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2014 Fiscal Year Annual Research Report

有人将来深宇宙ミッションへ向けた高出力MPDスラスタシステムの研究

Research Project

Project/Area Number 26289328
Research InstitutionJapan Aerospace Exploration Agency

Principal Investigator

船木 一幸  独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (50311171)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 堀澤 秀之  東海大学, 工学部, 教授 (30256169)
奥野 喜裕  東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (10194507)
Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywords航空宇宙工学 / プラズマ・核融合 / 宇宙機推進 / MPDアークジェット / 有人惑星探査
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、有人火星ミッション等の大型深宇宙探査機の主推進を担う100Nクラス電磁プラズマ力学(MPD)スラスタシステムについて、その基本設計を得ることである。このクラスのMPDスラスタは、過去に試験されたことが無いことから、世界最高出力の電気推進を目指すこととなる。本研究では、スラスタ実験設備建設に必要な大規模な初期投資を回避するため、スラスタ内の物理現象や関連機器の特性をモデルで評価し、これらに基づいて推進システム性能を最適化する「モデルベース設計」の手法を導入する。平成26年度は、MPDスラスタシステム設計のために必要な電磁流体、熱構造、電源等システムの各要素のモデルを構築し、モデルベース設計を実施した。MPDスラスタ内の電磁流体現象を解析するMHDコードは、推力・推進性能等を算出する放電プラズマ(電磁流体)解析コード、電極への熱流束を推定するシース熱伝達モデルと、熱構造解析コードから構成され、解析ツール全体を反復利用することで、熱構造的に妥当で性能の高いスラスタ形状を求める。また、解析モデルの検証を行うための実験室実験の一部を実施した。MWクラスの定常運転はJAXA宇宙科学研究所の全消費電力に相当するなど現実的ではないため、放電時間が約1msのパルス状運転により推力・推進性能評価を行った。この試験では、20kAまでの大電流をコンデンサバンク(PFN)から供給して振り子式推力スタンドにて推力等を取得し、典型的な性能値としては、アルゴンを推進剤とした場合は1.1MWの投入電力に対して推力26N、比推力1500秒、効率18%が得られ、水素を推進剤とした場合は1.3MWの投入電力に対して推力19N、比推力4900秒、効率37%が得られた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

MPDスラスタの数値設計、スラスタの製作ならびに実験評価の全てにおいて、想定どおりの成果が得られているため。

Strategy for Future Research Activity

27年度は、各モデルの実験検証等を通したチューニングと、全体性能評価ツールの構築を行う。まず、スラスタの推進性能や熱・電極損耗等ついては、スケールモデル実験結果とモデル計算結果との比較によって、各モデルの精度向上をはかる。推進性能評価のための時間スケールモデル実験については、動作時間が1ミリ秒の間の瞬間的な温度分布の計測を実施することで、スラスタ熱伝達モデルの検証をはかる。この他、スラスタの実機用電源や水素供給系、放熱パネル等のサブシステム要素についても評価モデルを作成するが、水素については長期の低温保存技術が確立していないことから、アルミと水の反応を利用した生成法、水素をメチルシクロヘキサンという化学物質の形態で貯蔵する技術など、幾つかの方法についてトレードオフを行い、重量特性等データをモデル化する。また、最も有望な方式については、試作実験を実施する。このように各要素モデルをとりまとめることで、スラスタ解析モデルとサブシステムモデルとを統合したモデルによる設計を実施する。その際は、解析プロセスをできるだけ自動化し、深宇宙機へ適合する大電力スラスタシステム全体の最適設計を行う。
また、28年度は、最適なスラスタシステムを宇宙機推進システムの設計図としてまとめる予定である。

Causes of Carryover

スラスタ製作ならびに計測系の調達工夫により、当初計画より経費の節約が出来たため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

試験系の改良ならびにスラスタ改良に使用。

  • Research Products

    (12 results)

All 2015 2014

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (10 results)

  • [Journal Article] MHD Simulation and Thermal Design of an MPD Thruster2014

    • Author(s)
      Akira KAWASAKI, Kenichi KUBOTA, Ikkoh FUNAKI, Yoshihiro OKUNO
    • Journal Title

      Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan

      Volume: Vol.12, No.ists29 Pages: Pb_19-Pb_25

    • DOI

      10.2322/tastj.12.Pb_19

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thrust Measurement of Magnetoplasma Sail in Laboratory Experiment2014

