2017 Fiscal Year Research-status Report
マイクロ波放電型イオンエンジンの磁場制御による性能変化の解明
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16K06896
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| Research Institution | Nishinippon Institute of Technology |
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Principal Investigator |
鷹尾 良行 西日本工業大学, 工学部, 教授 (60206711)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 推進・エンジン / 航空宇宙工学 / 宇宙電気推進 / イオンエンジン / マイクロ波放電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロ波放電型イオンエンジンは、イオン引出し用静電グリッド、プラズマ生成部となる円筒または円錐型の放電室、推進剤導入器、放電室内でのプラズマ生成維持のための背景磁場生成用永久磁石、放電室内へのマイクロ波導入アンテナより構成される。永久磁石は放電室の外周部に設置されており、生成磁界と導入したマイクロ波によるECR（電子サイクロトロン共鳴）で、マイクロ波周波数で決定される磁界のECR領域でサイクロトロン運動をする電子をマイクロ波の電界で加速し、推進剤を電離することによりプラズマを生成する。静電グリッドでプラズマからイオンを引き出し放出し推力を発生する。従って、このイオンエンジンの性能は、放電室内部のプラズマ形状に大きく影響され、プラズマ形状は放電室内外の永久磁石による背景磁場の配位で決定される。
本研究室では、可動磁石を放電室に設けることで背景磁場を動的に変化させ、イオンエンジンのプラズマ点火性能と引出しイオン性能を向上させる研究を進めてきた。研究上の問題となったのが、軸方向の１次元可動磁石ではプラズマの点火性能は向上出来たが、引き出しイオン電流を増加させる為のプラズマ形状を完全には実現出来ないことであった。そこで、背景磁場を２次元可動型磁石で変化させ、最適なプラズマ形状を形成し、かつ、プラズマの点火性能を維持しながらイオン引出し性能を改善した高性能のイオンエンジンを開発することを目標に研究を進めている。
本年度は、前年度に設計した5cm級の軸方向と半径方向に可動磁石を有する2次元可変磁場型のイオンエンジンの製作を行った。放電室外周部の背景磁場生成用磁石に加えて、円筒型放電室の軸方向と半径方向に独立に移動できる磁石を放電室内部に配置したイオンエンジンの試作を行った。また、推進剤利用効率の向上を考慮して六角錐型放電室の外壁を移動する可変磁石を有するイオンエンジンの試作を行なった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は、直交移動磁石による可変磁場型マイクロ波放電型イオンエンジンの製作を行った。イオンエンジンの放電室外周部の背景磁場生成用磁石に加えて、円筒型放電室の軸方向と半径方向に移動できる6個の永久磁石を放電室内部に配置したイオンエンジンの試作を行い、ほぼ完成に至った。磁石移動のアクチュエータの制御プログラムおよびデータ収集システムの設計製作を現在進めており、イオン引出し実験にまだ至っておらず、やや遅れ気味である。早急に完成し、実験結果を蓄積する予定である。
上記イオンエンジンの放電室は円筒形であるが、推進剤の放電室内での数密度は、容積が小さくなる円錐型の放電室が有利である。一方、磁場変化については、軸方向と半径方向の磁石移動が独立で無くなる欠点があるが、磁石移動が、斜面方向の一軸であり構造が簡単になる利点がある。この前年度に考案した直交移動磁石による磁場可変型イオンエンジンを設計し、試作を行なった。
今後、円筒型放電室のイオンエンジンの実験、改良を重点的に進め、六角錐型放電室のイオンエンジンについても設計データを蓄積する予定である。なお、これら2タイプの可変磁場型マイクロ波放電型イオンエンジンの構造について、一部学会で報告した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度に試作を行なった2種の可動磁石を用いて背景磁場を変化させることが出来るマイクロ波放電型イオンエンジンの研究を、以下の方策にて推進する。研究遂行は、主に研究代表者および学部学生4名にて実施する。
（1）可動磁石を有するイオンエンジンの製作完了： 平成29年度に詳細構造を確定し試作出来たので、実験装置として完成させる。その際、本学で精度が出ない場合は、外部に部品の製作を依頼する。また、可動磁石の駆動回路およびプログラミングを完了する。
（2）イオンエンジンのイオンビーム引出しによる性能試験：作製した可動磁石を有するマイクロ波放電型イオンエンジンを真空容器内に設置し、性能試験を実施する。データはパーソナルコンピュータに取り込み評価を行う。
（3）可変磁場型マイクロ波放電型イオンエンジンの改良：動作実験結果を評価し、性能を更に向上するための検討を行い、必要な改良を行う。
（4）成果をまとめ国内外の学会で発表する。
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| Causes of Carryover |
イオン引出し実験の遅れによるものである。2種類の可変磁場型マイクロ波放電型イオンエンジンの試作を行い、一部の駆動試験を実施した。最終的な2次元可動磁石の移動機構の制御プログラムが出来ておらず現在進行中である。装置完成後、直ちにイオン引きだし実験を実施するのでそのための消耗品が必要となる。また、実験装置の改良を繰返し、完成度を高めたい。早急にイオン引出し実験を実施し、実験結果を蓄積する。
イオンエンジンの改良は、西日本工業大学の技術センターおよび外部委託による部品製作で行う。種々の金属材料を使用し、加工のための工具が必要となる他、外部委託による製作費が生じる見込みである。また、アクチュエータの真空性能を今後の評価の結果に基づき交換を予定している。これらイオンエンジンの作製、改良は本研究の基本であり物品費の大部分を使用する。実験消耗品を含めての不足分は校費を使用する。
旅費として、平成30年度の調査・研究旅費を計上する。成果発表旅費として、沖縄（7万円）を予定している。
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