外部磁場をもつMPD(電磁プラズマ加速)推進機の放電・加速機構の研究

1993 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 04452112
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 吉川 孝雄 大阪大学, 基礎工学部, 教授 (00029498)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田原 弘一 大阪大学, 基礎工学部, 助手 (20207210) ; 椿下 庸二 大阪大学, 基礎工学部, 助教授 (00116063) ; 尾上 憲一 大阪大学, 基礎工学部, 助手 (70029429)
• Keywords: MPD推進機 / プラズマ / 電磁気力 / 外部磁場 / 分光測定

Research Abstract

本研究では、準定常MPD推進機に軸方向の外部磁場を印加し、その効果を推進性能、電極への入熱量、電極損耗の観点から研究した。作動実験の結果、推進性能を向上させる外部磁場形状は緩やかな広がりノズル形状であり、その強さは水素に対してはコイル中心で0.3T、ヒドラジン模擬混合ガスに対しては0.1Tであった。強すぎる外部磁場は性能を低下させた。性能を高める外部磁場を印加した場合、電極への入熱量は減少し、陰極損耗も3分の1に大きく減少した。これは、外部磁場の印加により放電プラズマが回転し遠心力によって半径方向外向きに広がるために、陰極先端の電流集中を緩和し、また陽極近傍の電流担体の不足を補ったものと推定される。次に、外部磁場印加時の放電・加速機構を明らかにするために、放電室内の分光測定と探針測定を行い、さらに1次元電磁流体流れ場の数値解析を行った。放電電流の分布は作動ガス種と外部磁場の強さに大きく依存することがわかった。単原子ガスでは放電電流は放電室全体に渡り流れ、分子ガスでは放電電流のほとんどが放電室出口付近で流れる。これは分子ガスには解離反応が存在するため、電離が遅れるものと推定される。数値解析の結果では、実験で見られなかった放電室入口での電流集中が見られた。印加する外部磁場が強いほど、放電領域は上流に移行した。電子温度は実験においても数値解析においても放電室の大部分でほぼ一定で、約1eVから1.6eVであった。実験により得られた電子数密度の分布は放電室の中央で極大値をとった。これは、電離度の上昇により電子数密度は増加していくが、下流領域では速度が急激に増加するためである。数値解析では、放電室の大部分で電子数密度の大きな変化はなく、またその大きさは総じて実験結果より小さかった。

Research Products

• [Publications] Hideo Matsumura: "Electromagnetic Particle-In-Cell Simulation of Plasma Thruster Exhaust Plumes" Proc.Int.Symp.Simulation and Design of Applied Electromagnetic Systems(ISEM-Sapporo). F-38. 693-696 (1993)
• [Publications] Toshiyuki Tsubaki: "Current Distributions of a Self-Field Magnetoplasmadynamic Arcjet" Proc.Int.Symp.Simulation and Design of Applied Electromagnetic Systems(ISEM-Sapporo). F-39. 697-700 (1993)
• [Publications] Yoichi Kagaya: "Continuous Operational Test and Thermal Design of Magnetoplasmadynomic Arcjet Thruster" Proc.Int.Symp.Simulation and Design of Applied Electromagnetic Systems(ISEM-Sapporo). F-40. 701-704 (1993)
• [Publications] Hirokazu Tahara: "Performance Characteristics and Discharge Features of a Quasisteady Applied-Field Magnetoplasmadynamic Arcjet" Proc.2nd German-Russian Conf.Electric Propulsion Engines and Their Technical Applications. (1993)
• [Publications] Takao Yoshikawa: "Performance Characteristics and Current Distributions of Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arcjets" Proc.2nd German-Russian Conf.Electric Propulsion Engines and Their Technical Applications. (1993)
• [Publications] Hirokazu Tahara: "Diagnostic Experiment and Numerical Analysis of One-Dimensional MPD Flowtields" AIAA・AIDAA・DGLR・JSASS 23rd Int.Electric Propulsion Conf.93-197. (1993)
• [Publications] Hirokazu Tahara: "Current Distributions in a Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arcjet" Journal of Propulsion and Power,Technical Notes. 9. 778-779 (1993)
• [Publications] Hirokazu Tahara: "Applications of Quasi-Steady Magneto-Plasma-Dynamic Arcjets to Ceramic Coatings" Jpn.J.Appl.Phys.32. 5122-5128 (1993)