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2016 Fiscal Year Annual Research Report

磁気ノズルプラズマ流ダイナミクスの総合的理解と大電力スラスタへの研究展開

Research Project

Project/Area Number 26247096
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

安藤 晃  東北大学, 工学研究科, 教授 (90182998)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 高橋 和貴  東北大学, 工学研究科, 准教授 (80451491)
國中 均  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (60234465)
永岡 賢一  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (20353443)
小室 淳史  東北大学, 工学研究科, 助教 (70733137)
Project Period (FY) 2014-04-01 – 2018-03-31
Keywordsプラズマ・核融合 / 惑星探査 / 磁気ノズル / 電気推進
Outline of Annual Research Achievements

MPDスラスタ,VASIMRスラスタ,ヘリコンスラスタに代表される磁気ノズルを利用した各種スラスタを用いて,広範なパラメータ領域における磁気ノズルプラズマ加速と推力発生に関する実験的研究,理論的な研究を総合的に推進し,下記に得られる知見を得た.
1MW以上の電力を投入し,超高密度・高速プラズマ流生成が可能なMPDスラスタにラバール磁気ノズルを重畳し,放電電流がプラズマ流下流域まで染み出した際に,推力電力比が大きく向上することが実験的に明らかとなり,その放電電流分布と付随して生じる軸方向運動量増加に関して詳細な実験データを得た.その結果,放電電流と径方向磁場によるローレンツ力によってプラズマの高速回転が駆動されていることが明らかになった.この回転エネルギーが磁気ノズルによって軸方向の流れのエネルギーへと変換される可能性が示唆された.すなわち電流駆動型推進機においては放電電流によるプラズマ加速過程が重要な役割であることが示された.また低気圧領域にてMPD放電を誘起可能なヘリコンMPDスラスタにおける基礎実験では,中性粒子枯渇が生じることでプラズマ流へのドラッグ力が軽減され加速機構が維持されていることが明らかになった.
一方で無電極型のヘリコンスラスタにおいては,プラズマ中に自発的に生じる電子反磁性ドリフト電流と径方向磁場によるローレンツ力で推力が増加することが示された.すなわち当該方式では高周波電力と強く結合する電子エネルギーが,反磁性加速過程を経てプラズマの流れのエネルギーへと変換されることが示されたといえる.また比較的イオン温度が高いとされるVASIMR方式においては,周方向電流へのイオンの流れの効果が影響すると考えらえるため,現在二流体方程式を用いた詳細な解析を進めている.
以上の結果により最終年度において総合的な理解を達成するための基礎データが揃いつつあるといえる.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

パラメータ領域が大きく異なる異種スラスタに磁気ノズルを重畳し,それぞれの方式において支配的となる加速過程の解明が着実に進んでいる.最終年度において,これらの実験データを統合し,系統的な物理モデルを構築することが可能であると考えており,これらの状況を踏まえて,当該課題の研究はおおむね順調に進展しているといえる.

Strategy for Future Research Activity

最終年度である平成29年度には,MHD近似を用いた磁気ノズルMPDスラスタの推力モデル構築,二流体方程式を用いたヘリコンスラスタのモデル構築,また有限イオン温度の効果を導入したVASIMRモデル構築,さらにはMHDモデルと二流体モデルを接続する領域で動作可能なヘリコンMPD方式の推力モデルを構築することで,広範なパラメータ領域を包括する磁気ノズルスラスタモデルを構築し,大電力スラスタの開発に向けた学術的基盤を構築する.

  • Research Products

    (34 results)

All 2017 2016 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 6 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Australian National University(オーストラリア)

    • Country Name
      AUSTRALIA
    • Counterpart Institution
      Australian National University
  • [Journal Article] Thruster: Current-free plasma2017

    • Author(s)
      Kazunori Takahashi
    • Journal Title

      Encyclopedia of Plasma Technology

      Volume: - Pages: 1462 - 1473

    • DOI

      10.1081/E-EPLT-120053924

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Enhancement of axial momentum lost to the radial wall by the upstream magnetic field in a helicon source2017

    • Author(s)
      Kazunori Takahashi and Akira Ando
    • Journal Title

      Plasma Physics and Controlled Fusion

      Volume: 59 Pages: 054007-1 - 7

    • DOI

      10.1088/1361-6587/aa626f

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Thrust enhanced by a magnetic Laval nozzle in an applied-field magneto-plasma-dynamic thruster2016

    • Author(s)
      Hiroaki Nabuchi, Kiyotaka Suzuki, Yohei Kobayashi, Atsushi Komuro, Kazunori Takahashi and Akira Ando
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 11 Pages: 2406033-1 - 4

    • DOI

      10.1585/pfr.11.2406033

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Characteristics of a Large Diameter Radio-Frequency Negative Hydrogen Ion Source2016

    • Author(s)
      Yuko Sasaki, Sho Takayama, Haruhisa Nakano, Atsushi Komuro, Kazunori Takahashi, and Akira Ando
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 11 Pages: 2405088-1 - 4

    • DOI

      10.1585/pfr.11.2405088

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Experimental identification of an azimuthal current in a magnetc nozzle of a radiofrequency plasma thruster2016

