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超低高度衛星の長寿命化に資する空気吸い込み式イオンエンジンの実現

Research Project

Project/Area Number 23K13498
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
Research InstitutionJapan Aerospace EXploration Agency

Principal Investigator

田畑 邦佳  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)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords超低高度地球周回衛星 / 電気推進 / 空気吸い込み式 / イオンエンジン / はやぶさ2
Outline of Research at the Start

地球観測衛星の衛星データの高解像度化のため,高度300 km以下を長期間にわたり飛行できる超低高度衛星の需要が高まっている.そのような超低軌道では軌道高度を維持するために空気抵抗を補償する推進機が必要だが,低燃費な電気推進機でも,燃料搭載量の制限から長期間にわたる衛星運用は難しかった.そこで本研究では,空気を吸い込んで推進剤とすることで燃料消費をゼロに抑え,超低軌道を半永久的に維持できる革新的な推進機を提案する.小惑星を往復航行した「はやぶさ2」にも搭載されたマイクロ波放電によるプラズマ生成技術を応用し,低密度でも十分な推力を生成し,優れた耐久性を有する空気吸い込み式イオンエンジンを実現する.

Outline of Annual Research Achievements

今年度の研究により以下の成果が得られた。本研究開始前の予備実験では、大気吸込インテークを模擬した筒内に、空気を取り込む間隙のあるイオンスラスタを設置し、作動を行った。その実験では、キセノンを推進剤として利用し、10の-3乗Paの低圧力でも電流引き出しが可能であることが分かっていた。本研究では、推進剤を空気に置き換えて実験を行い、同様の低圧力において20 mA以上の電流引き出しが可能であることが明らかとなった。また、実現性解析により、地球低軌道で大気抵抗を保証する十分な推力を得るためには、従来の1.5キロボルトからさらに高い電圧でイオンを引き出す必要があることが分かった。そこで、最大7キロボルトの高電圧作動実験を見越して、推進機の絶縁設計を実施した。結果として、最大で10キロボルトの静耐圧を有することが確認できた。一方、高電圧化のための電源増強により太陽光パネルや衛星本体が大きくなるため、周辺機器を小型化して大気抵抗を下げる努力が必要となる。そこで、システムとしての実現可能性を上げるべく、周辺機器の小型化・電力消費の高効率化を目指した研究開発を開始した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

最新のインテークでの大気圧縮性能を踏まえて、イオン加速電圧を増加させることで大気抵抗を保証できる推力が達成見込みとなったことは大きな発展である。高電圧作動は未実施であるものの、十分な耐電圧を有する実験環境が構築されつつあり、早期に実施できる状態にある。また、小型の真空チャンバーも完成し、専有の装置で耐電圧試験や電子源の作動等の実験を加速度的に行っていく予定である。

Strategy for Future Research Activity

高電圧でイオンを引き出すことによりスラスタの推力を増強する。高電圧でのイオン引き出しの際、放電室内のプラズマが消滅する可能性があるため、印加電圧とプラズマ維持可能な圧力の関係を調査する。また、大気を推進剤とする場合にはプラズマに様々な粒子種が存在するため、ビーム電流から推力を見積もる際は工夫が必要である。まずは、E×Bプローブによりその割合を実験的に明らかにすることを検討している。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Performance characterization of the μ10 electron-cyclotron-resonance ion thruster using alternative propellants: krypton vs. xenon2023

    • Author(s)
      Barquero S., Tabata K., Tsukizaki R., Merino M., Navarro-Cavalle J., Nishiyama K.
    • Journal Title

      Acta Astronautica

      Volume: 211 Pages: 750-754

    • DOI

      10.1016/j.actaastro.2023.06.036

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 深宇宙探査技術実証機DESTINY+イオンエンジンの開発状況2024

    • Author(s)
      田畑邦佳,月崎竜童,今井駿,森下貴都,西山和孝
    • Organizer
      令和5年度宇宙輸送シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 低圧キセノンMOFタンクの開発2024

