• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

大気吸入電気推進システム実現のための表面微細構造を利用した分子流圧縮インテーク

研究課題

研究課題/領域番号 22K18859
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分24:航空宇宙工学、船舶海洋工学およびその関連分野
研究機関神戸大学

研究代表者

田川 雅人  神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10216806)

研究分担者 横田 久美子  神戸大学, 工学研究科, 助手 (20252794)
研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2024年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワードVLEO / 原子状酸素 / 超低軌道宇宙環境 / イオンエンジン / 大気圧縮 / インテーク / 超低軌道 / 大気吸入 / 分子流 / 圧縮インテーク
研究開始時の研究の概要

本申請では申請者が長年にわたり研究してきた超低高度大気環境地上シミュレーション技術と固体表面・分子線相互作用の知識と経験をベースとして、世界的に開発競争が激化している大気吸入イオンエンジン(ABIE)のキーテクノロジーである高圧縮率インテークに求められる非等方的な散乱特性を表面微細加工により実現し、その試作・評価・宇宙実証までを行う。

研究実績の概要

本申請は超低軌道用電気推進システムとして理想的な大気吸入イオンエンジン(ABIE)実現のキーテクノロジーである高圧縮インテークを世界で初めて実現しようとするものである。ABIEにおいて要求される高圧縮インテークは、分子流領域で分子の逆流を防ぐことが要求されており、通常の流体力学では解決が不可能な命題である。分子流領域では分子/固体表面間の散乱過程を制御することが唯一の方法となる。そこで、固体表面原子の種類、平滑度(表面粗さ・うねり)、表面構造、等ポテンシャル面形状を最適設計することにより非等方的な散乱特性を実現するアイデアを理論的・実験的に検証する。
研究2年目であるFY2023年度には、前年度に引き続き、実験的アプローチとして微細加工で試作したサンプル表面での散乱分布特性を分子線散乱実験装置を用いた実測と、計算的なアプローチとして実験的に計測した散乱特性を組み込んだDSMC計算コードの構築と計算を実施した。その結果、ピッチを0.1mmに拡大した微細加工表面でも圧縮性能を期待できる異方性散乱特性が発現することが明らかになり、大幅に製作コストを低減できることが明らかになった。さらに2024年度 2Qに観測ロケットS-310 46号機での圧縮インテーク評価実証機会を確保できたことから、この機会を利用して観測ロケットの大気密度計測装置に高圧縮インテークを実装し、その宇宙実証と地上試験結果との整合性を確認するためのシステム設計と開発を行った。現在、フライト品の制作と評価を行っている。この宇宙実証機会を利用して、超低軌道での理想的な推進器とされる大気吸入電気推進システム実現のキーテクノロジーとされる高圧縮インテークについて、表面科学の知見に立脚した設計・地上評価技術の開発から宇宙実証まで含めた総合的な研究開発を可能にすることができた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

ABIEにおいて要求される高圧縮インテークは、分子流領域で分子の逆流を防ぐことが要求されており、通常の流体力学では解決が不可能な命題である。分子流領域では分子/固体表面間の散乱過程を制御することが唯一の方法となる。そこで、固体表面原子の種類、平滑度(表面粗さ・うねり)、表面構造、等ポテンシャル面形状を最適設計することにより非等方的な散乱特性を実現するアイデアを理論的・実験的に検証することを第1目標とし、応用を見据えた大面積化を実現する方法についても検討を行った。FY2023年度では、ダイヤモンド加工によって表面微細構造を形成したアルミニウム表面での熱速度での原子散乱を実測するとともに、ABIEインテークに応用するための大面積化に対応できる転写法の開発を行った。その結果、転写法で形成した表面でもダイヤモンド加工表面と同様の散乱分布を実現することに成功し、異方性散乱表面のABIEインテークへの適用(大面積化)が現実的になった。さらにABIE後端に装備される反射板の設計を最適化するために、3Dプリンティングで形成した微細構造表面の散乱分布を測定した結果、入射角によらず法線方向への散乱強度が大きい構造であることが確認され、インテーク逆流を抑制できる可能性が示された。ABIE用高圧縮インテークの軌道上評価として、観測ロケットS310-46号機に圧縮インテークを搭載し、フライト中のインテークの圧縮効果を測定できるシステム開発を実施し、艤装設計、振動試験、衝撃試験、風洞試験をほぼ終了することができた。

今後の研究の推進方策

FY2024年度以降には、各々のサブテーマごとに直面する課題にアプローチする。
まず実験的には、分子散乱に方向性を有するダイオード的な振る舞いをする表面を実現したのに続き、固体表面原子の種類、表面構造等を最適設計する。また3Dプリンティングで製作した反射面の実装方法などを散乱実験とDSMC計算で評価する予定である。さらにレーザー装置が復帰したのちにのは衛星軌道と同じ相対速度を持つ超熱速度ビームでの実験も実施する予定である。一方、計算的なアプローチとしては、FY2022に達成したCLLモデルを適用したDSMCコードと、従来のマクスウェル反射モデルを比較するとともに、地上風洞による実験的評価を行う予定である。FY2024年度2Qに実施予定の観測ロケットS-310-46号機での圧縮インテークフライト実証実験については、JAXA観測ロケットチームと協力して、今後の電気的かみ合わせ試験、打ち上げに向けて計画を確実に進めて行く。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 学会発表 (17件) (うち国際学会 11件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [学会発表] Real-time Observation of Polyimide Erosion in Very Low Earth Orbit (VLEO) and Its Impact on Space Environmental Effect on Materials2023