    • Author(s)
      Yuya OSHIO, Kazuma UENO, Ikkoh FUNAKI, Hiroshi YAMAKAWA
    • Journal Title

      Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan

      Volume: Vol.12, No.ists29 Pages: Pb_45-Pb_51

    • DOI

      10.2322/tastj.12.Pb_45

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 大電力MPDスラスタの数値設計-大電力MPDスラスタの設計ツール開発と実験的検証-2015

    • Author(s)
      船木一幸,窪田健一,上野一磨,大塩裕哉,池山卓,奥野喜裕,川﨑央,堀澤秀之,宮崎兼治,安藤晃,高橋和貴
    • Organizer
      大型 In-space propulsion ワークショップ
    • Place of Presentation
      筑波
    • Year and Date
      2015-03-05 – 2015-03-05
  • [Presentation] 深宇宙探査用宇宙推進機とその要求2015

    • Author(s)
      船木一幸
    • Organizer
      テクノ・シンポジウム名大,極超音速燃焼デトネーションの航空宇宙推進機への応用シンポジウム
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Year and Date
      2015-03-04 – 2015-03-04
  • [Presentation] パルス作動MPDスラスタの放電室形状最適化に向けた研究2015

    • Author(s)
      後藤拓也,中根昌克,石川芳男,窪田健一,船木一幸
    • Organizer
      平成26年度宇宙輸送シンポジウム
    • Place of Presentation
      相模原
    • Year and Date
      2015-01-15 – 2015-01-16
  • [Presentation] 電極現象を考慮したMPDスラスタの電磁流体シミュレーション2014

    • Author(s)
      川崎央, 窪田健一, 船木一幸, 奥野喜裕
    • Organizer
      第58回宇宙科学技術連合講演会
    • Place of Presentation
      長崎
    • Year and Date
      2014-11-12 – 2014-11-14
  • [Presentation] Numerical Simulation of Plasma Flow in a Self-field MPD Thruster Coupled with Electrode Sheath2014

    • Author(s)
      A. Kawasaki, K. Kubota, I. Funaki, Y. Okuno
    • Organizer
      AIAA Propulsion and Energy
    • Place of Presentation
      Cleveland, United States
    • Year and Date
      2014-07-28 – 2014-07-30
  • [Presentation] Experimental Investigation of Magnetoplasma Sail with High Beta Plasma Jet2014

    • Author(s)
      Y. Oshio, I. Funaki, K. Ueno, H. Yamakawa
    • Organizer
      AIAA Propulsion and Energy
    • Place of Presentation
      Cleveland, United States
    • Year and Date
      2014-07-28 – 2014-07-30
  • [Presentation] Analysis of Self-field MPD Thrusters for Designing a Megawatt-class In-space Propulsion System2014

    • Author(s)
      I. Funaki, K. Kubota, A. Kawasaki, Y. Okuno, K. Miyazaki, S. Takenaka, H. Horisawa
    • Organizer
      AIAA Propulsion and Energy
    • Place of Presentation
      Cleveland, United States
    • Year and Date
      2014-07-28 – 2014-07-30
  • [Presentation] 電極現象を考慮した電磁流体シミュレーションによるMPDスラスタの性能予測2014

    • Author(s)
      川崎央,窪田健一,船木一幸,奥野喜裕
    • Organizer
      第46回流体力学講演会/第32回航空宇宙シミュレーション技術シンポジウム
    • Place of Presentation
      弘前
    • Year and Date
      2014-07-03 – 2014-07-04
  • [Presentation] MPDアークジェットを用いたプラズマ風洞のプラズマ流計測2014

    • Author(s)
      大塩裕哉,上野一磨,堀江優之,船木一幸
    • Organizer
      第46回流体力学講演会/第32回航空宇宙シミュレーション技術シンポジウム
    • Place of Presentation
      弘前
    • Year and Date
      2014-07-03 – 2014-07-04
  • [Presentation] 1MW級準定常自己誘起磁場型MPDスラスタのプルーム計測2014

    • Author(s)
      武中駿,宮崎兼治,船木一幸,堀澤秀之
    • Organizer
      日本航空宇宙学会年会講演会
    • Place of Presentation
      東京大学 山上会館
    • Year and Date
      2014-04-10 – 2014-04-11

URL: 

Published: 2016-06-01  

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