2023 Fiscal Year Annual Research Report
二酸化炭素ホールスラスタの基礎放電特性および推薬供給方法
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21K04492
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
張 科寅 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (40710596)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邊 裕樹 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (30648390)
杵淵 紀世志 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90648502)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 宇宙機用推進機 / 電気推進 / 二酸化炭素 / ホールスラスタ / 代替推進剤 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ホールスラスタ本体について、純CO2推進剤で安定した着火・定常作動が可能であることを確認できた。放電電圧100~200 V, 放電電力700~1600 Wの広範囲にわたって推進性能をパラメトリックに取得し、トータル比推力最大1140秒/推力電力比最大27mN/kWといった推進性能を得た。また、ファラデープローブ及びE×Bプローブを用いたプルーム計測を行い、CO2作動は推進剤利用効率が60%未満と低いこと, イオンビームに占めるCO2+イオンの割合は全体の40%程度に過ぎず、他方CO+, O+, C+がそれぞれ20%程度を占めており、CO2の解離に多くのエネルギーを取られていること, がXe作動と比べて効率が低い主因であり、性能向上に向けた改善点であることがわかった。また0次元及び2次元の粒子シミュレーションの実施により、解析的にもこれらの傾向を確認できた。
貯蔵供給装置については、CO2をドライアイスとして低温貯蔵し三重点を利用することで、高圧貯蔵や調圧不要な貯蔵供給システムを構築可能とする基本コンセプトを確認できた。単体試験により、60分以上三重点維持し、スラスタ作動に必要な流量を供給可能であることがわかった。流量供給によるエンタルピー流出と、貯蔵タンクへの環境入熱のバランスに基づく、軌道上運用を模擬した数理モデルを開発し、最小限の温度制御により軌道上運用できる方策を見出した。また、タンク内の可視化により、三重点維持時間が理論より短くなる原因が、タンク内の温度分布が不均一にあると特定し、伝熱促進フィンの追加により、大幅に改善できることを確認できた。
さらに統合試験として、作動デモンストレーションを実施した。ドライアイス貯蔵供給装置から三重点維持により定圧で供給されたCO2ガスにより、1kW級ホールスラスタ本体が問題なく放電・推力発生することを確認できた。
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