Filamentary Plasma in Atmospheric Millimeter-Wave Breakdown 査読有り

    Toshikazu YAMAGUCHI, Masafumi FUKUNARI, Yusuke NAKAMURA, Yasuhisa ODA, Keishi SAKAMOTO, Kimiya KOMURASAKI

    Frontier of Applied Plasma Technology   25 巻 ( 1 ) 頁： 7 - 8   2016年3月

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    記述言語：英語  

  22. Two-Stage-to-Orbit Transporting System Combining Microwave Rocket and Microwave Thermal Rocket for Small Satellite Launch 査読有り

    KAKINUMA Kaoru, FUKUNARI Masafumi, YAMAGUCHI Toshikazu, NAKAMURA Yusuke, KOIZUMI Hiroyuki, KOMURASAKI Kimiya, PARKIN Kevin

    TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN   14 巻 ( 30 ) 頁： Pb_99 - Pb_103   2016年

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：一般社団法人 日本航空宇宙学会  

    <p>This paper proposes a two-stage-to-orbit launch system comprised of a Microwave Rocket 1st stage and a Microwave Thermal Rocket 2nd stage. The air-breathing 1st stage improves payload fraction relative to a single-stage-to-orbit system and carries the 2nd stage above the atmosphere and into range of its beam director. For the 1st stage task, a Microwave Rocket is superior to an unmanned aerial vehicle because it is simpler, faster, and reaches higher altitude at higher speed. In addition, we present a new trajectory that eliminates power beaming at low elevation angles and improves system performance. This combination of factors reduces the propellant needed in the 2nd stage, which in turn increases payload fraction by a remarkable factor of 3 times.<i><b> </b></i></p>

    DOI： 10.2322/tastj.14.pb_99

  23. Initial Flight Operations of the Miniature Propulsion System Installed on Small Space Probe: PROCYON 査読有り

    Hiroyuki KOIZUMI, Hiroki KAWAHARA, Kazuya YAGINUMA, Jun ASAKAWA, Yuichi NAKAGAWA, Yusuke NAKAMURA, Shunichi KOJIMA, Toshihiro MATSUGUMA, Ryu FUNASE, Junichi NAKATSUKA, Kimiya KOMURASAKI

    TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN   14 巻 ( ists30 ) 頁： Pb_13 - Pb_22   2016年

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：Japan Society for Aeronautical and Space Sciences  

    DOI： 10.2322/tastj.14.pb_13

  24. 28GHzジャイロトロンを用いた大気圧ミリ波放電試験 査読有り

    山口敏和, 中村友祐, 福成雅史, 小紫公也, 南龍太郎, 假屋 強, 今井 剛

    プラズマ応用科学   53 巻 ( 1 ) 頁： 42 - 45   2015年6月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：プラズマ応用科学会  

    CiNii Books

  25. Filamentary Structure of Millimeter-Wave Discharge Plasma at Low Beam Power Density 査読有り

    Yusuke NAKAMURA, Toshikazu YAMAGUCHI, Kimiya KOMURASAKI, Tony SHOENHERR, Hiroyuki KOIZUMI

    Frontier of Applied Plasma Technology   8 巻 ( 1 ) 頁： 7 - 12   2015年

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    記述言語：英語  

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MISC 4

  1. 超低軌道における大気抵抗補償に向けた超小型大気吸い込み式静電ラムジェット推進機

    中村友祐, 杵淵紀世志, 佐宗章弘  

    宇宙科学技術連合講演会講演集(CD-ROM)65th 巻   2021年

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  2. “スペックルビーム“を用いた密度勾配の定量可視化手法-Speckle Beam Oriented Schlieren(SBOS)

    中村友祐, 鈴木拓実, 杵淵紀世志, 佐宗章弘  

    流体力学講演会/航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム講演集(CD-ROM)53rd-39th 巻   2021年

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  3. 平面衝撃波-格子乱流干渉における衝撃波・乱流マッハ数と干渉距離の影響

    福嶋岳, 小川真吾, WEI Jiaxi, 中村友祐, 杵淵紀世志, 佐宗章弘  

    衝撃波シンポジウム講演論文集(CD-ROM)2019 巻   2020年

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  4. ミリ波放電伸展時における粒状プラズマの数値解析

