2018 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 – 2020-03-31
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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、円筒形の放電室とその外周に設置された円柱型永久磁石、放電室開放部（下流）に設置した2枚の静電グリッドおよび放電室内にマイクロ波を導入するアンテナで構成されている。放電室内部には外周部の永久磁石により磁場が生成されており、マイクロ波の交流電界と外部磁場による電子サイクロトロン共鳴（ECR）により放電室内の電子は加熱(加速)され、推進剤がプラズマ化される。このプラズマ内の正イオンを前面の2枚の静電グリッドを用いて引き出し、噴出することにより推力を生成する。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、固定磁石に囲まれた放電室の内部に可動磁石を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いる。先の研究では、軸方向に移動可能な可動磁石を有するマイクロ波放電型イオンエンジンを開発したが、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結果となった。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完了し、プラズマ生成およびイオン引出しに成功した。イオン引出し電流が、半径方向の磁石移動により増加する傾向が見られた。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を製作しプラズマ生成に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
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完了した。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構造である。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も完遂し、イオン引出し実験を実施した。プラズマ点火に成功し、引出しイオンの電流値が磁石の半径移動とともに増加する傾向が観察された。更に実験データを蓄積し、放電室内の磁場形状による性能の評価を進める。
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。このタイプの磁場可変型イオンエンジンでは、試作を完了しプラズマ生成に至った。性能向上のためには上記の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データ収集が重要である。
今後、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実験、データ収集を進めて行く予定である。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および実験データについて、一部学会で報告した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度は、平成30年度に製作を完了した直行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）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、性能データを一部収集した。更にデータを蓄積し、評価を行う。
（2）可動磁石を有するイオンエンジンの改良：性能データを基に機器の改造を行なう。磁場の向きによる性能変化については、実験データとして収集する予定である。
（3）成果をまとめ国内外の学会で発表する。
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| Causes of Carryover |
実験装置の移動のために、研究全体の進捗が遅れたためである。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完了し、2次元可動磁石の移動機構の制御プログラムを完成した。現在、イオン引出し実験を実施している。
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イオン引出し実験を中心に研究を進める。実験遂行における、真空容器洗浄、真空排気装置のメンテナンス、推進剤、電気電子回路の維持、その他研究消耗品に研究費を使用する。また、実験の進捗に伴い、イオンエンジンの改良を行なう。改良は主に西日本工業大学の技術センターで行う。作製にはMo, Al, Feなどの種々の金属材料と工具が必要となる。
旅費として、成果発表旅費を計上する。ISTS（福井）, IEPC（オーストリア）での成果発表を予定している。
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