宇宙における電気推進機の物理現象

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09044168
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 吉川 孝雄 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 教授 (00029498)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 都木 恭一郎 宇宙科学研究所, 助教授 (40172142) ; 小紫 公也 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (90242825) ; 西田 迪雄 九州大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10025968) ; 荒川 義博 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (50134490) ; 田原 弘一 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 助教授 (20207210)
• Keywords: 電気推進 / 電磁プラズマ推進機 / アークジェット推進機 / ホール推進機 / イオン推進機 / プラズマ診断 / 推進性能

Research Abstract

本年度の研究成果を以下にまとめる。
1) 各種の電気推進機(電磁プラズマ推進機、アークジェット推進機、ホール型推進機、イオン推進機)の推進性能を測定し、その改善方法を明らかにした。日本側では低電力(300W〜1kW)、ロシア側とアメリカ側では(1kW〜1MW)の推進機を担当した。
2) 電気推進機のプラズマ状態を調べた。静電プローブ法、磁気プローブ法、質量分析法、発光分光法、レーザー誘起蛍光法を用いて、プラズマ温度・密度、中性粒子(ラジカル)密度などを測定した。下流流れ場の診断を行った結果、真空タンクの大きさ、圧力にそれらが大きく依存することがわかった。さらに、宇宙機とプラズマ排出流との干渉現象をも明らかにした。
3) プラズマ診断の結果を基に、電気推進機内部・外部の流れ場をモデル化し解析した。連続体モデル(数値流体力学)、分子流モデル、粒子モデルを用いて解析し、実験結果と比較検討した。さらに、電気推進機内部の加速過程を推定し、最適加速条件、推進機形状を提案した。また、外部プラズマ流と宇宙機との干渉現象を解明した。日本とアメリカは数値解析を、ロシアは理論解析を主に担当した。
4) 日本側代表者がアメリカ側代表者とクリーブランド、マウイ、ボストンにおいて実験と数値計算の結果を持ち寄り、比較検討を行うと共に、共同研究の進め方について討論した。また、UCLAプラズマ実験(ロサンゼルス)の調査研究を行い、電気推進実験への応用方法を提案した。
5) ロシア側代表者を大阪大学に招へいし、実験と理論解析の結果を持ち寄り、比較検討を行うと共に、共同研究の進め方について討論した。さらに、大阪大学電気推進設備を見学していただき、実験装置システムの問題点・改良すべき点が指摘された。

Research Products

• [Publications] Kazunori Mitsuo et al.: "Flowfield in Quasi-Steady Magnetoplasmaxdynamic" Proc.2th Int.Symp.Space Technol.and Sci.98-a-2-07. 1-8 (1998)
• [Publications] 田原弘一 他: "MPD推進機の性能特性と内部物理現象" 日本航空宇宙学会誌. 46・530. 132-137 (1998)
• [Publications] 満尾和徳 他: "準定常MPDチャンネル内のプラズマ加速過程" 日本航空宇宙学会誌. 46・531. 215-223 (1998)
• [Publications] 田原弘一 他: "酸素及び窒素イオン衝突による宇宙用ポリマーフィルムの表面化学構造と分光透過率の変化" 日本航空宇宙学会誌. 46・538. 620-626 (1998)
• [Publications] Hirokazu Tahara et al.: "Emission Spectroscopic Measurement of Ammonia or Mixture of Nitrogen and Hydrogen Plasma in a DC Arcfet Generator with an Expansion nozzle" IEEE Trans.Plasma Sci.26・4. 1307-1313 (1998)
• [Publications] 田原弘一 他: "低圧環境下における超音速窒素プラズマジェットのプラズマ状態とそのチタン窒化への応用" 日本金属学会誌. 63・1. 34-40 (1999)