Molecular scattering dynamics at hyperthermal velocities and its impact on low drag satellite

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H02346
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 田川 雅人 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10216806)
• 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)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 大気抵抗 / 原子状酸素 / 分子散乱 / 超低地球軌道

Outline of Annual Research Achievements

本プロジェクト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した。電離真空計を散乱原子状酸素の検出器として採用した本システムは質量分解機能は具備しないもののコンパクトなシステムを実現し、既存のチャンバー内に実装することで経費を大幅に削減できた。FY2022年度にはFY2021年度に開発を完了した電離真空計をセンサーとする散乱実験装置を用いて宇宙機用材料やリファレンス材料からの散乱分布の計測を実施した。その結果、宇宙環境に非曝露のポリイミド表面からの分子線散乱では比較的鏡面反射成分が優勢であったが、本研究グループが保有するレーザーデトネーション装置でLEO環境を模擬した原子状酸素を照射することにより鏡面散乱成分が減少し、表面垂直方向への拡散反射成分が増加することが明らかになった。同様の変化は国際宇宙ステーションで実際に宇宙環境に曝露したポリイミドでも観察されたことから、レーザーデトネーション装置による地上実験で軌道上での特性変化を再現できることが示された。さらに、本実験で得られた散乱分布をDSMC計算における散乱モデルとして実装し衛星抵抗を計算したところ、原子状酸素曝露により約12%大気抵抗が増大することが明らかになった。一方、鏡面反射成分が優勢な二次元物質を表面材料とすることで、最大22%の大気抵抗の減少が可能であることがDSMC計算で示され、低大気抵抗衛星設計における衛星表面での分子散乱特性と低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た。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Presentation] Passive compression device in molecular flow by surface scattering: A key device for spacecraft intake system (2022)
  • Author(s): Masahito Tagawa, Yusaku Ashida Koki Sugimoto, Kosuke Shoda, Keisuke Ezaki, Kumiko Yokota, Takashi Ozawa, Yusuke Yamashita, Kazutaka Nishiyama
  • Organizer: The 5th International Workshop on Scattering of Atoms and Molecules from Surfaces
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Atomic oxygen density variation measured by SLATS/AOFS: Comparison of flight data and atmospheric model predictions (2022)
  • Author(s): Masahito Tagawa, Kumiko Yokota, Atsushi Fujita, Wataru Ide, Yasunobu Miyoshi, Yuta Tsuchiya, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Eiji Miyazaki, Yugo Kimoto
  • Organizer: 15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shielding effect of atomic oxygen by satellite structure observed on SLATS and its compensation for material exposure experiment (2022)
  • Author(s): Masahito Tagawa, Kumiko Yokota, Wataru Ide, Atsushi Fujita, Shohei Urakawa, Yuta Tsuchiya, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Eiji Miyazaki, Yugo Kimoto
  • Organizer: 15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] N2-acceleration effect on atomic oxygen-induced polyimide erosion in sub-LEO observed by SLATS/AOFS (2022)
  • Author(s): Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Wataru Ide, Atsushi Fujita, Sasuga Horimoto, Santa Nishioka, Keisuke Ezaki, Yuta Tsuchiya, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Eiji Miyazaki, Yugo Kimoto
  • Organizer: 15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact of neutral atmosphere environment on SLATS (2022)
  • Author(s): Yugo Kimoto, Yuta Tsuchiya, Eiji Miyazaki, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Shunsuke Imamura, Haruo Kawasaki, Masanori Sasaki, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Wataru Ide, Atsushi Fujita, Shohei Urakawa, Sasuga Horimoto, Santa Nishioka
  • Organizer: 15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Space polymers erosion in simulated LEO and VLEO environments (2022)
  • Author(s): Zilina Iskanderova, Jacob Kleiman, Masahito Tagawa, Santa Nishioka, Sasuga Horimoto
  • Organizer: 15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Perspective on Atomic Oxygen Reaction with Thermal Control Materials in Space (2022)
  • Author(s): Masahito Tagawa, Kumiko Yokota
  • Organizer: The 13th Asian Thermophysical Properties Conference,
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Performance change of field emission cathode by atomic oxygen irradiation (2022)
  • Author(s): Keisuke Ezaki, Kazuki Itatani, Yuki Fukami, Yusaku Ashida, Yasushi Ohkawa, Satomi Kawamoto, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
  • Organizer: The 13th Asian Thermophysical Properties Conference,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A research on material degradation of spacecraft in sub-low Earth orbit environment -An estimate of the contribution of inert molecule’s energy to the acceleration effect of the erosion of polyimide - (2022)
  • Author(s): Sasuga Horimoto, Santa Nishioka, Wataru Ide, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
  • Organizer: The 13th Asian Thermophysical Properties Conference,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Surface erosion of carbon-based materials in VLEO space environment: Collision-induced desorption by atmospheric N2 associated with oxidation by O (2022)
  • Author(s): Kumiko Yokota, Sasuga Horimoto, Wataru Ide, Santa Nishioka, Masahito Tagawa
  • Organizer: The 14th International Symposium on Atomic Level Characterization of New Materials and Devices
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 神戸大学大学院工学研究科における宇宙環境研究のページ
  • URL: http://www.space-environmental-effect.jp/index.html