3次元非構造格子電磁粒子コードによる宇宙飛翔体環境シミュレータの開発

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14740286
• Research Institution: National Institute of Polar Research
• Principal Investigator: 岡田 雅樹 国立極地研究所, 情報科学センター, 助手 (40270425)
• Keywords: プラズマ / シミュレーション / 宇宙 / 飛翔体 / 環境 / 物理学 / プラズマ理工学 / 電磁波

Research Abstract

本研究では、人工衛星近傍のプラズマ電磁環境を精密に再現することができる3次元のプラズマ電磁粒子コードの開発を行った。衛星の形状をモデルとして正確に扱うことを可能にするためには、まず電磁界を扱う空間格子として非構造4面体要素を用いて空間を離散化する。それをマックスウェル方程式に適用し電磁界の時間発展を計算する。さらに衛星近傍のプラズマの挙動を正確にモデル化するためには、プラズマを粒子として取り扱い、上記の電磁界によって与えられるローレンツ力を考慮した運動方程式を個々の粒子について解き進める。さらに、プラズマ粒子の運動によって発生する空間電荷や、電流密度をマックスウェル方程式に反映させることにより自己無撞着(self-consistent)なシミュレーションコードを完成する。
本年度は、可能な限り現実的なモデルを取り扱うことを目標とし、衛星形状のモデル構築および大規模3次元シミュレーションコードの開発、最適化を行った。3次元CADを使用し、球プローブの非構造格子モデルを作成し実験を行う一方で、地球シミュレータを使用した大規模3次元シミュレーションコードの最適化を行った。大規模3次元シミュレーションコードは、1000×1000×1000グリッドのモデルを扱うことが可能になり、静止衛星軌道上の衛星を扱う場合10km立方の空間をモデル化することが可能になった。非構造シミュレーションコードでは、球プローブモデルをおよそ1万節点の4面体要素でモデル化し、実験を行った。今後、理論計算との比較を行い、シミュレーション精度の評価を行う予定である。

Research Products

• [Publications] Okada, M.: "Study of spacecraft-plasma environment simulationusing the Earth Simulator"Proc.24 International Symposium on Space Technology and Science. (2004)
• [Publications] 臼井英之: "宇宙機環境の計算機シミュレーション"航空宇宙学会誌. (2004)
• [Publications] 岡田雅樹: "プラズマ粒子シミュレーションで使用する境界条件"天体とスペースプラズマのシミュレーションサマーセミナー講義テキスト. 213-220 (2003)