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
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26247096
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
安藤 晃 東北大学, 工学研究科, 教授 (90182998)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | プラズマ・核融合 / 惑星探査 / 磁気ノズル / 電気推進 |
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| 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．
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| 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.
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| 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．
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