2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of High-Performance, Long-Lifetime and High-Power Magneto-Plasma-Dynamic Thrusters for In-Space Exploration
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17H03484
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
田原 弘一 大阪工業大学, 工学部, 教授 (20207210)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 宇宙推進 / 電磁加速プラズマスラスタ / 定常作動 / 大電力 / 外部磁場 / 永久磁石 / 惑星探査 / 火星有人探査 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、プラズマ数値シミュレーションとスラスタ作動実験を積極的に併用し、MPDスラスタのプラズマ生成・加速機構の解明とその最適化による推進性能の向上、耐久性の改善に努めた。
１）プラズマ数値シミュレーションにより、MPDスラスタの放電室内部、およびその下流の噴出流の状態を調べた。定量的により正確に、プラズマ生成・加速状態を把握するために、計算結果と実験結果（プラズマ診断測定と推進性能測定の結果）を比較し、高い推進性能（高推力、高比推力、高推進効率）を達成できる最適作動状態を検討した。その結果、最適作動状態の設定は非常に複雑ではあったが、最良な条件を見出し、MPDスラスタ実験機の改良点を決定することができた。
２）作動実験と数値シミュレーションから提案されたMPDスラスタの最適設計を行い試作した。推進性能、プラズマ特性、流れ場の状態を再び測定し、数値シミュレーション結果と比較検討した。数値計算モデルの改良と共に、スラスタ本体、および全体システムの更なる改造を行った。
３）最良な作動条件を実現できる、完全輻射式外部磁場印加型MPDスラスタの熱設計を行い、耐久性能の高いシステム開発の目途が立った。
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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
下記の２つの項目において、当初の計画を越える、十分な成果が得られている。
1)推進性能向上（広範な比推力の達成、推力の増大、推進効率の向上）
2) 耐久性改善と完全輻射冷却方式システムの提案
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、MPDスラスタの推進性能と耐久性の向上を目指し、スラスタシステムの設計製作、作動実験を行う。最適な外部磁場の形状・強さ、スラスタシステムの構造、作動条件の提案を行う。
１）作動実験と数値シミュレーションから提案された、MPDスラスタの最適設計を行い試作する。推進性能、プラズマ特性、流れ場の状態を測定し、数値シミュレーション結果と比較検討する。数値計算モデルの改良と共に、スラスタ本体、および全体システムの改造を行う。推進性能を正確に予測できる計算コードを構築すると共に、スラスタ設計のための相似則を提案する。
２）全く水冷をしない、完全輻射冷却式MPDスラスタを設計する。外部磁場の印加は水冷コイルではなく、永久磁石で行う。電源システムも水冷せず、その作動電力域は5-30kWと設定する。これまでの実験結果と流れ場の数値計算の結果を総動員し、スラスタ体、システム全体の熱計算を行い、スラスタシステムを熱設計する。最良の熱特性が得られる構造、材質を提案する。最適熱設計による、完全輻射冷却式外部磁場印加型MPDスラスタを 製作し、作動試験を行う。得られた結果により、MPDスラスタシステムを最終提案する。
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