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粒子シミュレーションによる磁気プラズマセイルの推力解析

研究課題

研究課題/領域番号 12J01626
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 航空宇宙工学
研究機関京都大学

研究代表者

芦田 康将  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2012 – 2014-03-31
研究課題ステータス 採択後辞退 (2013年度)
配分額 *注記
2,000千円 (直接経費: 2,000千円)
2013年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2012年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワード磁気セイル / 磁気プラズマセイル / HPC / Full-PIC / Flux-Tube / 小型磁気圏
研究概要

本研究では次世代宇宙推進システムである磁気セイル・磁気プラズマセイルの推力特性を明らかにし、さらなる推力向上を図ることを目的としている。磁気セイルは太陽から流れ道す高速のプラズマ流である太陽風を衛星から発生させた磁場で推力へ変換し、磁気プラズマセイルでは少量のプラズマ噴射によって磁場を拡大することによってさらに大きな椎力を得ることを目指している。まず、3次元のFull-PICシミュレーションを京コンピュータ(若手人材育成課題hp120084)の利用により大規模に実施することで、実システムとして想定された数100mから数kmの磁気帆を展開する磁気セイルの推力発生を実証することができ、推力がコイル磁気モーメント・太陽風密度・太陽風速度にそれぞれ比例することを明らかにした。次に、磁気プラズマセイルの推力増加のパラメータサーベイを実施した。磁気プラズマセイルの小型実証機を想定した典型的なケースでは、プラズマ噴射なしの場合の0.07mNからプラズマ噴射ありの1.0mNへと推力が約14倍に増加したのに対し、パラメータの最適化により最人で97倍の推力増加が得られることが明らかになった。また、プラズマ噴射の速度、温度、流最、位置などによって推力増加の特性だけでなく、比推力(燃費)・推力重量比(加速度)・推力電力比といった推進性能も人きく影響を受けることが明らかとなった。その結果、上記3つの推進性能にはトレード・オフの関係がありミッションに応じたパラメータの設定が必要であることが明らかになったまた磁気プラズマセイルによって、より大きな加速を得るためには搭載する超伝導コイルシステムを展開するなど新しい技術の開発が必要であることが明らかとなった。最後に、上記で述べたような推力特性を反映させ、ミッションの検討を行った。現行の技術で建造ができる磁気セイルでは太陽-地球系のラグランジュ点付近での軌道保持が、磁気プラズマセイルでは金星や水星のような内惑星探査が可能となり、既存推進システムに対しても優位と成ることを明らかにした。これらの成果については、アメリカ航空宇宙学会の論文誌2編への投稿を行った。

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

報告書

(2件)
  • 2013 実績報告書
  • 2012 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2014 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (10件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Two-Dimensional Particle-in-Cell Simulation of Magnetic Sail2014

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Ashida
    • 雑誌名

      Journal of Propulsion and Power

      巻: 30 号: 1 ページ: 233-245

    • DOI

      10.2514/1.b34692

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thrust Evaluation of Small-scale Magnetic Sail Spacecraft by Three-Dimensional Particle-in-Cell Simulation2014

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Ashida
    • 雑誌名

      Journal of Propulsion and Power

      巻: 30 号: 1 ページ: 186-196

    • DOI

      10.2514/1.b35026

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of Small-Scale Magneto Plasma Sail and Propulsive Characteristics2014

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Ashida
    • 雑誌名

      ISTS special issue

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thrust Evaluation of a Magnetic Sail by Flux-Tube Model2012

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Ashida
    • 雑誌名

      Journal of Propulsion and Power

      巻: 28 号: 3 ページ: 642-651

    • DOI

      10.2514/1.b34332

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Propulsive characteristics of Magneto Plasma Sail on electron inertial scale2014

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Ashida
    • 学会等名
      Asian Joint Conference on Propulsion and Power 2014
    • 発表場所
      Jeju, Korea
    • 年月日
      2014-03-07
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Full Kinetic Analysis of Small-scale Magneto Plasma Sail in Magnetized Solar Wind2013

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Ashida
    • 学会等名
      33rd International Electric Propulsion Conference
    • 発表場所
      Washington D.C., U.S.
    • 年月日
      2013-10-08
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 大規模プラズマ全粒子シミュレーションによる磁気プラズマセイルの推力検討2013

    • 著者名/発表者名
      芦田康将
    • 学会等名
      第45回流体力学講演会/航空宇宙数値シミュレーション技術シンホジウム2013
    • 発表場所
      タワーホール船堀, 東京
    • 年月日
      2013-07-05
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Analysis of Small-Scale Magneto Plasma Sail and Propulsive Characteristics2013

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Ashida
    • 学会等名
      29th International Symposium on Space Technology and Science
    • 発表場所
      Nagoya Congress Center, Aichi, Japan
    • 年月日
      2013-06-07
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 磁気プラズマセイル宇宙機開発のための3次元プラズマ粒子シミュレーションによる推力特性の解明2013

    • 著者名/発表者名
      芦田康将
    • 学会等名
      「京」を中核とするHPCIシステム利用研究課題中間報告会
    • 発表場所
      イイノカンファレンスセンター(東京都)
    • 年月日
      2013-03-14
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 粒子シミュレーションによる磁気プラズマセイルの推力解析2013

    • 著者名/発表者名
      芦田康将
    • 学会等名
      RISH電波科学計算機実験シンポジウム
    • 発表場所
      京都大学(京都府)
    • 年月日
      2013-03-08
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 小型磁気セイルの推力特性の数値解析と推力増加に向けた検討2013

    • 著者名/発表者名
      芦田康将
    • 学会等名
      第53回航空原動機・宇宙推進講演会
    • 発表場所
      倉敷市芸文館(岡山県)
    • 年月日
      2013-03-05
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 3次元プラズマ全粒子シミュレーションによる磁気プラズマセイルの推力解析2012

    • 著者名/発表者名
      芦田康将
    • 学会等名
      第56回宇宙科学技術連合講演会
    • 発表場所
      別府国際コンベンションセンター(大分県)
    • 年月日
      2012-11-22
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Two- and Three-dimensional Particle-ln-Cell Simulation of Magneto Plasma Sail2012

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Ashida
    • 学会等名
      63rd International Astronautical Congress
    • 発表場所
      Mostra d'Oltremare (イタリア)
    • 年月日
      2012-10-05
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 磁気プラズマセイル開発に向けたプラズマ粒子シミュレーションコードの高速化2012

    • 著者名/発表者名
      芦田康将
    • 学会等名
      第44回流体力学講演会/航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
    • 発表場所
      富山国際会議場(富山県)
    • 年月日
      2012-07-06
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      http://www.rish.kyoto-u.ac.jp/space/people/ashida/

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書

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公開日: 2013-04-25   更新日: 2024-03-26  

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