    • Author(s)
      Kazunori Takahashi, Aiki Chiba, Atsushi Komuro, and Akira Ando
    • Journal Title

      Plasma Sources Science and Technology

      Volume: 25 Pages: 055011-1 - 8

    • DOI

      10.1088/0963-0252/25/5/055011

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Modifications of plasma density profile and thrust by neutral injection in a helicon plasma thruster2016

    • Author(s)
      Kazunori Takahashi, Yoshinori Takao, and Akira Ando
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 109 Pages: 194101-1 - 4

    • DOI

      10.1063/1.4967193

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] ヘリコンスラスタ中の高密度プラズマ生成に伴う軸方向運動量損失2017

    • Author(s)
      高橋和貴,鷹尾祥典,安藤晃
    • Organizer
      日本物理学会 第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学(大阪府,大阪市)
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] 発散磁場配下ヘリコンプラズマ中の高温電子発生特性2017

    • Author(s)
      赤星晃,高橋和貴,小室淳史,安藤晃
    • Organizer
      日本物理学会 第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学(大阪府,大阪市)
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] 磁気ノズル中の電子エネルギー分布と熱力学的特性2017

    • Author(s)
      高橋和貴, Christine Charles, Rod Boswell, 安藤晃
    • Organizer
      プラズマ流の基礎と応用に関する研究会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2017-03-02 – 2017-03-03
  • [Presentation] ラバール型磁気ノズル印加型MPDスラスタにおける電流密度分布と推力向上の関係性2017

    • Author(s)
      千葉大幹,名渕弘晃,大牟田佳輝,小室淳史,高橋和貴,安藤晃
    • Organizer
      平成28年度 宇宙輸送シンポジウム
    • Place of Presentation
      宇宙科学研究所 (神奈川県,相模原市)
    • Year and Date
      2017-01-19 – 2017-01-20
  • [Presentation] 大口径高周波水素負イオン源における Cs 添加と負イオン生成2016

    • Author(s)
      佐々木佑晃,増澤慶汰,小室淳史, 高橋和貴,安藤晃
    • Organizer
      平成28年度負イオン研究会
    • Place of Presentation
      核融合科学研究所 (岐阜県,土岐市)
    • Year and Date
      2016-12-26 – 2016-12-27
  • [Presentation] Plasma dynamics and momentum conversion in magnetic nozzle plasma thruster2016

    • Author(s)
      Kazunori Takahashi, Christine Charles, Rod Boswell, Trevor Lafleur, Amnon Fruchtman, Yoshinori Takao, and Akira Ando
    • Organizer
      13th Asia Pacific Physics Conference
    • Place of Presentation
      Brisbane, Australia
    • Year and Date
      2016-12-04 – 2016-12-08
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Approaching the Theoretical Limit of Diamagnetic-Induced Momentum in a Rapidly Diverging Magnetic Nozzle, PRL 110 (2013) 1950032016

    • Author(s)
      Kazunori Takahashi, Christine Charles, Rod Boswell
    • Organizer
      13th Asia Pacific Physics Conference
    • Place of Presentation
      Brisbane, Australia
    • Year and Date
      2016-12-04 – 2016-12-08
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ラバール型磁気ノズル印加型MPDスラスタにおける放電電流分布計測とプラズマ加速への効果2016

    • Author(s)
      名渕弘晃,千葉大幹,小室淳史,高橋和貴,安藤晃
    • Organizer
      第33回プラズマ核融合学会 年会
    • Place of Presentation
      東北大学 (宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-11-29 – 2016-12-02
  • [Presentation] 大口径高周波水素負イオン源におけるプラズマ生成評価2016

    • Author(s)
      佐々木佑晃,増澤慶汰,小室淳史, 高橋和貴,安藤晃
    • Organizer
      第33回プラズマ核融合学会 年会
    • Place of Presentation
      東北大学 (宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-11-29 – 2016-12-02
  • [Presentation] 高周波負イオンビーム源開発へ向けたフィラメント放電中RFシース生成・制御実験2016

    • Author(s)
      増澤慶汰,佐々木佑晃,高橋和貴,中野治久,永岡賢一, 小室淳史,安藤晃,津守克嘉
    • Organizer
      第33回プラズマ核融合学会 年会
    • Place of Presentation
      東北大学 (宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-11-29 – 2016-12-02
  • [Presentation] 磁気フィルタに起因する定在波ヘリコン励起と電子加熱2016

    • Author(s)
      高橋和貴, 高山頌, 小室淳史, 安藤晃
    • Organizer
      プラズマ核融合学会第33回年回
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-11-29 – 2016-12-02
  • [Presentation] 磁気ノズルヘリコンプラズマ中の高温電子発生・輸送特性2016

    • Author(s)
      赤星晃,高橋和貴,小室淳史,安藤晃
    • Organizer
      プラズマ核融合学会第33回年回
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-11-29 – 2016-12-02
  • [Presentation] ヘリコンMPDスラスタにおける中性粒子枯渇に伴う超音速プラズマ流誘起と制御2016

