Discharge characteristics CO2 Hall thruster and its propellant storage and feed method

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K04492
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: Cho Shinatora 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)
• 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)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 宇宙機用推進機 / 電気推進 / ホールスラスタ / 代替推進剤 / 推進剤貯蔵

Outline of Final Research Achievements

It was confirmed that the Hall thruster can be stably operated with CO2, and propulsion performance of 1140 s of specific impulse and 27 mN/kW of thrust power ratio were obtained. Plume measurements and numerical analysis revealed that the low propellant utilization efficiency and the large amount of energy required for CO2 dissociation are points requiring improvement.
In addition, the basic concept of a storage and supply system that does not require high-pressure storage or pressure regulation was confirmed, utilizing the triple point of low-temperature storage of CO2 as dry ice. Visualization of the inside of the tank revealed the importance of reducing uneven temperature distribution.
Furthermore, an integration experiment was successfully conducted that a 1kW-class Hall thruster was stably operated by CO2 gas supplied from the storage and supply system.

Free Research Field

宇宙機用電気推進

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

高性能長寿命かつロバストであることから, 探査・商用問わず様々な人工衛星でホールスラスタの利用が急速に拡大している. それに伴い, 従来の推薬であったキセノンの大量消費が課題になりつつある. 本研究では,キセノンに代わり, これまであまり注目されてこなかった二酸化炭素推薬の基礎検討を実施した. 「CO2を推薬としたホールスラスタはどのような放電特性か. また, 安定作動可能か」, 「固体貯蔵したCO2を安定的にガス流量制御し, ホールスラスタに供給可能か」を明らかにし, 貯蔵及び供給方法まで含めたCO2ホールスラスタの実現性について一定の見通しが得られたことは, 重要な研究成果と考えられる.