2014 Fiscal Year Annual Research Report
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26289324
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
山本 直嗣 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (40380711)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中島 秀紀 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (60112306)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 推進・エンジン / プラズマ / ホールスラスタ / 放電振動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電気推進の一つであるホールスラスタは，人工衛星の小型化および高機能化を強力に推進するため，NASAの小惑星タッチダウン計画のメインエンジンの候補に挙げられるなど，各国で競って研究開発が進められている．ホールスラスタの克服すべき課題として，放電振動が挙げられる．この放電振動現象に関して，振動の抑制から振動との協調へと発想の転換を行い，本放電振動を許容しつつも制御可能な電源を開発し，放電振動の制御を目指した電源を開発すべく，ホールスラスタのモデル化や協調電源の推進性能に及ぼす影響を調査した．
協調電源の開発のためには，負荷であるホールスラスタの電気的特性を把握する必要がある．そこで，バイポーラ-電源を用いて，DCの重畳された正弦波や矩形波を印加し，重畳された波の大きさや時間幅，周波数と，放電インピーダンスの関係を周波数特性分析器によって調査した．LC共振系を交流駆動する場合と類似の特徴が現れていることが分かった．すなわち，スラスタは周波数が低い時はC負荷として振る舞い，結果として電流の位相が進み，一方，周波数が高いとL負荷となり，電流の位相が遅れる．このように，LC共振系としてホールスラスタのモデル化出来る事が明らかになった．
次に協調電源の推進性能に及ぼす影響を調査した．すなわち，協調電源の駆動周波数やコンデンサ容量などの回路定数を変化させて，推進性能やエネルギー分布関数，ビーム発散角などの調査を行った． 従来の直流安定化電源と協調電源を比較すると，最大で推力40 %，推力電力比20 %，効率55 %の性能向上を確認した．また，ビーム発散角はほとんど変化しておらず9-10°の値を得た． また，イオンの平均エネルギーが上昇することを確認した．
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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
平成26年度は放電振動を許容しつつも制御可能な協調電源を開発すべく，ホールスラスタのモデル化や協調電源の推進性能に及ぼす影響を調査する計画を立てた．
そこで，バイポーラ-電源を用いて，DCの重畳された正弦波や矩形波を印加し，重畳された波の大きさや時間幅，周波数と，放電インピーダンスの関係を周波数特性分析器によって調査し，ホールスラスタはLC共振系を交流駆動する場合と類似の特徴が現れていることが分り，モデル化できた．
また、協調電源の推進性能に及ぼす影響を調査した結果、従来の直流安定化電源比較すると，最大で推力40 %，推力電力比20 %，効率55 %の性能向上を確認し，ビーム発散角は9-10度とほとんど変化しないことが確認できた．
このように、当初の計画通りモデル化および推進性能に関する影響の調査が完了したため，概ね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
協調可能な電源の改良において，回路モデルの妥当性の検証やホールスラスタの性能への影響の物理的な背景を解明する必要がある．これらは，ホールスラスタのイオンの生成・加速領域のプラズマ状態と密接に関わっているため，これらの計測が必要である．すなわち，ホールスラスタのイオン生成／加速領域のプラズマの2次元空間分布を数十kHzの放電振動と同期させて，なおかつプラズマに擾乱を与えずに計測する必要がある．
そこで本年度はプラズマ密度の2次元空間分が計測可能なシステムを構築する．構築したシステムを用いてホールスラスタ下流のプラズマ状態の計測を行い，システムの検証とする．十分な精度が得られるように，プローブ光のシート化や，複数のファイバの導入により効率のいい空間計測を行うと共に計測精度の向上に努める．
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| Causes of Carryover |
研究室所有の電力増幅器はカタログスペック的には足りなかったが，実際に実験をして試したところ，問題なく作動した。一方，研究遂行に必要不可欠な高繰り返し高強度レーザーは平成27年度補助金配分額の範囲内では収まらず，このままでは計画通りの研究遂行が出来ない可能性があった．
そこで，本年度は高速バイポーラ電源の購入を見送り，次年度のレーザー購入にあてるように判断したため，次年度使用額が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
プラズマ密度の2次元空間分を測定可能にするナノ秒パルスレーザーに使用する．研究提案当初に購入予定であったレーザーのスペックよりは落ちるため測定の効率は落ちるが予算内に収まるレーザーを用いてレーザートムソン散乱計測を行い，プラズマ密度を計測し，回路モデルの妥当性の検証やホールスラスタの性能への影響の物理的な背景を解明する．
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[Presentation] Thrust Performance in a 5 kW Class Anode Layer Type Hall Thruster2015
Author(s)
Naoji Yamamoto, Kohei Takase, Akira kakami, Yuya Hirano, Kimiya Komurasaki, Ryudo Tsukizaki, Satoshi Hosoda, Hitoshi Kuninaka, Shigeru Yokota
Organizer
30th International Symposium on Space Technology and Science (ISTS), 34th International Electric Propulsion Conference (IEPC) & 6th Nano-Satellite Symposium(NSAT)
Place of Presentation
神戸国際会議場
Year and Date
2015-07-04 – 2015-07-10
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[Presentation] Thrust Performance in Hall thruster with pulsating operation2015
Author(s)
Naoji Yamamoto, Takumi Ito, Haruki Takegahara, Hiroki Watanabe, Kyoichi Kuriki, Taichiro Tamida, Hiroyuki Osuga
Organizer
30th International Symposium on Space Technology and Science (ISTS), 34th International Electric Propulsion Conference (IEPC) & 6th Nano-Satellite Symposium(NSAT)
Place of Presentation
神戸国際会議場
Year and Date
2015-07-04 – 2015-07-10
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