Electromagnetic electric propulsion using direct droplet injection for water-propellant all electric system

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01533
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 各務 聡 東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (80415653)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹ヶ原 春貴 東京都立大学, システムデザイン研究科, 客員教授 (20227010) ; 橘 武史 北九州工業高等専門学校, 生産デザイン工学科, 特命教授 (50179719) ; 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)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 水推進剤 / 電気推進 / 電磁加速 / MPD / PPT

Outline of Annual Research Achievements

2021年度は，1MWクラスのMPDスラスタとその電源系(Pulse Forming Network, PFN)を試作して，放電電流・電圧特性，性能（比推力や推力電力比）を評価することを目的としていた．試作機には，ノズルが電極を兼ねるノズルアノード型と，円環状のノズルとセラミックノズルを組み合わせた円環アノード型の二種類を製作し，内径と外径を等しくした．従来のPFNを利用して，放電電流2kA，電力200kWまでの水推推進剤MPDの作動を実証した．また，水平振り子型スラストスタンドを利用して性能を評価したところ，推力は2N，燃費の指標である比推力は1300 s，推力電力比は12mN/kWとなり，ほぼ目標を満たすことができた．また，アノードノズル型よりも円環アノード型の方が，比推力，推力電力比ともに高くなることが確認された．ノズルの形状は同じであることから空力加速は同じはずであるが，原理的には，円環アノード型の方が効率よく電磁加速出来ることから，同方式の方の推力が大きくなり，その結果，比推力および推力電力比が高くなったと考えられる．一方で，性能は，従来のMPDより低くなっていた．その理由として，他のMPD推進機では，10 kAクラスで作動させることがあり，空力的な推力より電磁加速が支配的になることにより高い性能を得ていた．
そこで，10 kAを駆動可能なPFNを新たに製作した．これは，800μFの低インダクタンスのキャパシタを9段接続したものであり，印加電圧を高くすることにより10kA以上での作動を可能にしている．2 kAでの結果に基づいて，性能が高い円環アノード型を用いて試験した．その結果，10 kAでの作動を実証することができた．推力測定は，放電電流8.1 kAで実施したところ，放電電力1.8 MW，比推力3500秒，推力電力比6.1 mN/kWとなった．比推力は目標値を上回ったものの推力電力比は低くなったことから，電力に比して推進剤が不足しているものと考えられる．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2021年度は，先述の通り，水推進剤MPDの作動試験を行いその性能評価に至った．2020年度までに，200 kW以下で水MPDが作動することを実証し，その放電電流＝電圧特性を明らかにしてきたが，推力や比推力など推進機としての性能に関しては未知のままであった．2021年の研究の研究により，放電電力2 kA以下，放電電力200kWまで性能を評価して，2NというMPDの推力としては他の推進剤に遜色のない性能を得ることを示し，さらに，アノード形状に対する性能の依存性を評価して電磁加速が作用していることを明らかにした．また，1MWという大電力化のために，PFNを改良して1.8 MWにいたる広範囲で作動することを実証し性能も明らかにしている．以上の様に，試作機がMPDとして作動することを示すに至っている．また，40000コマ/秒の高速度カメラを用いてプラズマジェットの挙動を観測するなど，2022年度のプラズマ観察の予行行うことができた．なお，以上の様な研究は順調にいったわけではなく，大電流化に伴ってEMIが発生してオシロスコープや制御装置の接続が切れるなどの作動不良があったが，耐ノイズ対策を実施することにより技術上の問題を解決している．また，噴射口をステンレス板の半径1 mm程度の半球状の凸部を設けて穿孔したオリフィスを試用してきたが，放電により破損することがあった．また，加工精度が低く噴射量の再現性に難があることがあった．そこで，オリフィスを3Dプリンティングしたレジンで生成することにより，放電による損耗の問題と精度の問題を同時に解決している．以上のように，テクニカルな問題はあったものの，提案する推進機の性能を評価し，1MWでの作動を実証したことから，おおよそ順調に進展していると判断した．

Strategy for Future Research Activity

先述の通り，10 kA，1.8MWでの作動を実証しその性能を評価したが，比推力が高い割には推力電力比や推進効率が低くなっていた．この理由として，電力の割に推進剤流量が不足し，推進剤に過剰な電力が投入されていることが考えられる．そこで，推進剤流量の最適化を図る．これにより，放電電力を分散させ，効率の良い加速を実現する．そのために，噴射量にあった噴射口形状をした噴射器の改良を実施する．
また，放電電極形状の性能に対する特性も不明なままである．そもそも，従来のMPDは気体推進剤を用いているのに対し，本推進機では水滴を直噴しているため，蒸発過程が必要で電離の機構は従来と異なる可能性が高い．そのため，放電室や放電電極の形状を最適化する必要があることから，アノードと放電室形状を変えて性能を評価する．具体的には，ノズルの開口比とアノード外径を大きくすることにより電磁加速と空力加速を同時に増加させるとともに，放電室の体積と長さを変化させて，プラズマの蒸発時間を稼ぎ推進剤利用効率の向上を図る．また，放電プラズマの物理現象を解明するための第一歩として高速度カメラ撮影を行う．すなわち，一秒あたり10万コマの高速度カメラによりプラズマを観測して，分子種にあったフィルタを用いることにより，放電プラズマの分子種の分布を明らかにしする．これにより，放電や蒸発が起きている領域，加速領域など蒸発や放電メカニズム解明のための知見を得る．以上の様な試作評価と内部現象の観察によって，推進機内部の現象に関する知見を得て，効率よく推進機の高性能化を実現する．