2018 Fiscal Year Research-status Report
Controlling Hall thruster discharge instabilities by C60 negative ions
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18K13932
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
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) |
2018-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電気推進機 / ホールスラスタ / 負イオン / 電子乱流 / 宇宙推進 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電気推進ロケットのひとつであるホールスラスタは、そのロバスト性ならびに近年の性能・耐久性向上から、衛星の主推進系を担うようになってきており、宇宙運用が本格化している。大型静止衛星の軌道変換用の大電力化や、小型衛星向けた省電力化の研究が各国で加速する中、残る課題は、高電力密度作動が実現できない、ということである。その原因は、高電力密度化すると、原理的に強磁場による電流阻害が生じ、電子乱流が激化し、結果エネルギー損失やスラスタ損耗が急増するからである。これは従来ホールスラスタの設計最適化では解決困難と考えられ、これまでと角度を変えたアプローチが必要である。本研究では、C60負イオンを磁場に影響されない電流媒体として新たに導入することで、電流を安定化させる手法を提案している。
ホールスラスタにC60負イオンを導入するために、今年度はまず昇華器の試作を行った。固体（粉末）であるC60をプラズマ化するためには、まず600℃程度に昇温して、気体に昇華させることが必要である。ホールスラスタに気体のC60を導入するための昇華供給器を試作し、高真空環境中での作動を確認した。
並行して、C60負イオンの影響を評価するための、数値解析モデル構築に取り組んだ。PIC粒子法を用いたホールスラスタの放電シミュレーションにより、経験則的なパラメタを入れることなく、電子ダイナミクスの描像が可能であることを示した。
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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
年次計画において、FY30は1. 供給機構試作・評価, 2. 既存ホールスラスタ改修・試運転, 3. プラズマ乱流解析コード改修・予備解析の3項目に取り組む予定としていた。
1について、昇華供給器を試作し、高真空環境中での作動を確認した。進捗としては問題ないと判断している。
2について、既存ホールスラスタに、試作した昇華供給器でC60を導入した際に、放電室までの配管経路にて予想以上の温度低下、C60の凝固が発生することが判明した。そのため、昇華供給器を放電室に直結させる構造に設計変更する必要があり、当初想定より大規模なスラスタ改修になった。作業を一部FY31に持ち越している状況であるが、進捗の遅れとしては問題ない範囲であると判断している。
3について、プラズマ乱流解析コードの改良およびC60用新規モジュールの構築を予定通り実施した。プラズマ乱流解析コードの改良の際に、スキームを見直すことで、従来必須であった経験則的なパラメタを排除しても、電子ダイナミクスの描像が可能であることがわかった。当初想定よりやや進展のあった項目であると判断している。
以上により、全体としては「おおむね順調に進展している」、と判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初からの予定の通り、ホールスラスタにおけるプラズマ乱流に起因する損失抑制を目的として、電流媒体としてC60負イオンを新たに導入し、その影響を実験と数値シミュレーションにて評価する。具体的な作業は、FY31の年次計画通りに進める。まず一部残作業がある、スラスタ改修を早期に完了させ、C60を導入したスラスタ作動を実現する。推力などの推進性能評価や、イオンビーム評価のための計測系はすでに整備されているため、これらを用いて、いくつかの作動条件での特性取得を行い、C60負イオンの影響を実験により評価する。並行して数値シミュレーションによる解析を進め、乱流損失低減の指針を得る。
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