2017 Fiscal Year Research-status Report
超音速ガスパフによる完全無電極ヘリコンプラズマスラスターの高性能化
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16K17843
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
桑原 大介 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60645688)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 電気推進機 / ヘリコンプラズマ / 中性粒子供給 / 推力向上 / 超音速ガスパフ / ラバールノズル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
放電管外周に巻いた非接触電極（アンテナ）から供給される高周波電力によって外部磁場下で生成されるヘリコンプラズマを利用したヘリコンプラズマスラスタは電極損耗の無い長寿命推進機として実用化に向けた研究が国内外で積極的に行われている。本研究ではヘリコンプラズマスラスタの更なる性能改善のため新たな燃料供給法を提案し、この実証のための研究を行っている。
ヘリコンプラズマはその高い電離度から中心軸付近で中性粒子が枯渇し、電子密度の上昇が制限される問題が報告されている。これに加え、将来のMW級電気推進機では放電管壁のプラズマによる損傷や、未だホールスラスタやイオンエンジン等と比べて推力、比推力、推力電力比において性能が劣る問題がある。本研究では中心軸に積極的に中性粒子を供給する燃料供給法を開発し、電子密度の向上や放電管壁への熱負荷軽減を通してヘリコンプラズマスラスタの性能向上を狙うものである。
H29年度は主にH28年度の研究で見出された枝管供給について研究を進めた。これまでは発散磁場中にアンテナを設置し、枝管のガス供給口はアンテナ下流の放電管軸中心に設置して放電を行っていたが、供給口の径方向・軸方向設置位置を変更して実験を行った。この他、発散磁場下に設置したアンテナと電子密度分布について、アンテナと接する磁力線領域において高い電子密度領域が形成されることが確かめられた。これらの現象について、今後は中性粒子とイオンの径・軸方向流速を計測できるレーザー誘起蛍光法により粒子挙動計測により特性の把握を行う計画である。
一方、超音速ガスパフついては、単純円錐ノズルから本来のラバールノズルの曲面をより忠実に再現したノズルを作成するべく高分解能3次元プリンタによる樹脂ノズル製作を行い、より高い収束性を持ったガスビームの生成を目指している。
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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
発散磁場形状を持った高周波プラズマをプラズマ源とした電気推進機において、ガス供給法を従来の放電管上流部からの単純ノズルによる噴射から、プラズマ放電部に直接挿入した石英細管(枝管)から中心部に直接ガス供給することで推力が増加することがこれまでの研究で見出されている。これまでは発散磁場下にアンテナを設置し、枝管のガス供給口はアンテナ下流の放電管軸中心に設置して放電を行っていたが、供給口の径・軸方向位置を変更して実験を行った。その結果、径方向の推力依存性は殆ど見られず、軸方向についてはアンテナ直下、下流において推力が向上し、上流に設置した場合は従来の放電とほぼ変わらない結果が得られた。一方、放電を行わない状態において枝管ガス供給を行った際の中性粒子圧力分布を小型ピラニゲージによって計測すると、枝管ガス供給口の直前に高い圧力が集中しており、径方向供給位置の変化によりプラズマ生成は大幅に変化することが示唆される。この矛盾については今後調査が必要である。
この他、発散磁場下に設置したアンテナと電子密度分布について、アンテナと接する磁力線領域において高い電子密度領域が形成されることが確かめられた。磁力線がアンテナと接する磁場配位では必然的に放電管壁と磁力線も接することになるため、プラズマ損失も増加すると考えられる。
超音速ガスパフによる収束ガスビームの生成については、単純円錐ノズルから本来のラバールノズルの曲面をより忠実に再現したノズルを作成するべく高分解能3次元プリンタによる樹脂ノズル製作を試みた。
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| Strategy for Future Research Activity |
枝管供給において径方向ガス供給位置の推力への感受性が無かった結果について検討を行う必要がある。また、発散磁場下に設置したアンテナが形成する、アンテナと接触した磁力線部の高電子密度化とこの部分への積極的なガス供給によって推力が変化することが考えられるため、この評価も検討している。現在のところプラズマ実験の評価にはスラストスタンドによる推力計測とラングミュアプローブによる電子密度計測の2つを用いているが、推力はイオンと中性粒子流により発生するためこれらの評価が必要である。また、イオン・中性粒子の流速ベクトルの空間分布が把握できれば供給されたガスがどう流れるかの可視化が可能となるため、推力発生機構の把握が用意になると考えられる。このため、レーザー誘起蛍光法によるイオン・中性粒子流速ベクトル分布計測を立ち上げ、放電実験を行う予定である。
一方のガスパフ実験については、ガスビームの収束性能の向上と供給量の低減を同時に成立させる必要がある。しかしながら、供給ガス圧を高め、スロート径を大きくすればガスの収束性能は高まる傾向にあるが、ガス供給量が一般的な放電パラメータの10倍程度になってしまう問題がある。この解決のためラバールノズルの改造を試みている。本来のラバールノズルは曲面形状を有するが、これまでに使用したノズルは製作が容易なステンレス製の単純円錐ノズルであった。高分解能3次元プリンタを用いて曲面形状を有するラバールノズルの製作を完了しており、小型ピラニゲージによるガスビーム評価を行う予定である。
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Research Products
(6 results)
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[Presentation] Experimental Study of Helicon Plasma Thruster using Advanced Acceleration Method2017
Author(s)
D. Kuwahara, S. Nishimura, T. Furukawa, T. Yamase, D. Arai, K. Amma, Y. Ishigami, H. Horita, S. Shinohara, S. Shinohara, and J. Miyazawa
Organizer
International Electric Propulsion Conference 2017
Int'l Joint Research
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