    • Author(s)
      橋詰太一郎,高橋和貴,小室淳史,安藤晃
    • Organizer
      プラズマ核融合学会第33回年会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-11-29 – 2016-12-02
  • [Presentation] 小型ヘリコンプラズマ源を用いた高速反応性シリコンエッチング2016

    • Author(s)
      仲野雄大,高橋和貴,小室淳史,安藤晃
    • Organizer
      プラズマ核融合学会第33回年会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-11-29 – 2016-12-02
  • [Presentation] Standing helicon induced by a rapidly bent magnetic field in plasmas2016

    • Author(s)
      Kazunori Takahashi, Sho Takayama, Atsushi Komuro, and Akira Ando
    • Organizer
      69th Annual Gaseous Electronics Conference
    • Place of Presentation
      Bochum, Germany
    • Year and Date
      2016-10-10 – 2016-10-14
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Neutral-depletion-induced asymmetric plasma density profile and momentum transport in a helicon thruster2016

    • Author(s)
      Kazunori Takahashi, Yoshinori Takao, Aiki Chiba, and Akira Ando
    • Organizer
      69th Annual Gaseous Electronics Conference
    • Place of Presentation
      Bochum, Germany
    • Year and Date
      2016-10-10 – 2016-10-14
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高周波水素負イオン源中の磁気フィルタによる定在波ヘリコン励起と電子加熱・冷却2016

    • Author(s)
      高橋和貴, 高山頌, 小室淳史, 安藤晃
    • Organizer
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      金沢大学(石川県,金沢市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] ヘリコンMPDスラスタにおける中性粒子枯渇に伴う超音速プラズマ流誘起2016

    • Author(s)
      橋詰太一郎,高橋和貴,小室淳史,安藤晃
    • Organizer
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      金沢大学(石川県,金沢市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] Effect of external magnetic field on a current density distribution in an Magneto-Plasma-Dynamic thruster2016

    • Author(s)
      千葉大幹,名渕弘晃,小室淳史,高橋和貴,安藤晃
    • Organizer
      平成28年度 電気関係学会東北支部連合大会
    • Place of Presentation
      東北工業大学(宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-08-30 – 2016-08-31
  • [Presentation] Characteristics of beam extraction in a Large-Diameter Radio-Frequency negative hydrogen ion source2016

    • Author(s)
      増澤慶汰,佐々木佑晃,小室 淳史, 高橋 和貴, 安藤 晃
    • Organizer
      平成28年度 電気関係学会東北支部連合大会
    • Place of Presentation
      東北工業大学(宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-08-30 – 2016-08-31
  • [Presentation] Effect of magnetic field structure on energetic electrons at a magnetic nozzle surface2016

    • Author(s)
      赤星晃,高橋和貴,小室淳史,安藤晃
    • Organizer
      平成28年度 電気関係学会東北支部連合大会
    • Place of Presentation
      東北工業大学(宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-08-30 – 2016-08-31
  • [Presentation] Neutral-depletion-induced generation of supersonic plasmas flow in a helicon magnetoplasmadynamic thruster2016

    • Author(s)
      橋詰太一郎,高橋和貴,小室淳史,安藤晃
    • Organizer
      平成28年度 電気関係学会東北支部連合大会
    • Place of Presentation
      東北工業大学(宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-08-30 – 2016-08-31
  • [Presentation] Neutral depletion effect on a helicon thurster performance2016

    • Author(s)
      Kazunori Takahashi, Yoshinori Takao, and Akira Ando
    • Organizer
      18th International Congress on Plasma Physics
    • Place of Presentation
      Kauhsiung, Taiwan
    • Year and Date
      2016-06-27 – 2016-07-01
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Plasma momentum imparted by a magnetic nozzle helicon plasma2016

    • Author(s)
      Kazunori Takahashi
    • Organizer
      18th International Congress on Plasma Physics
    • Place of Presentation
      Kauhsiung, Taiwan
    • Year and Date
      2016-06-27 – 2016-07-01
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Generation of a long-pulsed, high density, and supersonic plasma flow in a helicon magnetoplasmadynamic thruster2016

    • Author(s)
      Taichiro Hashizume, Kazunori Takahashi, Atsushi Komuro and Akira Ando
    • Organizer
      18th International Congress on Plasma Physics
    • Place of Presentation
      Kauhsiung, Taiwan
    • Year and Date
      2016-06-27 – 2016-07-01
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evaluation of plasma flow in a high power electrode-less plasma thruster under a divergent magnetic nozzle2016

    • Author(s)
      Takayoshi Ishiyama, Atsushi Komuro, Kazunori Takahashi, abd Akira Ando
    • Organizer
      18th International Congress on Plasma Physics
    • Place of Presentation
      Kauhsiung, Taiwan
    • Year and Date
      2016-06-27 – 2016-07-01
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 変形磁場の導入による定在波ヘリコンの励起2016

    • Author(s)
      高橋和貴,高山頌,小室淳史,安藤晃
    • Organizer
      電気学会プラズマ研究会
    • Place of Presentation
      岩手大学(岩手県,盛岡市)
    • Year and Date
      2016-05-26 – 2016-05-27

URL: 

Published: 2018-01-16  

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