| Project/Area Number |
22K20421
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
0301:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, fluid engineering, thermal engineering, mechanical dynamics, robotics, aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
Tabata Kuniyoshi 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 宇宙航空プロジェクト研究員 (80963959)
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| Project Period (FY) |
2022-08-31 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 電気推進 / 高比推力 / イオンエンジン / マイクロ波放電 / DESTINY+ / はやぶさ2 / 大電力電気推進 / ダイアモンドライクカーボン / 発光分光 |
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| Outline of Research at the Start |
将来の深宇宙探査に向けて、従来よりも高い比推力の電気推進機が求められている。マイクロ波放電式イオンエンジンは、プラズマ生成用の電極が不要なため耐久性に優れているが、比推力向上に向けてより高い電圧を印加した際に放電が不安定となり、推力が低下することが課題となっていた。本研究では、プラズマ生成に直接影響を与える非平衡電子エネルギー分布に着目し、高電圧印加時においても非接触でプラズマ診断可能な発光分光を実施する。そして、本手法で得られた結果を手掛かりに、放電が不安定化しない運転パラメータ(マイクロ波周波数、放電室形状)を模索し、高比推力型イオンエンジンの安定作動を実現する。
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| Outline of Final Research Achievements |
The objective of this study was to realize a high specific-impulse microwave discharge ion engine for deep space exploration beyond Jupiter. A previous study identified the instability of ion extraction at an ion acceleration voltage of 7.5 kV. This study revealed that the surface conductivity of the waveguide through which microwaves propagate significantly contributes to the instability and achieved stable operation by fine-tuning the thruster design. Consequently, a thrust of 25 mN and a specific impulse of 6,600 s were achieved. Besides, this study demonstrated that the optimal design from a long-term perspective is crucial in enhancing the ion engine system’s durability, considering the wavelength shortening effect caused by grid-derived carbon deposition on the waveguide after long-time operation.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
本研究で実現した7 kVの高い耐電圧をもつガス絶縁器は，ホールスラスタなど他の電気推進システムにも適用可能であり，学術的価値が高い．また，長時間運転によるマイクロ波放電式イオンエンジンの比推力劣化現象の原因と対策も明らかにした．本研究により，比推力を従来の2倍以上に向上させただけでなく，その比推力を長期間維持できる解決策を提示できたことで，増速量10 km/s以上を要するミッションや，小惑星のマルチフライバイ探査など，推進剤重量の削減が鍵となる深宇宙探査ミッションに大きな貢献が期待される．
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