    中村 友祐, 福成 雅史, 山口 敏和, 小紫 公也, 小泉 宏之  

    年会講演会講演集47 巻   頁： 4p   2016年4月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：日本航空宇宙学会  

    CiNii Books

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科研費 5

  1. 三次元磁場配位を持ったECR放電室と磁気ノズルによる超低軌道環境模擬風洞の開発

    研究課題/研究課題番号：23K13494  2023年4月 - 2026年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究

    中村 友祐

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    担当区分：研究代表者 

    配分額：4680000円 （ 直接経費：3600000円 、 間接経費：1080000円 ）

    近年増加している低軌道小型衛星の処分時における軌道や，大気吸い込み式電気推進機の作動条件を探る上で，高度数百kmの超低軌道において衛星が受ける環境を知ることが重要である．しかしながら現状この環境を地上で長時間模擬する風洞は存在しない．そこで，本研究では新たに提案する風洞を設計、製作し、超低軌道環境模擬を試みる．提案する風洞では高周波を用いて発生させたプラズマを、向きが異なる磁石を組み合わせて作成した三次元磁場配位を持つ放電室中に生成し，これを磁気ノズルで加速し，テストセクションへと導く．また、完成した風洞の性能評価を行う。

  2. 前方流速場nudgeによる衝撃波変調～波面消失原理実証と応用展開

    研究課題/研究課題番号：21H04589  2021年4月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    佐宗 章弘, 中村 友祐, 北村 圭一, 長田 孝二, 太田 匡則, 市原 大輔, 杵淵 紀世志

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    担当区分：研究分担者 

    本研究では、衝撃波面前方に僅かな流速場を誘起すること（流速場nudge）によって波面を消失させるくらい積極的に背後圧力の増加を抑制する方法を原理実証し、ソニックブームなどの衝撃波被害緩和に応用することを目的とする。主要実験装置として「流動衝撃波管」を開発し、既設の屋内自由空間も活用して実験サイトを整備し、数値解析と光学可視化計測と密接にタイアップして研究を推進する。流速変化領域の有限長さや多次元性の影響等も含めて、関連する流体力学現象を解明し、衝撃波緩和・消失デバイスを原理実証、機能評価し、応用展開につなげる。
    本研究課題では、圧縮性流体力学の原理を利用して、前方速度場誘起による衝撃波背後圧力上昇の抜本的緩和を実証し、具体的な応用方法を見出すことを目指している。実験方法として、矩形断面を持つ「流動衝撃波管」を開発して誘起流れと衝撃波の干渉を可視化診断するとともに、自由空間における衝撃波と流れの干渉によって、より大規模な場での挙動を調べる。さらにそのための光学可視化診断法、数値実験法を開発して、適用することを目指している。令和3年度は、流動衝撃波管を完成させ、定常流れとの干渉実験を行ったが、前方流れ導入口部で衝撃波の回折、反射が起こり、想定した干渉状態を実現するための課題が残った。また、中規模実験の衝撃波面三次元定量可視化の為、多方向同時計測システムの構築を行った。これによりφ100mm、流れ方向210mmの計測領域を実現した。衝撃波管開口端部から放出された初期衝撃波マッハ数1.2の衝撃波に誘起された流れ場の計測実験を行い、衝撃波面の計測が可能であることを確認した。また別途新設された風洞の基本特性を評価して、衝撃波乱流干渉実験環境を構築した。乱流との干渉による衝撃波過剰圧変動に関して既往研究とよく一致する結果が得られた。数値計算において乱流との干渉により変形した衝撃波面の局所形状と衝撃波マッハ数に関する解析を行った結果、両者に相関があることがわかった。本研究のターゲットとなる非常に弱い衝撃波（マッハ1.01）の数値計算において、従来の有限体積法による圧縮性流体解法では衝撃波が拡散してしまう等の問題が起こる事を明らかにした。またこの課題に対し、計算手法の適切な選定により対応可能である事を2次元の数値実験で示した。
    計画していた、基盤実験装置、数値実験手法が構築できたため。
    当面の研究計画は、以下の通り。流動衝撃波管および自由空間における衝撃波変調実験とそれらの数値実験を介して、前方流動場nudgeによる衝撃波面消失原理の実証と、マジックフェンスの圧力変調効果を検証する。流動衝撃波管実験では、定常流形成に加えて非定常噴流の効果を実験検証する。その際、衝撃波伝播と非定常噴流の同期は、既存の対向衝撃波管の隔膜破断制御システムを活用する。マジックフェンスについては、衝撃波管内に2次元モデルを設置し、高速度カメラによる光学可視化診断を行う。その際、当研究グループで開発したスペックルBOS法を活用し、奥行き方向の密度分布に関する情報も取得する。屋内自由空間における実験では、多方向同時計測システムは吹出し風洞から生成される格子乱流にさらされる。その為、まず屋内自由空間での実験において亜音速流にさらされた計測システムの特性調査を行う。その後、衝撃波発生装置から生成される流れ場を計測し、衝撃波変調～波面消失を伴う流れ場に対して計測感度の調整を行う。衝撃波面の光学可視化診断については、初年度に構築した実験系において様々な条件下で衝撃波乱流干渉実験を行い、追い風や速度乱れが衝撃波に及ぼす影響を調査する。特に弱い衝撃波の可視化に対する感度を評価し、自由空間における可視化実験の実施につなげる。数値実験に関しては、実際の流れに近い3次元に拡張し確認する。また衝撃波拡散の本質的な解決策として、流体の擾乱成分のみを扱う「線形オイラー方程式（Linearized Euler Equation）」の数値解法を検討する。物理的、数値実験の結果を突き合わせて、流体力学的考察を深める。以上の成果を総合することによって、衝撃波圧力変調に関する原理実証の目途をつけて、マジックフェンスを起点とする応用展開の足掛かりを構築する。以上の研究を進め、その結果を検証してさらに先のステップに進める。

