2021 Fiscal Year Research-status Report
Realization of CO2 Ion Engines for Resource-Saving Orbital Operation of Manned Space Structures
| Project/Area Number |
20K04928
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Metropolitan College of Industrial Technology |
|---|
Principal Investigator |
中野 正勝 東京都立産業技術高等専門学校, ものづくり工学科, 教授 (90315169)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
各務 聡 東京都立大学, システムデザイン研究科, 准教授 (80415653)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | イオンエンジン / 二酸化炭素 / 有人宇宙構造物 / 省資源軌道運用 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
二酸化炭素を推進剤とするイオンエンジンについて、磁場形状やアンテナ位置などを変えることでイオン源の性能を向上させるべく、イオン源内部のパーツを変更・調整可能なイオンエンジンを製作して実験を行い、スクリーン電流について昨年度比で約２倍となるイオンの生成能力を獲得した。放電室内部の様子を記述するグローバルモデルにおいては、二酸化炭素や一酸化炭素、酸素分子の振動励起の考慮の有無でスクリーン電流の計算値に大きな違いが発生することを前年度確認しているが、一酸化炭素と酸素分子の励起種の有無でプラズマ電位の計算値に大きな違いが出ることを見出したことから、逆電位アナライザによるイオン源の内部計測を実施し、二酸化炭素の振動励起種までを含めたモデル化が実験結果を良好に再現できることを確認した。なお、二酸化炭素はアルゴン等の単原子分子の推進剤とは異なり分子性の推進剤であって生成するイオンが多岐に及ぶために、イオンの分子量は一意的に決定できない。そのためミッション評価に必要となる推力値をビーム電流とグリッドへの印加電圧から単純に推算することができず、推力の実測が一番確実であることから、昨年度から引き続き開発を進めている推力測定装置を用いて推力の計測を実施し、理論的に推力の予想が可能なアルゴンガスを推進剤として作動させた場合と比較した校正を行うことで二酸化炭素を用いたイオンエンジンの性能を決定することを可能とした。実験室におけるイオン源の性能は推進剤流量 1 sccmにおいて、推進剤利用効率が0.2-0.4、イオン生成コストが 1300-2500 W/Aであり、いずれも向上の余地はあるものの、昨年度有人宇宙システムの高度制御運用に必要な条件として算出した比推力2000 sを、現状運用されているイオンエンジンのスクリーン電圧以下の 1000 Vで実現可能となっている。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでの研究成果として、マイクロ波放電型イオン源の作成、グローバルモデルによる放電部の解析モデルの構築、イオンビーム電流計測や逆電位アナライザを用いたグローバルモデルの検証、推力測定によるスラスタの性能評価など、二酸化炭素を推進剤として用いるイオンエンジンに関する技術的な知見や実績を順調に積み上げている。イオンエンジンの十分な耐久性能を確保する上で回避すべき炭素等の放電室内部の堆積や原子状酸素発生による酸化による作動不良はこれまで実験において発生はしていない。なお、別研究から、炭化水素系物質の放電室内部における堆積は水を推進剤に加えることで除去できることを実験的に見出しており、仮に堆積物が生成しても解決するための指針は得られている。水は有人宇宙活動では必須の資源であることから、有人宇宙構造物の制御にあたって入手しやすい資源であり、本研究で取り扱う二酸化炭素の推進剤利用を妨げるものではない。これまでに得られた実験用イオンエンジンにおける推進剤利用効率やイオン生成コストに改良の余地があるのは想定の範囲であり、イオン源の性能が順調に向上し、目標としていた比推力の値をクリアできていることを考慮すると、研究は概ね順調に進んでいると言える。
|
| Strategy for Future Research Activity |
二酸化炭素を用いたイオンエンジンの性能を上げるために最適化を実施していく。投入した推進剤がどれだけイオン化するかの指標である推進剤利用効率や推進剤をイオン化するのに必要な電力であるイオン生成コストに関しては性能の向上の余地が大きく、これまでに引き続いて、磁場回路やアンテナ形状の改良を行っていく。また、イオン化に貢献しない推進剤のグリッド孔からの漏れを抑制することが推進剤利用効率の改善に効果があり、グリッドの孔形状の最適化による効果が十分に見込めることから、数値解析による支援をもとにグリッド孔形状を最適化していく。イオンエンジンヘッド部の耐久性能については研究期間で実施可能な100時間程度の累積作動時間を目指した耐久試験を実施する。なお、数千時間から数万時間に亘る耐久性能の長期的な予測を数値解析で実施するには、イオン源内部で生成したイオン種に関する情報が必要なため、E×Bプローブや四重極質量分析計による計測を実施し、イオン種の構成割合を明らかにする。その後、イオンエンジンの性能の実績値を反映したシステム解析を行い、最適化による効果を宇宙構造物全体の推進剤の低減効果やコスト削減費の形で定量化して、最終年度成果としてまとめるものとする。
|
