2022 Fiscal Year Annual Research Report
Digital Twin Creation of High-Density Ion Thruster with Electron Anomalous Transport Control
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20H02346
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
川嶋 嶺 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (80794429)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ホールスラスタ / 電気推進 / プラズマ / 放電制御 / 数値流体力学 / プラズマ乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（1）ホールスラスタの勾配ドリフト不安定性の発達と逆カスケード過程の数値解析
ホールスラスタにおける磁化プラズマ中の電子異常輸送現象を解析するため、軸方向-周方向を対象とした2次元プラズマシミュレーションを実施している。今年度は勾配ドリフト不安定性から生じる高周波の周方向振動と、回転スポークを呼ばれる低周波の振動が混在する現象を解析することができた。ホールスラスタ磁化プラズマの乱流現象は、高周波の振動が低周波の振動へと変遷する逆カスケード過程をたどるが、変遷した結果高周波の渦が失われるわけではなく、異なる領域において、低周波振動と高周波振動がそれぞれ存在することが明らかになった。
（2）高密度イオンを生成するホールスラスタの数値設計
本研究課題によって得られた電子異常輸送の予測と制御に関する実験的検証を行うための、ホールスラスタの数値設計を行った。昨今の事情により、従来ホールスラスタの作動ガスとして用いられていたキセノンが入手困難となっており、代替としてアルゴンでの作動を前提とした推進機設計を行う必要が生じた。代替推進剤で高い性能を引き出すためには、放電室に高い電力を投入する必要があり、その場合プラズマからの熱によって推進機が故障することが分かった。この対策として、熱的に脆弱な部材を推進機本体から分離させた新しいホールスラスタの構造を提案した。
（3）ホローカソードのプラズマ・熱伝導連成解析
ホローカソードは熱電子放出を利用するが、これまで開発した放電プラズマシミュレーションでは熱電子放出部材の温度は仮定されていた。今年度は、ホールスラスタ部材に関する簡易熱伝導・放射解析モデルを構築し、これと放電プラズマシミュレーションとを連成させることによって、自己矛盾のない熱電子放出部材の温度分布を利用した忠実度の高いホローカソードシミュレーションを実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究課題の開始時の計画では、ホールスラスタとホローカソードのシミュレーションを連成させた解析を行う予定であったが、それぞれのシミュレーションにおいて興味深い研究成果が出始めているために、連成解析が遅れている状況である。
まずホールスラスタの解析では、周方向のプラズマ振動が特定の周波数を持つ振動現象ではなく、異なるスケールの渦が混在する乱流に近い現象であることが明らかになってきた。さらにこの乱流は、通常の非圧縮性または圧縮性の流体で見られる順カスケード過程ではなく、逆カスケード過程をたどることが判明し、流体の基礎研究として興味深いものであることが分かってきた。
電子異常輸送の予測と制御に関する実験的検証を行う目的でホールスラスタの設計を行っているが、キセノン代替推進剤を利用しなければならないという事情から、開発に想定よりも時間がかかった。しかしながら、高い放電電力で推進機を作動させるための新しい構造を考案できたことから、当初計画外の研究成果が得られている。
ホローカソードのシミュレーションに関しても、開発したシミュレーションコードは各部に流入する熱流束や、インサート部材の蒸発量などを予測する上で有用なものであることが分かってきたため、ホローカソードシミュレーション単体として有意義な成果となっている。
以上から、本来の研究計画を鑑みると計画よりやや遅れていると評価するが、当初の研究から派生した研究が進展している状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの本研究課題では、ホールスラスタとホローカソードの数値シミュレーションを行ってきたが、次年度はこれまでに得られた知見を利用して、ホールスラスタ実験機とホローカソードを数値設計し、実機の開発を行う。加えて、ホールスラスタの電子異常輸送現象の解析では、能動的制御の実現に向けて、人工的な乱れの付加によって異常輸送現象の原因となっているプラズマ不安定性への干渉効果を検証する。当初計画では予想できなかった事情から研究計画の変更があったものの、本研究課題の目標は、数値シミュレーションを駆使した電子異常輸送の能動的制御法の知見獲得と、推進機の数値設計であった。本研究課題の最終年度となる次年度では、これらの点に関する研究を推進する。
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