2015 Fiscal Year Annual Research Report
Study of MPD Thruster System for Future High-power Space Explorations
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26289328
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
船木 一幸 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, 准教授 (50311171)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
奥野 喜裕 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 教授 (10194507)
堀澤 秀之 東海大学, 工学部, 教授 (30256169)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| 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 |
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| 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。
MPDスラスタでは、高温高密度プラズマと放電室壁面が直接接することから、プラズマからスラスタ本体への入熱が非常に大きくなり、スラスタからの排熱が課題となる。このため、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連結された解析ツールによりスラスタ形状を予測・設計するが、本年度は解析モデルの検証を行うための実験室実験を実施した。解析モデルによる予測は、振り子式推力スタンドによって計測された推力特性と良い一致が示されたが、推進性能評価に必要な投入電力評価の差異に有意な誤差が発生した。これは、電極近傍のシースと呼ばれる領域における投入電力量またはシース領域における降下電圧の予測モデル精度が不十分であるか、あるいは、性能評価を実施している短パルス試験形態においては、電極温度が十分に上昇していないことが予想された。
なお、MPDスラスタの動作には1MW（メガワット）という非常に大きな投入電力が必要となり現実的では無いことから、本研究における推進特性評価は、1ms（ミリ秒）程度の短パルス実験にて実施している。短パルス試験形態における電極温度計測を実施したところ、負側の電極（陰極）部先端領域における高温領域と、先端部から離れた位置における低温領域とが観測され、陰極部位にて温度平衡には達しておらず、温度勾配が発生していることが確認された。
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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
MPDスラスタの設計と製作、ならびに実験評価におけて、順調に成果が得られているため。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。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ったうえで、最適なスラスタシステム示し、を宇宙機推進システムの設計としてまとめる。
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| Causes of Carryover |
平成27年１０月に、有人火星探査機の主推進を担う100Nクラス電磁プラズマ力学（MPD)スラスタの短時間試験（動作時間が1ミリ秒）結果を解析したところ、当初の予想に反し、スラスタ電極表面の非定常でかつ局所的に
高温な温度分布が観測された。
新たな知見を得た事により、更に長時間に渡る実験にて現象の本質を見極める事が不可欠であることから、1秒程度の連続動作が可能な実験を新たに実施する必要が生じたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
有人火星探査機の主推進を担う100Nクラス電磁プラズマ力学（MPD)スラスタの短時間試験（動作時間が1ミリ秒）装置を、1秒程度の連続動作が可能な試験形態へと変更する為の、真空排気・冷却装置を設計製作する。また、これに付随する実験を行う。
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