  3. プラズマ磁場閉じ込めの緩急を利用した超小型無電極電気推進機の原理実証

    研究課題/研究課題番号：20K14949  2020年4月 - 2022年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究

    中村 友祐

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    担当区分：研究代表者 

    配分額：4290000円 （ 直接経費：3300000円 、 間接経費：990000円 ）

    過去の超小型深宇宙探査衛星ではまだ電気推進機の数年にわたる長期作動には成功しておらず、これは既存の電極を用いた超小型電気推進機が電極損耗により短命であるためである。そこで本研究では「電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマの選択的生成」、「磁気ミラーを用いたプラズマ閉じ込め」、「変動磁場を用いた繰り返しパルス加速」の３つの特徴を持った無電極の超小型衛星用無電極電気推進機を新しく提案し、実験からその最適な作動点を模索する。
    本研究では新たに提案した，プラズマ磁場閉じ込めの緩急を利用した宇宙用の無電極電気推進機の実証を目指す．この推進機は，管内にコイルと永久磁石で作った閉じ込め磁場中にGHz帯の高周波を印加し，ECR放電によりプラズマを生成し，この状態で閉じ込め磁場を一時的に弱めることでプラズマを排出し，推力を生む．周波数2 GHz～4 GHzの範囲で最大出力およそ15 Wの高周波を放射出来るシステムを完成させ，永久磁石のみで閉じ込め磁場を作った直径10 mmの管内にECR放電プラズマを目標エネルギー範囲内で生成することに成功したが，コイルによる磁場中でのプラズマの安定生成には成功しておらず，形状を模索中である．
    本研究で実証を目指す推進機は，長寿命，高燃費な超小型衛星向けの推進機であり，これが実現されれば，超小型衛星によるミッションの幅が大きく広がることが期待される．近年、超小型人工衛星は学術、産業双方の観点から注目を集めており，このことには大きな社会的な意義がある．現在，本推進機の実証にまでは至っていないが，推進機の放電室を模した管内において目標電力内でのプラズマ生成には成功しており，実現に向けた多くの知見を得ることが出来た．今後，加速用のコイルや，さらに安定したプラズマ生成を実現する放電室形状の検討を進め，実現を目指す．

