2023 Fiscal Year Research-status Report

Space performance correction for micro gas jet nozzles contributing to precise position control of spacecraft

Research Project

Project/Area Number	23K19099
Research Institution	Tokyo Metropolitan University
Principal Investigator	西井啓太東京都立大学, システムデザイン研究科, 助教 (10980245)
Project Period (FY)	2023-08-31 – 2025-03-31
Keywords	宇宙推進 / ファシリティエフェクト / 超小型推進機 / ノズル / 粒子計算
Outline of Annual Research Achievements	本研究は，マイクロガスジェット推進機を対象に，主として背景圧力による「ファシリティエフェクト」の解明及び宇宙性能予測の不確かさを低減するものである．本研究では実験的な検証と高忠実度数値計算による予測の二つの側面から進められる． 2023年度には，実験的検証のため，推力測定装置の設計製作，ノズル・流量制御装置を含む推進機モジュールの構築，真空チェンバ内部の圧力分布を測定するための真空計の準備が行われた．作成された推力測定装置を用いて，ノズルからの推力が不確かさ1%程度で測定できることを確認した．真空計は中真空領域で高精度のキャパシタンスゲージで真空チェンバ内で自由に設置できるマイクロピラニ／ピエゾ真空計を較正した．これらにより2024年度からファシリティエフェクトの影響を実測する準備が整った．数値計算による予測は，Direct Simulation Monte Carlo法を用いる計算コードを開発し，ノズル流れのシミュレーションを行った．コードのOpenMP並列化によってReynolds数200程度までのノズル内部及び周囲の直接シミュレーションを行うことに成功した．本研究ではこれまでの研究では不明であった，推力低下の原因の定量化と，低下のReynolds数依存性を明らかにした．また，実験では困難である宇宙性能の予測も実施され，本研究によって得られたパラメータ依存性から，実験に基づき宇宙性能を推算する方法が提案された．一方，計算領域の拡大の必要が示唆されたため，2024年度にはコードの大規模並列化を可能にする改修を行う．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究は実験と数値計算の両面から進行される．申請者が新しい所属に移動したため，実験で新たに必要な製作物が多く存在したが，ファシリティエフェクトを理解するために必要なものの準備はすべて完了した．数値計算においては，申請者の所有する計算コードを改良することで，これまで明らかになっていなかったファシリティエフェクトに関するいくつかの要素を明らかにすることができた．この結果は査読付き国際誌へ投稿準備を進めている．以上の状況から，全体を通して当初の予定通り進行していると判断した．
Strategy for Future Research Activity	実験面では，必要な物品の準備が完了したため，ノズル推力測定と周辺の圧力分布を同時に測定し，ファシリティエフェクトを実験的に理解する．また，１つの環境だけではなく複数の実験環境で同一の推進装置を作動させることで，特定の環境下以外でファシリティエフェクトがどのように変化するかを明らかにする．数値計算面では，真空チェンバ全体のような大きな空間を解くため，計算コードをGPUを用いた大規模並列計算可能にする．アップデート後は，ノズル近傍のみであった計算領域を真空チェンバ全体へ拡大し，ノズル単体に着目するのではなく，施設全体としてファシリティエフェクトを考察していく．
Causes of Carryover	本研究で使用する真空チェンバーは学生と共同利用しているが，学位論文にかかる実験を優先したために実験の開始が2024年3月となってしまった．そのため，当初は2023年度の実験で使用を予定していた物品の一部が翌年度の調達となった．