有限境界型ECR加熱プラズマの現象解明とマイクロ波放電式イオンスラスタへの応用

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25289304
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小泉 宏之 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (40361505)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鷹尾 祥典 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80552661)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: イオンスラスタ / 小型衛星 / プラズマ / 数値計算 / PIC / ECR / 小型推進

Outline of Annual Research Achievements

【水イオンスラスタの提案と基本性能取得】キューブサット用のイオンスラスタとして，キセノンに代わり水を推進剤とする新しいイオンスラスタの提案と基本作動の実証に成功した．水を供給した状態でのプラズマ着火に成功，数十時間の作動における酸化の影響がないことの確認，そそして，イオン源からのイオンビーム放出および中和器からの電子放出に成功した．
【改良型イオンスラスタシステムの提案】本研究課題の成果を利用した世界初小型新宇宙探査機PROCYONにおけるイオンスラスタ作動の結果をうけて，その改良版イオンスラスタシステムの考案を実施した．具体的には，イオン源と中和器の流量独立制御，スラスタ冗長構成における冗長流量制御の２機構を，３次元プリンタ技術を用いて小型化（従来と同じサイズ）に成功した．
【数値計算コードFEMP3による電子輸送過程の解明】これまでのES-PICであった計算コードをEM-PICへ拡張し，プラズマ源内部の電子輸送過程の解明を進めた．この結果，電子の輸送は，１）周方向に発生する電位振動（電位不安定性に由来するもの），２）電位振動によって生じる電子ExBドリフトによる磁場直行輸送，３）オリフィス近傍の３次元電位構造に起因するExB輸送，によってオリフィスを通過していくことが明らかとなった．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究，最大の目的の１つであった，電子の磁場直交輸送に関して，数値計算を通した解明が実施できた．また，当初の計画にはなかった水イオンスラスタの作動という，次世代の超小型衛星の核となる技術の実証に成功した．

Strategy for Future Research Activity

数値計算において，電子の加熱過程の解明を進めたい．実験においては水イオンスラスタの推力測定と性能向上のための基礎データを取得していく

Research Products

• [Journal Article] 小型衛星用電気推進の推力ベクトル管理方法の提案と実証 (2016)
  • Author(s): 柳沼和也, 小泉宏之, 河原大樹, 浅川純, 中川悠一，稲垣匡志, 笠木友介, 五十里哲, 尾崎直哉, 船瀬龍, 小紫公也
  • Journal Title: 日本航空宇宙学会論文集 Volume: 64 Pages: 131-138
  • DOI: http://doi.org/10.2322/jjsass.64.131
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Initial Flight Operations of the Miniature Propulsion System installed on Small Space Probe: PROCYON (2016)
  • Author(s): Koizumi, H., Kawahara, H., Yaginuma, K., Asakawa, J., Nakagawa, Y., Nakamura, Y., Kojima, S., Matsuguma, T., Funase, R., Nakatsuka, J., and Komurasaki, K.
  • Journal Title: Transactions of Japan Soc. for Aeronautical and Space Sci., Aerospace Technology Japan Volume: 未定 Pages: 未定
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electron Extraction Mechanisms of a Micro ECR Neutralizer (2016)
  • Author(s): Takao, Y., Hiramoto, K., Nakagawa, Y., Kasagi, Y., Koizumi, H., and Komurasaki, K.
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 未定 Pages: 未定
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 水を推進剤とした小型衛星用イオンスラスタの 加速時の電流特性 (2016)
  • Author(s): 河原大樹，中川悠一，小泉宏之，小紫公也
  • Organizer: 平成27年度宇宙輸送シンポジウム
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所（相模原）
  • Year and Date: 2016-01-15 – 2016-01-15
• [Presentation] 導電性回路印刷技術を用いた面型プローブによる10 mm 級 プラズマ源の測定 (2015)
  • Author(s): 中川悠一，小泉宏之，笠木友介，河原大樹，鷹尾祥典，平本謙太，小紫公也
  • Organizer: 第59回宇宙科学技術連合講演会
  • Place of Presentation: かごしま県民交流センター（鹿児島）
  • Year and Date: 2015-10-07 – 2015-10-09
• [Presentation] 水およびブタンの小型衛星用イオンスラスタへの適用 (2015)
  • Author(s): 河原 大樹，中川 悠一，小泉 宏之，小紫 公也
  • Organizer: 第59回宇宙科学技術連合講演会
  • Place of Presentation: かごしま県民交流センター（鹿児島）
  • Year and Date: 2015-10-07 – 2015-10-09
• [Presentation] イオンスラスタおよびコールドガススラスタ を用いた超小型推進システムの 深宇宙作動実証に関する報告 (2015)
  • Author(s): 河原大樹，柳沼和也，浅川純，中川悠一，中村友祐, 松隈俊大 小島隼一，船瀬龍，小紫公也, 中塚 潤一
  • Organizer: 第59回宇宙科学技術連合講演会
  • Place of Presentation: かごしま県民交流センター（鹿児島）
  • Year and Date: 2015-10-07 – 2015-10-09
• [Presentation] On-orbit Performance of a Miniature Propulsion System on a 70 kg Space Probe to Explore Near-Earth Asteroids (2015)
  • Author(s): Hiroyuki KOIZUMI, Hiroki KAWAHARA, Kazuya YAGINUMA, Jun ASAKAWA, Yuichi NAKAGAWA, Junichi NAKATSUKA, Satoshi IKARI, Ryu FUNASE, and Kimiya KOMURASAKI
  • Organizer: Small Satellite Conference 2015
  • Place of Presentation: ローガン（米国）
  • Year and Date: 2015-08-10 – 2015-08-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-Flight Operation of the Miniature Propulsion System installed on Small Space Probe: PROCYON (2015)
  • Author(s): Hiroyuki Koizumi, H. Kawahara, K. Yaginuma, J. Asakawa , R. Funase , and K. Komurasaki
  • Organizer: 34th International Electric Propulsion Conference
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（神戸）
  • Year and Date: 2015-07-06 – 2015-07-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ground Experiment for the Small Unified Propulsion System: I-COUPS Installed on the Small Space Probe: PROCYON (2015)
  • Author(s): Hiroki Kawahara, Kazuya Yaginuma , Jun Asakawa, Yuichi Nakagawa, Hiroyuki Koizumi, Ryu Funase, Kimiya Komurasaki
  • Organizer: 34th International Electric Propulsion Conference
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（神戸）
  • Year and Date: 2015-07-06 – 2015-07-10
  • Int'l Joint Research