狭領域プラズマ計測手法の確立と超小型RFプラズマスラスタへの応用

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K04485
• Research Institution: Ryukoku University
• Principal Investigator: 大塩 裕哉 龍谷大学, 先端理工学部, 助教 (80711233)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: プラズマ計測 / 光学計測 / 電気推進 / 高周波プラズマ / 超小型衛星

Outline of Annual Research Achievements

超小型人工衛星は中小規模の企業や大学などでも開発可能であり、宇宙開発のハードルを大きく下げることが期待されている．近年，燃費性能の高い超小型プラズマ推進機(スラスタ)の開発と宇宙実証が進められる一方で，超小型人工衛星の多目的化に伴い更なる高い性能が要求されている．プラズマスラスタの研究開発にはプラズマ現象の理解が不可欠である．しかし，超小型スラスタの数 mm程度の狭領域のプラズマの空間分布の取得は困難であり研究の足かせとなっている．本研究では，狭領域プラズマの空間分布計測のための光学的手法を確立と，確立した計測法を超小型高周波(RF)プラズマスラスタへ適応し，スラスタ内と近傍のプラズマ特性を明らかにし，性能最適化のための指針を示すことを目指す．
最終年度は、昨年度までに改良した狭領域計測システムを用いて、プラズマ放電管径・放電管長さなどのスラスタ形状を変えた条件での計測を進めた。また更に光学計測用カメラをより高感度のものへ更新することでより低電力の発光の弱いプラズマへも適応可能となり更に精度の高い計測が可能となった。超小型プラズマスラスタの性能向上への課題は、高性能となる高周波アンテナより下流側でプラズマを生成できる条件が限られていることである。本年度の計測では、放電管長さはプラズマ生成位置に大きな影響を与えない一方で、プラズマの放電可能電力に依存すること、放電管径は、下流領域のプラズマ密度に大きく影響を与え、最適なプラズマ生成には適した径が存在することが明らかになった。これらの結果より、性能最適化に向けた知見を得ることができた。