2018 Fiscal Year Annual Research Report
Optimum Design and Control of Hollow Cathode for High Power Electric Propulsion
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17H01353
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
船木 一幸 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (50311171)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
窪田 健一 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 研究開発員 (10723364)
渡邊 裕樹 首都大学東京, システムデザイン研究科, 助教 (30648390)
張 科寅 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究開発員 (40710596)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 航空宇宙工学 / プラズマ・核融合 / 衛星推進 / ホールスラスタ / ホローカソード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電気推進ロケットエンジンは、その燃費(比推力)や効率の良さから小型のものは既に実用化し、深宇宙探査機の推進系や静止衛星の南北軌道制御に使われてきたが、大型衛星の主推進を担うための更なる大出力化が期待されている。
ホールスラスタ等の大出力電気推進の最大の課題は、大電流動作が求められる中和器（電子放出装置）の損耗であり、出力増に従って急激に増加する中和器損耗が大出力電気推進の実現を阻んでいた。本研究では、大型人工衛星の主推進として期待される500mN クラスホールスラスタ用のための中和器を新規に開発し、放電電流30Aまでの高電流領域における安定動作を実現した。
2018年度は特に中和器の長時間動作を実施し、その際に発生する中和器各部の損耗と電流電圧等の放電特性との相関を得ると共に、全ての電流レンジで低損耗率となる中和器形状の適正化を行った。その一方、放電電流5A以下の低電流域では、中和器の動作が不安定化し、損耗率も大きくなる傾向になる。安定性不安定性の境界は、安定（スポット）モードと不安定（プルーム）モードとをそれぞれ電流電圧等の変動特性から判断しているが、これら評価に加えて中和器から放出されるプラズマ構造を探針法による直接診断により明らかにし、ポテンシャル勾配を低減することで振動現象を緩和して中和器損耗を低減できることがわかった。更に、レーザーによる非接触プラズマ診断について、レーザー誘起蛍光法によるプラズマからの発光分析に成功するなど初期診断を実施した。
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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
大型人工衛星の主推進として期待される500mNクラスホールスラスタ用のための中和器の低損耗・長寿命化に目処をつけると共に、動作特性の適正化やプラズマ診断の結果と合わせて解明するなど、順調に成果が得られているため。
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| Strategy for Future Research Activity |
大電流中和器(ホローカソード)における乱流現象ならびに損耗メカニズムの解明と、低損耗大電流作動中和器の実験実証の、二つの研究成果 をまとめ、高出力ホールスラスタによる宇宙輸送と宇宙探査のためのシステム設計とミッション提案までを実施する。ホローカソード中の高エ ネルギイオン分布の特性との相関(スケーリング)は、ホールスラスタへの適用条件へと拡張し、同スラスタにおける中和器プラズマの不安定性抑制と、低損耗化技術の確立を目指す。
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