2022 Fiscal Year Annual Research Report
Realization of CO2 Ion Engines for Resource-Saving Orbital Operation of Manned Space Structures
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20K04928
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan College of Industrial Technology |
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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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
各務 聡 東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (80415653)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | イオンエンジン / 代替推進剤 / 二酸化炭素 / 呼気利用 / 有人宇宙構造物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
E×Bプローブによるイオンビーム計測を実施し、二酸化炭素をイオンエンジンの推進剤とした場合のイオン種の平均分子量を取得した。これによりイオン源の性能から直ちにイオンエンジンの推進性能を予測可能となった。一方で、ビーム電流やイオンの平均分子量に関するグローバルモデルの予測は実測値と定量的な一致を得るまでに至っておらず改良の必要がある。また、実験および数値解析から二酸化炭素のイオン生成コストは代表的な代替推進剤の水と比較して高く、性能向上のボトルネックとなっていることが明らかとなった。想定外の発見として、アダマンタンなどの炭化水素系推進剤使用によって発生した堆積物が二酸化炭素を用いることで除去できることの発見がある。アダマンタンのように高性能だが堆積物等が生成する推進剤でも二酸化炭素と組み合わせることで高性能の実現が期待できる。
研究期間全体を通して得られた成果については以下の通りである。ミッション解析から国際宇宙ステーションなどの有人宇宙システムの高度制御運用に必要な条件としてイオンエンジンの比推力を約2000 sと概算した。また、二酸化炭素イオンエンジンのグローバルモデルを作成し、二酸化炭素利用の適合性を判定するために、小型イオン源を製作して、ビーム引き出し性能等の実験を行い、水やアダマンタン等との比較により二酸化炭素使用時の推進剤利用効率やイオン生成コストを明らかにした。分子量の小さい推進剤では、推進剤利用効率の向上に限界があることから、イオンビーム加工によるグリッド製作も実施した。推力測定については、理論的な手法の他、振り子式スラストスタンドを用いた推力測定を実施している。これら一連の成果から、有人宇宙構造物の制御に二酸化炭素を用いるイオンエンジンは適合可能であり、その実現のための課題抽出や要素技術の獲得に成功したこととなる。
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