Suppression of anomalous transport in Hall thrusters

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18KK0406
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 山本 直嗣 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (40380711)
• Project Period (FY): 2019 – 2021
• Keywords: 電気推進 / 原動機・推進 / プラズマ / 揺動 / 異常輸送 / プラズマ計測 / ホールスラスタ

Outline of Annual Research Achievements

宇宙の推進装置にも電気エネルギーを推進力に変換する電気推進を採用する流れが加速している。電気推進の中でも推力電力比（単位電力あたりに発生する推進力）が大きいホールスラスタが有力候補であり、JAXAの次期技術試験衛星への搭載が見込まれている。このホールスラスタ開発の鍵となるのが、推力電力比向上を阻害する電子の異常輸送（電子が理論値よりも拡散しやすい）の抑制である。異常輸送の要因として、プラズマの揺動（揺らぎ）が示唆されており、異常輸送の抑制には揺動の抑制が必須となる。揺動の抑制には、境界条件であるホールスラスタ外部のプラズマ状態の計測が必要であるが、現有の計測技術の改善だけでは不可能である。そこで国際共同研究において、独自技術を持ち寄って計測技術の高度化に取り組みつつ、計測データを元に物理モデルを構築し、モデルを基に革新的なホールスラスタを開発し、宇宙利用の低コスト化に貢献する。
渡航前の国内において、均一な磁場を印加した時だけではなく、敢えて不均一な磁場を印加することにより揺動を誘起した条件において、ホールスラスタ内部のプラズマ揺動を計測した。さらに、揺動と同期してプラズマ状態の計測が可能なシステムを検討し、予備実験を行った。
渡航後は、渡航先のフランス原子力・ 代替エネルギー庁(CEA)において、共同研究者と揺動の解析手法の検討、および解析したデータの分析、さらに理論モデルの構築に向けた方向性を検討した。結果として、観測された揺動間には相互作用があることを示唆する解析結果が得られた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

渡航前の国内における揺動データ取得は当初計画以上のデータが取得できたなど、当初の計画以上に進展している。また計測手法の検討および新規に導入した計測装置を用いた予備試験においても満足できる結果が得られるなど、順調に進展している。
渡航後の研究の進捗状況ではあるが、当初の計画通り、データの解析が進んでいる。コロナウイルスによる外出制限のために、テレワークでの作業を強いられているが、理論モデル構築に向けた議論は、WEB会議システムを利用して行っており、当初の計画通り、研究は進展している。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の推進方策として、渡航前に得られた膨大なデータが未解析のまま残っているため、その解析を進めつつ、解析結果の検討を行いながら、揺動がどのように異常輸送に結びついているのかを記述する理論モデルを構築しながら、異常輸送のメカニズム解明を目指す。
さらに、二か所目の渡航先である、コロラド州立大学において、九州大学とコロラド州立大学（CSU）のそれぞれのもつ独自の計測技術を持ち寄って、計測技術の高度化に取り組み、現有の計測技術の改善だけでは不可能であった希薄なホールスラスタ外部の密度計測に取り組む。具体的には、CSUが持つ希薄粒子計測システムと九州大学で開発した時間分解計測を組合せ、非常に希薄なホールスラスタ外部の密度の時間分解計測が可能な計測システムを共同で構築し、感度および精度を評価する。
帰国後も共同研究を継続し、構築したシステムを用いてホールスラスタへ適用し、計測技術の適用で浮かび上がる課題の解決に共同であたる。得られた詳細な結果をもとに、ホールスラスタにおける物理モデルの改築においても協働し、異常輸送の抑制を試みる。