    • Author(s)
      月崎竜童,田畑邦佳,森下貴都
    • Organizer
      令和5年度宇宙輸送シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 大気圧縮性能と推進機性能を統合した大気吸い込み式イオンエンジンの性能調査2024

    • Author(s)
      宮優海,山下祐介,田畑邦佳,月崎竜童,西山和孝
    • Organizer
      令和5年度宇宙輸送シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] マイクロ波放電式イオンエンジンの経年劣化に関する実験的研究2024

    • Author(s)
      魚住承吾,月崎竜童,田畑邦佳,西山和孝
    • Organizer
      令和5年度宇宙輸送シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Development status of the microwave ion thruster for JAXA’s deep space mission DESTINY+2023

    • Author(s)
      K. Tabata, R. Tsukizaki, S. Imai, T. Morishita, K. Nishiyama
    • Organizer
      34th International Conference on Space Technology and Science
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Performance Characterization of the Hayabusa2 and DESTINY+ μ10 ECR Ion Thrusters Using Alternative Propellants: Krypton vs. Xenon2023

    • Author(s)
      S. Barquero, K. Tabata, R. Tsukizaki, M. Merino, J. Navarro-Cavalle, K. Nishiyama
    • Organizer
      34th International Conference on Space Technology and Science
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Performance evaluation of an air-breathing ion engine with the microwave discharge ion engine μ10 shaped ion source2023

    • Author(s)
      Y. Miya, K. Tabata, Y. Yamashita, R. Tsukizaki, K. Nishiyama
    • Organizer
      34th International Conference on Space Technology and Science
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Performance improvement of microwave discharge ion thruster by increasing the microwave frequency2023

    • Author(s)
      T. Koiso, Y. Yamashita, K. Tabata, R. Tsukizaki, K. Nishiyama
    • Organizer
      34th International Conference on Space Technology and Science
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Rendezvous Mission to outer Solar System Bodies using a 100-kg-Class Solar Power Sail2023

    • Author(s)
      Y. Takao, O. Mori, M. Matsushita, K. Nishiyama, R. Tsukizaki, K. Tabata, N. Ozaki, Y. Kubo, R. Funase
    • Organizer
      6th International Symposium on Space Sailing
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] DESTINY+イオンエンジン系の開発2023

    • Author(s)
      田畑邦佳,西山和孝,月崎竜童,今井駿,森下貴都
    • Organizer
      第67回宇宙科学技術連合講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] はやぶさ2探査機表面損耗とイオンエンジンの中和器制御2023

    • Author(s)
      月崎竜童,森下貴都,今井駿,田畑邦佳,西山和孝
    • Organizer
      第67回宇宙科学技術連合講演会
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  • [Presentation] 小型セーラー電力セイルによる外惑星領域探査2023

    • Author(s)
      森治,高尾勇輝,松下将典,杉原アフマッド清志,宮崎康行,佐藤泰貴,奥泉信克,久保勇貴, 尾崎直哉, 船瀬龍, 西山和孝,月崎竜童,田畑邦佳,森下貴都
    • Organizer
      第67回宇宙科学技術連合講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 黄道面脱出のための高比推力イオンエンジンμ10HIsp研究開発状況2023

    • Author(s)
      田畑邦佳,西山和孝,月崎竜童
    • Organizer
      SOLAR-C時代およびその先の次世代太陽圏研究の検討会
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 太陽極域観測に向けた電気推進を用いた黄道面脱出軌道2023

    • Author(s)
      高尾勇輝,尾崎直哉,西山和孝,月崎竜童,田畑邦佳,小川秀朗,鳥海森,堀田英之,八田良樹,関井隆,今井晋亮
    • Organizer
      第33回アストロダイナミクスシンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Remarks] JAXA電気推進研究室ホームページ

    • URL

      https://stage.tksc.jaxa.jp/wp-eplab/

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      2023 Research-status Report
  • [Remarks] あいさすGATE「地上と宇宙、そして深宇宙を結ぶ推進技術の研究開発」

    • URL

      https://www.isas.jaxa.jp/home/research-portal/project-research-associate/05_tabata/

    • Related Report
      2023 Research-status Report

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Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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