Digital Twin Creation of High-Density Ion Thruster with Electron Anomalous Transport Control
| Project/Area Number |
20H02346
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology (2022-2023)
The University of Tokyo (2020-2021) |
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Principal Investigator |
川嶋 嶺 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (80794429)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小泉 宏之 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (40361505)
鷹尾 祥典 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80552661)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
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| Keywords | 電気推進 / ホールスラスタ / 放電制御 / 数値流体力学 / プラズマ / ホローカソード / 水 |
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| Outline of Research at the Start |
アノードレイヤ型ホールスラスタは、日本独自で開発が続けられてきたイオン推進機であり、コンパクトな機体で高密度プラズマを生成し大推力を生むという特長がある。本研究では、様々な時間的・空間的スケールでのプラズマ流れの解析や、真空設備内ガス流れの解析を連成させた数値シミュレーションにより、ホールスラスタの地上実験を包括的に再現するデジタルツインを創成する。さらに開発されたデジタルツインを活用して、人工的乱れの付加による電子異常輸送の発生領域を制御する方法を探求する。研究終盤では、電子異常輸送の制御法を用いて、無限寿命かつ高効率なアノードレイヤ型ホールスラスタの数値設計を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
（1）勾配ドリフト不安定性と電子異常輸送に関するプラズマシミュレーション
磁化プラズマ中の電子異常輸送現象を解析するため、ホールスラスタの軸方向ー周方向を対象とした二次元コードを開発し、様々な推進機を対象に解析を進めた。ホールスラスタにはマグネティックレイヤ型とアノードレイヤ型と呼ばれる異なる方式の推進機が存在するが、特にアノードレイヤ型における電子異常輸送の特性は理解されていなかった。今年度これら二つの方式の実在する推進機を対象にシミュレーションを行ったところ、どちらの方式においても放電チャネルの出口付近からプルーム（下流）領域において勾配ドリフト不安定性と呼ばれるプラズマ振動現象が誘起され、電子異常輸送が生じることが分かった。開発中のシミュレーションコードが幅広い電気推進機のプラズマに対し、電子異常輸送現象の解析が可能であることが示唆された。
（2）中和器電子源の放電モデル精緻化
本研究課題で開発を目指すイオン推進機デジタルツインの一つのコンポーネントとして、中和器電子源のシミュレーションコードを開発している。今年度は放電プラズマと熱電子放出部材に関するモデル精緻化を進めた。六ホウ化ランタンを用いた熱電子放出部材の蒸発量、プラズマから電子源各部へ流入する熱流束、電子源各部のスパッタリング量などが解析可能となった。
（3）水推進剤を用いたホールスラスタのビーム計測とシミュレーション
水推進剤を用いたホールスラスタの開発が進められているが、この推進機に対するイオンビーム計測装置の開発を行った。またプラズマシミュレーションコードを水推進剤に対応可能にするため、水に対する化学反応モデルを実装した。水を推進剤に用いたホールスラスタのシミュレーションを行い、放電プラズマが維持される推進機作動条件が存在することを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
イオン推進機の放電プラズマに関する数値解析では、さらなる発展が見込まれる研究成果が出ている。ホールスラスタのシミュレーションでは、電離振動や回転スポークと呼ばれる数十kHzオーダーの振動現象と、勾配ドリフト不安定性という数百kHzから数MHzオーダーの振動現象が共存する様子が観測されており、新たな知見が得られることが期待される。異なる時間的・空間的スケールの現象が混在するマルチフィジックスを解析することが本研究で開発する連成シミュレーションの目標とするところであったため、プラズマ解析に関して計画通りの進展が得られている。
イオン推進機と連成させる予定である、中和器電子源および真空槽内部希薄流れのシミュレーションも計画通り開発を進めることができた。中和器電子源の進展に関しては研究実績において述べた通りである。真空槽内部希薄ガスのシミュレーションについては、真空槽壁面や、イオンビームターゲット板の表面反射に関するモデル精緻化を進め、推進機から排出されるイオンを効果的にポンプへと誘導する真空槽の設計が可能になるなど、実用的なものへと発展させることができている。
実験においては、イオン推進機のプラズマ特性を取得するためのプローブ装置の開発を行い、また推進機性能を取得するための推力スタンドに関する改良を行った。とりわけ推力スタンドの改善においては、熱ドリフトと呼ばれる推力計測における誤差要因を大幅に低減することに成功した。通常イオン推進機の推力計測では、推進機からの熱輻射に起因する計測誤差が生じるが、推力スタンドに対して熱輸送板を新たに設計し取り付けることによって、この誤差を10分の1程度に抑えることができた。
以上から、数値シミュレーション、実験とも計画通りの進展を見せている。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は無損耗・長寿命を達成する推進機の数値設計へ向けたプラズマシミュレーションを行い、推進機を設計することを目標とする。3次元有限要素法シミュレータを用いて、ホールスラスタの磁気回路と磁場形状に関するシミュレーションを行う。設計した磁場に対し、イオン生成領域の正確な予測を行うため、電子異常輸送の解析を含めた放電プラズマシミュレーションを行う。シミュレーションから推進機各部材への入熱量などを予測し、推進機の設計へと反映させる。無損耗推進機へ向けた施策として、人工的な擾乱の付加と固体推進剤壁面の利用に関する検討を行う。
中和器電子源の解析を今年度も引き続き行う。長寿命推進機の達成に当たっては中和器電子源の長寿命化も重要となる。現在解析を進めている六ホウ化ランタン（LaB6）を使用した中和器の寿命要因として懸念されているのが、LaB6の蒸発による熱電子放出量減少、およびLaB6表面の汚染による劣化である。とりわけ後者については実験においては観測されているものの、詳細な物理メカニズムが明らかとなっていないため、数値シミュレーションを用いて検討を行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(16 results)
