2019 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular scattering dynamics at hyperthermal velocities and its impact on low drag satellite
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19H02346
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
田川 雅人 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10216806)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横田 久美子 神戸大学, 工学研究科, 助手 (20252794)
岩田 稔 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80396762)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 宇宙環境 / 原子状酸素 / 分子散乱 / 大気抵抗 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レーザーデトネーション型原子状酸素ビーム装置は軌道上における原子状酸素と衛星表面の衝突速度を地上で再現できる唯一の方法である。本研究では国内で申請者のみが保有する3式のレーザーデトネーション装置の1台に固体表面で散乱された原子状酸素の検出装置を新規に追加し、その角度分散を計測する簡易的なシステムを構築する。本研究ではこれまでの材料劣化研究の成果を活用し、水晶振動子マイクロバランス（QCM）、あるいは電離真空計を散乱原子状酸素の検出器として採用する。Agあるいは炭化水素薄膜をコーティングしたQCMは原子状酸素センサーとしての実績が豊富で最も低リスクで目標が達成できる可能性がある。試料への入射する原子状酸素ビームをスキマーによって絞り、入射角を可変できる試料台と、試料周りに回転可能なQCMセンサーを設置することで原子状酸素の散乱分布計測という目的が達成できる。フルスペックの質量分析管システムに比較すると1/10以下の予算で目的を達成できる。FY2019年度には詳細設計と組立て、システム評価を実施中である。
DSMC計算に対して、本研究で実測した原子状酸素散乱分布を適用できれば、超熱速度領域の分子線散乱のDSMCに実験的な裏づけを与えることができるとともに、低大気抵抗衛星設計に関する基本的設計指針を得ることができる。さらに日本発のアイデアである大気吸入イオンエンジンのインテーク設計を例としてDSMC計算を実施し、これまでの拡散散乱による結果と比較すると共に、レーザーデトネーション装置による実験結果とも比較を行い、散乱ダイナミクスを考慮したDSMCの優位性を検証する。本DSMCコードによる数値計算結果は軌道上計測でのみ最終的な評価が可能であることから、将来ミッションでのインテーク軌道上評価の具体的方法についても検討する。
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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
本研究では国内で申請者のみが保有する3式のレーザーデトネーション装置に固体表面で散乱された原子状酸素の検出装置を新規追加することにより散乱角度分散を計測するシステムを構築し、超熱速度領域の分子線散乱のDSMCに実験的な裏づけを与え、低大気抵抗衛星設計に関する基本的設計指針を得ることを目標とするものである。
FY2019年度にはセンサーとして用いる電離真空計、水晶振動子マイクロバランスシステムを選定・購入、既存の真空チャンバーの改造とスキマーの設置、さらに本研究に不可欠となるサンプル・検出部同軸回転機構の詳細設計等が完了し、FY2020年度での予備実験に向けたシステム設計・コンポーネント試験を終了した。真空チャンバーの改造については購入予定であったターボ分子ポンプを他のシステムから流用することで必要コストを削減し、その予算をアナログ検出系の高感度化のためのプリアンプ、アナログMCSとしての使用可能なデジタルオシロスコープ等に充当することで、システムの高精度化を実現できた。また、サンプル・検出部同軸回転機構は、真空専門メーカーの協力の下、構造を極力単純化することにより予算の圧縮を実現することができた。これにより、サンプルの耐宇宙環境性を多角的に評価することが予算的に可能になったため、新たに九州工業大学の岩田准教授を研究分担者とし、電子線や紫外線などへの耐性にも留意した低抵抗材料選定を可能とする研究体制の拡大を行った。
現在、新型コロナウイルスの影響により、計画の若干の遅延が生じているが、感染が終息すれば2020年度内での遅延回復が可能な状態である。
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| Strategy for Future Research Activity |
FY2020-2021年度には、FY2019年度に構築した散乱計測システムについて、ビームを直接計測することにより、まず計測システム自体の詳細評価を実施する。その後、リファレンス材料の散乱分布を計測し、論文等で報告されている計測結果と比較する。以上の予備実験修了後に、低大気抵抗材料候補となる各種材料の分子散乱分布を計測し、データベースを構築する予定である。これらの実験の実施が困難と判断される場合には、研究協力者である米国のMinton教授が保有する同様のシステムを用いての実験実施も考慮する。
散乱分布のデータベースが成功裏に取得できれば、このデータをベースとして低大気抵抗衛星の設計指針をDSMC計算により確立する。これまで用いてきた市販のDSMCソフトウエアでは散乱分布の設定の自由度が小さいため、DSMCソフトウエアのコード開発を実験と平行して行う予定である。
これらの研究計画は国内外での新型コロナウイルスの感染拡大状態に大きく依存する可能性があるため、状況に応じて臨機応変に研究計画の見直しつつ対処する。
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