  4. 超音速大気の運動エネルギーを活用した革新的大気吸い込み式小型電気推進機の原理実証

    研究課題/研究課題番号：19K23486  2019年8月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  研究活動スタート支援

    中村 友祐

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    担当区分：研究代表者 

    配分額：2860000円 （ 直接経費：2200000円 、 間接経費：660000円 ）

    高度100 kmから300 km程度の軌道を回る超低軌道衛星は大気抵抗による減速のため軌道の維持には推進機が必要である。これに取り込んだ大気を推進剤として利用する電気推進を用いれば、消耗品がないため故障しない限り半永久的な軌道維持が可能である。さらに、この推進機を打ち上げコストの安い超小型衛星に搭載できれば、商業利用も期待できる。近年このような電気推進機がいくつか提案されているが、まだ課題があり、実現に至っていない。本研究では、ラム圧縮によるプラズマ生成、超音速作動、シンプルな構造という３つの特徴をもった新しい推進機を提案し、数値計算、実験の双方から作動点を探し、実現に向けた設計を行う。
    近年，地球周回軌道に残された宇宙ゴミの増加が問題となっている．そこで注目しているのが高度200 km程度の超低軌道である．この軌道を回る物体は，薄く存在する大気による抵抗のため宇宙ゴミにならない．軌道の維持には推進機が必要であるが，取り込んだ大気を推進剤として利用する電気推進が実現できれば、故障しない限り半永久的な軌道維持が可能である。本研究では、新しい特徴をもった大気吸い込み式電気推進機を提案し，これを実際に設計，製作し，さらに希薄な空気に対して実際に作動することを確認した．しかしながら，用いた気流は超低軌道環境を十分に模擬できておらず，実現には更なる研究が必要である．
    本研究で提案する大気吸い込み式電気推進機が実現し，超低軌道の利用が可能となれば，宇宙ゴミ増加の問題が解決するのみならず，デブリ化の心配がなくなることにより，宇宙産業が更に活発になる可能性がある．本研究では実際に希薄空気流に対しての作動が確認できたが，静止希薄空気に対して電気推進機を作動させた例も世界で数例しかなく，実現に向けた大きな一歩であると考えている．

  5. ミリ波放電を用いたマイクロ波ロケットにおける推力生成過程の解明及び性能向上

    研究課題/研究課題番号：17J09280  2017年4月 - 2019年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費  特別研究員奨励費

    中村 友祐

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    前年度行った数値計算を用いた構造模擬の結果、用いたモデルにおいて実験で観測された構造と進展速度を達成するには、換算電界強度に三倍以上の非物理的な補正をかけなければならないことが分かった。このことは、電離を誘起する、従来モデルでは考えられていないメカニズムが存在する可能性を示唆している。さらに前年度の分光実験においては、電離波面における励起温度が7000 K程度と比較的高い温度になっていることが観測され、このような高い励起温度領域が進展に影響を及ぼす可能性が示唆された。本年度は、これら前年度の研究の結果を踏まえて励起中性粒子が電離波面における電離を誘起する可能性に注目し、進展メカニズムの解明を目指した。高エネルギー励起中性粒子は基底状態の中性粒子に比べて低いエネルギーの電子との衝突でも電離することが出来、この励起中性粒子が十分存在すれば電離を誘起することが可能である。しかし、このような励起中性粒子は電子数密度の高いバルク領域において主に生成されるため、電離波面の進展に寄与するにはこれを駆動しているプリカーサ領域まで励起中性粒子を輸送する過程が存在しなければならない。そこで、本研究において光脱励起で生じる光子がバルクからプリカーサに励起中性粒子を輸送することで電離波面を駆動する新しい進展メカニズムを提唱した。この光子による輸送を、拡散近似を用いて定式化し、さらに中性粒子の励起状態についても簡素な仮定を導入して定式化することで、このメカニズムによる電子波面の進展を数値的に模擬した。また、各パラメータに対する進展速度の依存性も調査した。この結果、クエンチングの周波数が10^6 /s程度以下であれば、計算で得られる進展速度が入射ミリ波強度によらず実験値の50％程度となり、先行研究に比べて非常に良い一致をみせた。

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