| Project/Area Number |
23KJ0811
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
峯松 涼 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-04-25 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
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| Keywords | プラズマ計測 / 水プラズマ / イオンエンジン / プラズマ振動 / 小型宇宙機 |
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| Outline of Research at the Start |
水を推進剤とする2cm口径イオンエンジンの，推力および寿命に影響するイオン源内部のイオン分布を明らかにする．イオン分布解明のため，推進機内部についてイオンの粒子計算を行う．また，推進機内部について電子エネルギー分布関数(EEDF: Electron Energy Distribution Function)の測定を行い，イオンの粒子計算において電子はEEDF測定結果を使用する．これにより，数値計算の計算コストを抑えることが可能となる．構築したEEDF測定と粒子計算のハイブリッド解析手法を用いてイオン分布を解明することで，高推力化および長寿命化を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，推進剤の水をプラズマにし高電圧を印加したグリッドによってイオンを高速排気することで推力を生む，水イオンエンジンを研究対象としている．プラズマはマイクロ波と磁場を用いて着火する仕組みである．水イオンエンジンを小型宇宙機に搭載するために，推力向上及び寿命増加に影響する推進機内部のイオン分布を明らかにする必要がある．イオン分布の解明に向け，令和5年度は，1) 推進機内部のプラズマ状態の計測，2) 推進機内部のプラズマ振動を計測する実験系構築および実際に計測，という2点の進捗を得た．
1) 推進機内部のプラズマをラングミュアプローブを用いて計測した．プローブは推進機の下流からグリッドの孔を通して内部へと挿入した．計測した電流電圧特性を用いて，電子エネルギー分布関数を計算した．計測した結果，電子エネルギー分布関数はMaxwell分布に近いことが分かった．これまで推進機内部のプラズマについてMaxwell分布を仮定したグローバルモデルを用いて，シミュレーションが良く行われていたが，この結果から仮定の妥当性が確かめられた．以上の結果について，国際学会1件で発表した．
2) 数値計算の先行研究では周方向のプラズマ振動が確認されていたが，実際に存在するか，また数値計算では探索できないより広い作動条件で振動を確認するための計測系を構築した．エンジンの正面に分割したコレクタを設置し，それぞれの面での電流を計測することで振動の存在を確認した．振動は周方向に伝搬していることが結果から示唆されている．この振動を誘起することで推進機の性能をさらに向上することができる見込みである．
これら2つの研究成果から，マイクロ波放電式イオンエンジン内部のプラズマ状態の特徴が，実験的に解明された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和5年度は研究計画の通り，ラングミュアプローブを用いた計測手法を確立し，実際に電子エネルギー分布関数の計測を行った．計測した結果，先行研究のキセノンでの計測結果と異なり，水を推進剤に用いた場合電子エネルギー分布関数がMaxwell分布に近いことが分かった．研究の成果は国際学会34th International Symposium on Space Technology and Scienceで発表した．
また，当初の計画に加えて，推進機内部のプラズマ振動を計測する実験系構築および実際に計測を行った．実験は推進機の前方に分割したコレクタを設置し，各面の電流を計測することで行われた．計測の結果，水イオンエンジンのプラズマ振動を初めて実験によって計測することに成功した．観測された振動を誘起することで，推進機の性能を向上させることができる見込みである．以上の成果について，国際学会1件（採択済み）での発表を予定している．
このように，当初の計画に加えてプラズマ状態の新たな計測に成功したことが，達成度の理由である．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和6年度は，研究計画通り(1)ハイブリッド解析手法で使用するイオンの粒子計算手法を確立する，とともに(2)プラズマ振動と推進機性能の対応について明らかにする，ことを主な研究課題とする．
(1) 小型イオンエンジン内部におけるイオンの粒子計算手法を確立する．昨年度実施したラングミュアプローブでのプラズマ計測結果と粒子計算のハイブリッド解析手法を用いて，アンテナへの電圧印加による推力向上要因の解明を行う．ハイブリッド解析手法の妥当性確認は，Retarding potential analyzerによる計測結果と計算結果を比較することにより実施する．
(2) 昨年度計測に成功したプラズマ振動について，より多くの実験条件で計測を行う．計測した振動結果と推進機性能を比較し，振動が性能に及ぼす影響について考察する．
以上2つの研究方針から，水イオンエンジンの性能向上に向けた指針を獲得する．研究成果について，国際学会1件（採択済み）での口頭発表，国内学会1件での口頭発表，および論文誌への投稿を予定している．
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