2018 Fiscal Year Research-status Report
静電/電磁混合イオン加速による電気推進機の大推力化
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18K13925
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
市原 大輔 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80815803)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電気宇宙推進機 / 静電/電磁混合イオン加速 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
化学推進機と比較して高い排気速度を達成可能な電気推進機は，発生する推力が小さいために，軌道遷移に要する時間が長期化することが課題である．本研究では軌道遷移時間短縮に向け，静電/電磁混合イオン加速による電気宇宙推進機の大推力化を目指す．本年度は推進機作動条件とイオン加速機構との関係解明を目的とした．永久磁石のみを使用し発散磁場を印加できる推進機を新たに製作し①推進剤種が推力性能に及ぼす影響の解明と②イオンの生成・加速機構の解明に取組んだ．
①について，推進剤種をアルゴン/クリプトン/キセノンの3通り供給し，各作動条件下における推力測定値から推力効率(電気エネルギーから運動エネルギーへの変換効率)を算出した．その結果，推進剤種に依らず同程度の推力効率を達成し，推力性能と投入エネルギーとの関係は無次元化比パワーで整理できることを明らかとした．アルゴン推進剤を用いることで，従来のキセノン推進剤と同程度の推力効率を維持しつつ，3000秒を上回る高排気速度を達成した．安価なアルゴン推進剤の活用により電気宇宙推進機の運用コストの大幅な低下が期待できる．
②について，イオンの周方向と軸方向とに関して各方向のエネルギー分布関数を同時に測定可能な2Dエネルギーアナライザーを独自に作成した．エネルギー分布関数を算出すべく運動エネルギーに応じて捕集可能なイオンを選別する．選別機構を集積することでアナライザーを小型化し，さらに捕集面を2か所設け各方向からのイオン電流値を独立に測定する．これにより放電室内部から推進機下流域に渡ってイオンの周方向運動エネルギーが軸方向運動エネルギーに変換される過程を明らかとする．予備実験を済ませ，現在選別機構を再設計中である．
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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
2018年度は推進剤種が推進機の推力性能に与える影響に注目した．これは当初目的とした「静電/電磁混合イオン加速の実現に必要な作動条件を特定すること」の一環であり，アルゴン推進剤においても従来のキセノン推進剤と同等の推力性能を発揮できることを実験により示すことができた．推進剤加速過程の解明にはイオンの周方向・軸方向に関するエネルギー分布関数と同方向への流束とをそれぞれ取得する必要がある．前者に関しては2018年度中に予備実験を実施することができ測定手法の適用可能範囲が判明した．後者についても多面体型イオン流束プローブを試作し，初期データの取得に成功している．2019年度実施予定の「強磁場下での静電/電磁混合イオン加速による大推力作動の実証」に関しても大型永久磁石を用いて推進機を試作済みである．このような現状に基づき進捗状況を「おおむね順調」と判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは2Dエネルギーアナライザー及び多面体型イオン流束プローブに関して初期データの取得と誤差評価とを実施する．その後は当初計画通り周方向・軸方向それぞれのエネルギー分布関数とイオン流束とを測定し静電/電磁混合イオン加速領域の特定と推進機作動条件との関係を明らかとする．次いで2018年度に試作した磁場強化型推進機に本実験結果を適用し，静電/電磁混合イオン加速による電気宇宙推進機の大推力化を実証する予定である．
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