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表面波励起プラズマを用いた超小型プラズマスラスターの研究開発

Research Project

Project/Area Number 14655364
Research Category

Grant-in-Aid for Exploratory Research

Allocation TypeSingle-year Grants
Research Field Aerospace engineering
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

斧 高一  京都大学, 工学研究科, 教授 (30311731)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 節原 裕一  大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (80236108)
高橋 和生  京都大学, 工学研究科, 助手 (50335189)
Project Period (FY) 2002 – 2004
Project Status Completed (Fiscal Year 2004)
Budget Amount *help
¥4,000,000 (Direct Cost: ¥4,000,000)
Fiscal Year 2004: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2003: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2002: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Keywords電気推進 / プラズマスラスター / マイクロ波励起プラズマ / 表面波励起プラズマ / 超小型電気推進 / 超小型プラズマスラスター / 半導体マイクロ波素子 / MEMS
Research Abstract

本研究課題における超小型プラズマスラスターは、マイクロ波を励起源としたミリメートルサイズの軸対称表面波励起マイクロプラズマ源と、該プラズマを真空中に放出して推力を得るマイクロノズルから成る.本年度は、昨年度試作したマイクロプラズマ源(内径1.5mm,長さ10mm,同軸型)とマイクロノズル(オリフィス径0.4mm)を改良し、アルゴンガスと窒素ガスを用いて、微小領域でのマイクロ波励起マイクロプラズマの生成・維持,および微小オリフィスを通しての真空中へのプラズマの超音速自由膨張を実証した。さらに、発光分光と静電プローブ計測によりプラズマ特性を把握し、昨年度完成したモデル数値解析に基づき推進特性を推算した。なお、マイクロ波は周波数が2と4GHz(<10W)、誘電体は比誘電率が6と12-25を用い、ガス流量は50-500sccm、プラズマ源圧力10kPaで実験を行った。実験の結果、(i)マイクロ波周波数と誘電体比誘電率が高いほど発光強度は強くプラズマ密度は高い、(ii)マイクロ波投入電力2-10wにおいて、オリフィス下流のプラズマ自由噴流におけるプラズマ密度は10^<11>-10^<13>cm^<-3>程度(プラズマ源では1桁程度高いと推測)、(iii)窒素添加により見積もった窒素分子の回転温度は1100-1500K程度、であることがわかった。回転温度をガス温度とみなして、モデル解析結果にもとづくと、期待できる推力は1.5mN、比推力は70s程度であり、あと少し改良の必要はあるが、本超小型プラズマスラスターが小型衛星(<10kg)の軌道・姿勢制御に適用できることが基本的に実証された。また、マイクロノズルと微小推力測定器を新たに設計し、今後の研究発展に備えた。

Report

(3 results)
  • 2004 Annual Research Report
  • 2003 Annual Research Report
  • 2002 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2005 2004 Other

All Journal Article (4 results) Publications (4 results)

  • [Journal Article] Microwave-sustained miniature plasmas for an ultra small thruster2005

    • Author(s)
      Y.Takao, K.Ono, K.Takahashi, Y.Setsuhara
    • Journal Title

      Thin Solid Films (in press)

    • NAID

      120005553870

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] Miniature electrothermal thruster using microwaxe-excited plasmas : A numerical design consideration and experiment2004

    • Author(s)
      Y.Takao, K.Ono
    • Journal Title

      Proceedings of the 24th International Symposium. on Space Technology and Science, Miyazaki, Japan, June 2004

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] Development and Modeling of a Microwave-Excited Microplasma Thruster2004

    • Author(s)
      Y.Takao, K.Ono
    • Journal Title

      Proceedings of the 40th Joint Propulsion Conference, Fort Lauderdale, Florida, July, 2004

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] Optical emission spectroscopy of a microwave-excited plasma source for very small propulsion2004

    • Author(s)
      Y.Takao, K.Ono, K.Takahashi, Y.Setsuhara
    • Journal Title

      Bulletin of the American Physical Society Vol.49,No.5

      Pages: 40-40

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Publications] H.Kousaka, K.Ono: "Fine structure of the electromagnetic fields formed by backward surface waves in an azimuthally symmetric surface wave-excited plasma source"Plasma Sources Science and Technology. Vol.12,No.2. 273-286 (2003)

    • Related Report
      2003 Annual Research Report
  • [Publications] Y.Takao, K.Ono, K.Takahashi, Y.Setsuhara: "Micro plasma thruster using azimuthally symmetric surface-wave discharges excited by microwaves : A numerical and experimental study"Proceedings of the 16th International Symposium on Plasma Chemistry, ISPC-16, Taormina, Italy, July 2003. Paper Or5.10 (2003)

    • Related Report
      2003 Annual Research Report
  • [Publications] H.Kousaka, K.Ono: "Numerical Analysis of the Electromagnetic Fields in a Microwave Plasma Source Excited by Azimuthally Symmetric Surface Waves"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.41, No.4(A). 2199-2206 (2002)

    • Related Report
      2002 Annual Research Report
  • [Publications] Y.Takao, K.Ono, K.Takahashi, Y.Setsuhara: "A Micro Plasma Thruster Using Microwave-Excited Surface Wave Discharges for Nanospacecrafts : A numerical Study and Design"Extended Abstracts of the 3rd International Workshop on Basic Aspects of Non-Equilibrium Plasmas Interacting with Surfaces, BANPIS-2003, Hyogo, Japan, February 7-8, 2003. 37 (2003)

    • Related Report
      2002 Annual Research Report

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Published: 2002-04-01   Modified: 2016-04-21  

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