Digital Twin Creation of High-Density Ion Thruster with Electron Anomalous Transport Control

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02346
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
• Research Institution: Shibaura Institute of Technology (2022-2023); The University of Tokyo (2020-2021)
• Principal Investigator: Kawashima Rei 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (80794429)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小泉 宏之 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (40361505) ; 鷹尾 祥典 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80552661)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 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

Outline of Final Research Achievements

This study aims to develop numerical simulations to comprehensively replicate ground-based experiments of Hall thrusters by creating analytical models for key physical phenomena. Firstly, to analyze anomalous electron transport within Hall thrusters, simulations of azimuthal plasma oscillations were conducted, revealing that vortex structures downstream of the ion acceleration region promote electron transport. Additionally, the analysis of plasma-wall interactions demonstrated that controlling the ion acceleration region could reduce wall ion losses. These findings were validated through experiments with artificial non-uniformities and control of the ion acceleration region in Hall thruster test devices. Moreover, a gas flow simulation model for vacuum test facilities was developed, providing insights to mitigate facility effects.

Free Research Field

宇宙推進工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の学術的に重要な成果は、磁化プラズマを利用するイオン推進機において、磁場閉じ込めを阻害する電子異常輸送現象を解析し、現象の原因となるプラズマ不安定性の空間的なスケールを明らかにした点である。この空間的スケールに近い人工的な非一様性を付加することによって、プラズマ不安定性の発生を制御できる可能性を示すことができた。このことは磁化プラズマにおける人工的擾乱を用いた乱流制御という新しい研究領域へと発展するものであり、学術的意義が大きい。加えて、イオン推進機の地上実験を再現するための物理モデルや数値スキームを整備することができた。このシミュレーション技術は宇宙開発の分野に貢献するものである。