2017 Fiscal Year Annual Research Report
超小型衛星の多目的実用化時代に向けたオールラウンド超小型宇宙推進系の実現
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16H06370
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小泉 宏之 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (40361505)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
船瀬 龍 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70509819)
鷹尾 祥典 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80552661)
中野 正勝 東京都立産業技術高等専門学校, ものづくり工学科, 准教授 (90315169)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 超小型衛星 / 電気推進 / プラズマ / 深宇宙探査 / 水 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，推進剤として水を活用し3種類の高効率／大推力／多軸制御可能なスラスタを統合させたオールラウンド超小型推進系を実現させることである．この目的に向けて平成29年度の下記３つの柱の研究を進めた．
１．水イオンスラスタ．本年度は下記４項目の実験および数値計算研究を実施した：1A：実験におけるイオン生成コストの低減，2B：電子電流増加のための基礎実験および作動モード確認，1C：3D-Full-PICプラズマ解析コードの発展（昨年度の多種イオンの強化および負イオン導入準備）および同コードを用いた推進剤流入位置検討，1D：全孔ビーム計算の確立．特に，1Aにおいてはイオン生成コストの143 W/Aまでの低減に成功し，１Dにおいては世界的にもイオンスラスタとして初となる全孔計算の成功とその必要性を示すことに成功した．
２．水レジストジェットスラスタ．同スラスタの微小・希薄ノズルにおける低Re数の効果として，先行研究科から指摘されている境界層（粘性）の他に，背圧依存性が大きいことを見出した．また，水質量のリアルタイム測定方法を確立し精度の高い比推力評価方法を確立した．実応用面では気化室を統合したBBMおよびEMによりスラスタ作動の実証に成功した．
３．排熱利用衛星設計．最終目的は，衛星システムの排熱を本スラスタへ利用するための最適な気化室設計とコンポーネント配置設計を行い，実機モデルを用いて実証することである．このために本年度は，昨年度に実施した6U CubeSatの水レジストジェットスラスタの熱設計結果を最適化するとともに，そこで得られた知見を，CubeSatの機器配置設計と熱設計の同時最適化手法としてまとめた．これにより，他機器の排熱を最大限活用した，衛星全体の電力使用量の最適化（最小化）が可能となった．
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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
本研究成果の１つである水レジストジェットスラスタならびに水イオンスラスタの技術をベースとして，大学発新産業創出プログラム「超小型衛星用の水を推進剤とした統合推進システム」が採択された．本プログラムは，事業化ノウハウを持った事業プロモーター（ここではUTEC）と共に事業化を目指すものであり，本研究課題ではカバーできていないサブコンポーネントの改良・開発と，事業化に向けた戦略を立案・遂行する．すなわち，研究課題の成果を応用するための最善の土台ができたと言える．
水イオンスラスタに関しては，昨年につづき概ね計画通りの進捗状況と言える．プラズマ現の最適化および数値解析コードの構築は，当初の計画範囲内である．一方，イオンビームの全孔計算の成功は，当初予期していなかった成果と言える．電子源の増強に関しては，予想通り難易度の高い研究であるが，実際に様々なモードと電流増加が確認され今後の期待値は高い．
水レジストジェットスラスタに関しては，昨年度に飛翔機会を得たために実応用重視の研究となっている点は，当初研究計画と異なりはするが，これは望ましい方向である．特に，特徴とする排熱利用に関しては，様々なモデル化によるシステム解析研究よりも，実プロジェクトの中で発生するリアルな問題を解決する点に意義がある．また，低Reノズルにおける新たな学術的知見を得た点も当初予期していなかった成果と言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
水イオンスラスタに関しては，これまでの実験系構築および試験・計算結果を元に，イオン源の作動パラメータの決定を行う．これと並行して，長時間作動に向けた試験系の構築を進め，次年度以降の長時間作動試験の開始に備える．数値計算に関しては，負イオンの導入と実験的検証を行い，イオンビーム計算とのカップリングを通じて最適化を測る．また，電子減の改良においては，飛躍的な電流量増加を狙った研究を継続し，成功すれば次世代イオンスラスタの研究を本格化させる．
水レジストジェットスラスタおよび排熱再利用に関しては，実機搭載という最高の実証チャンスを引き続き有効利用して研究を進める．プロジェクトにおいて発生する，当初計画にはなかった多くの問題を解決していくことで，他のスラスタに先駆けて完成度を高めていく予定である．
イオンスラスタ・レジストジェットスラスタの双方も，本研究の成果として性能改善が達成された場合，逐次，本年度より始まった大学発新産業創出プログラムへの適用を目指し，実応用を意識していく．
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