Development of synchronous power processing unit with Hall thruster

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26289324
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 山本 直嗣 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (40380711)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: ホールスラスタ / 協調電源 / ニューラルネットワーク / プラズマ振動 / プラズマ計測

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の小惑星捕獲計画のメインエンジン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。そこで、本研究では、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。
ホールスラスタの放電振動と協調可能な電源を開発するために、印加する電圧波形の依存性を昨年に引き続き調査した。昨年は三角波やサイン波など、波の形を変えて計測したが、本年度は形だけでなく、大きさや周波数、duty比などの依存性を、様々な波形を出力するために精密電力増幅器を用いて印加し、電流波形や推力にどのように影響を当たるのかを調査した。結果として、最低電圧や最高電圧および最低電圧の時間比および繰り返しは系の周波数に推力やエネルギー変換効率は依存することがわかり、特に周波数はホールスラスタの電離不安性に基づく振動の周波数よりも少し高い周波数で励起したときに最も効率がよくなる事が明らかになった。得られた成果を元にボルテラエンジンの回路定数の最適化を行った。
これと並行して、ニューラルネットワークを用いたインテリジェンス電源の向上に取り組んだ。教師データの再現だけではなく、未知データの予測に最適な中間層の層数・ニューロン数、活性化関数の検討を行った。様々な層数、ニューロン数、活性化関数の未知データの予測精度についての比較を行い、比較的少ないデータ（70件）程度で層数も3層と深くなくても、ある程度の確度でデータを予想することが出来ることが分かった。さらに、データの次元が増える時間変化を組み込み、畳み込みニューラルネットワークを用いて低次元化し未来予測できる自己学習型の開発を行った。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Colorado State University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Colorado State University
• [Journal Article] Hall thruster development for Japanese space propulsion programs (2017)
  • Author(s): Yushi Hamada, Junhwi Bak, Rei Kawashima, Hiroyuki Koizumi, Kimiya Komurasaki, Naoji Yamamoto, Yusuke Egawa, Ikkoh Funaki, Shigeyasu Iihara, Shinatora Cho, Kenichi Kubota, Hiroki Watanabe, Kenji Fuchigami, Yosuke Tashiro, Yuya Takahata, Tetsuo Kakuma, Yusuke Furukubo, Hirokazu Tahara,
  • Journal Title: Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: accepted
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 5kW級ホールスラスタRAIJINの性能解析 (2017)
  • Author(s): 濱田 悠嗣, 朴 俊輝, 小紫 公也, 江川 雄亮, 山本 直嗣, 高畑 侑弥, 角間 徹生, 古久保 裕介, 田原 弘一
  • Journal Title: 日本航空宇宙学会論文集 Volume: 65 Pages: 82－86
  • DOI: http://doi.org/10.2322/jjsass.65.82
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Measurement of Aluminum Erosion Rate by Cavity Ring-Down Spectroscopy (2016)
  • Author(s): Atsushi Yamaguchi, Atsushi Kibe, Naoji Yamamoto, Taichi Morita, Hideki Nakashima
  • Journal Title: Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan Volume: 14 Pages: pb.111-pb.116
  • DOI: http://doi.org/10.2322/tastj.14.Pb_111
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Thrust Performance in a 5 kW Class Anode Layer Type Hall Thruster (2016)
  • Author(s): Naoji Yamamoto, Kohei Takase, Yuya Hirano, Kimiya Komurasaki, Akira Kakami, Ryudo Tsukizaki, Satoshi Hosoda, Hitoshi Kuninaka, Shigeru Yokota,
  • Journal Title: ransactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan Volume: 14 Pages: Pb_183-Pb_187
  • DOI: http://doi.org/10.2322/tastj.14.Pb_183
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thrust Performance in Hall Thruster with Pulsating Operation (2016)
  • Author(s): Naoji Yamamoto, Takumi Ito, Haruki Takegahara, Hiroki Watanabe, Taichiro Tamida, Hiroyuki Osuga
  • Journal Title: Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan Volume: 14 Pages: Pb_173-Pb_176
  • DOI: http://doi.org/10.2322/tastj.14.Pb_173
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] ホールスラスタの制御におけるニューラルネットワークの適用可能性 (2017)
  • Author(s): 淵上太貴，江川雄亮，森田太智，山本直嗣
  • Organizer: 日本本航空宇宙学会 第５７回航空原動機・宇宙推進講演会
  • Place of Presentation: 沖縄県市町村自治会館、沖縄
  • Year and Date: 2017-03-09 – 2017-03-10
• [Presentation] 電気推進機のプルーム領域の物理量計測 (2017)
  • Author(s): 岩本政隆，山本直嗣，森田太智，中島秀紀
  • Organizer: 日本本航空宇宙学会 第５７回航空原動機・宇宙推進講演会
  • Place of Presentation: 沖縄県市町村自治会館、沖縄
  • Year and Date: 2017-03-09 – 2017-03-10
• [Presentation] Optimization of the Voltage Waveform Applied to a Hall Thruster (2016)
  • Author(s): Tomohiro Ichimaru
  • Organizer: 18th Cross Straits Symposium
  • Place of Presentation: 上海、中華人民共和国
  • Year and Date: 2016-12-04 – 2016-12-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Magnetic Field Configuration and Anode configuration on 5 kW Class Anode layer type Hall thruster (2016)
  • Author(s): Yusuke Egawa, Naoji Yamamoto, Kohei Takase, Hirotaka Fuchigami, Taichi Morita,Hideki Nakashima,Kimiya Komurasaki, Yushi Hamada
  • Organizer: 67th International Astronautical Congress
  • Place of Presentation: Guadalajara, Mexico
  • Year and Date: 2016-09-26 – 2016-09-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of Electron and Neutral Atom Density Downstream of an Electric Propulsion (2016)
  • Author(s): Naoji Yamamoto , Masataka Iwamoto , Taichi Morita and Hideki Nakashima
  • Organizer: 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference,
  • Place of Presentation: Salt Lake City, USA
  • Year and Date: 2016-07-25 – 2016-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] ホールスラスタ
  • URL: http://art.aees.kyushu-u.ac.jp/research/Hall/Hall_j.html