    • 著者名/発表者名
      Masahito Tagawa, Kumiko Yokota, Atsushi Fujita, Wataru Ide, Towa Ushijima, Koki Yao, Sasuga Horimoto, Santa Nishioka, Kaichi Nakayama, Yuta Tsuchiya, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Eiji Miyazaki, Yugo Kimoto
    • 学会等名
      2023 MRS Spring Meeting & Exhibit
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Atomic-oxygen-induced Microstructures Formed on Hydrocarbon Polymer Films2023

    • 著者名/発表者名
      Aki Goto, Takashi Tanji, Masahito Tagawa, Koji Michishio, Toshitaka Oka, Shinichi Yamashita
    • 学会等名
      2023 MRS Spring Meeting & Exhibit
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High compression intake system for air breathing ion engine using anisotropic molecular scattering property of intake surfaces2023

    • 著者名/発表者名
      Koki Sugimoto, Kosuke Shoda, Kazuki Itatani, Keisuke Ezaki, Yusaku Ashida, Koki Murata, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Yusuke Yamashita, Kazutaka Nishiyama
    • 学会等名
      34th International Symposium on Space Technology and Science
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A high compression intake system for air breathing ion engine2023

    • 著者名/発表者名
      Koki Murata, Keisuke Ezaki, Kosuke Shoda, Kazuki Itatani, Yusaku Ashida, Koki Sugimoto, Yusuke Yamashita, Kazutaka NIshiyama, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
    • 学会等名
      34th International Symposium on Space Technology and Science
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A design of pressure gauge for sounding rocket experiment2023

    • 著者名/発表者名
      Rintaro Atsuta, Shoma Taira, Taiga Adachi, Yusuke Yamashita, Takashi Ozawa, Takumi Abe, Yoshinori Nakayama, Nanami Tobita, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
    • 学会等名
      34th International Symposium on Space Technology and Science
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Atomic oxygen density variation measured by SLATS/AOFS: Comparison of flight data and atmospheric model predictions2022

    • 著者名/発表者名
      Masahito Tagawa, Kumiko Yokota, Atsushi Fujita, Wataru Ide, Yasunobu Miyoshi, Yuta Tsuchiya, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Eiji Miyazaki, Yugo Kimoto
    • 学会等名
      15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment,
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] N2-acceleration effect on atomic oxygen-induced polyimide erosion in sub-LEO observed by SLATS/AOFS2022

    • 著者名/発表者名
      Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Wataru Ide, Atsushi Fujita, Sasuga Horimoto, Santa Nishioka, Keisuke Ezaki, Yuta Tsuchiya, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Eiji Miyazaki, Yugo Kimoto
    • 学会等名
      15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment,
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Shielding effect of atomic oxygen by satellite structure observed on SLATS and its compensation for material exposure experiment2022

    • 著者名/発表者名
      Masahito Tagawa, Kumiko Yokota, Wataru Ide, Atsushi Fujita, Shohei Urakawa, Yuta Tsuchiya, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Eiji Miyazaki, Yugo Kimoto
    • 学会等名
      15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment,
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Space polymers erosion in simulated LEO and VLEO environments2022

    • 著者名/発表者名
      Zilina Iskanderova, Jacob Kleiman, Masahito Tagawa, Santa Nishioka, Sasuga Horimoto
    • 学会等名
      15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment,
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Perspective on Atomic Oxygen Reaction with Thermal Control Materials in Space2022

    • 著者名/発表者名
      Masahito Tagawa, Kumiko Yokota
    • 学会等名
      13th Asian Thermophysical Properties Conference
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of atmospheric density measurement system for the experiment by sounding rocket S-520-322022

    • 著者名/発表者名
      Shoma Taira, Taishi Kato, Momoka Shimoi, Taiga Adachi, Yusuke Yamashita, Takashi Ozawa, Takumi Abe, Yoshinori Nakayama, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
    • 学会等名
      13th Asian Thermophysical Properties Conference
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 観測ロケットによる中性大気密度直接計測の試み2022

    • 著者名/発表者名
      足立泰雅、加藤大志、平翔馬、山下裕介、小澤宇志、中山宜典、飛田奈々美、阿部琢美、横田久美子、田川雅人
    • 学会等名
      日本熱物性シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 観測ロケットS520-32号機による中性大気密度計測実験2022

    • 著者名/発表者名
      平翔馬、加藤大志、足立泰雅、山下裕介、小澤宇志、中山宜典、飛田奈々美、阿部琢美、横田久美子、田川雅人
    • 学会等名
      第66回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 大気吸入イオンエンジンを装備した大気抵抗低減衛星モデルの検討2022

    • 著者名/発表者名
      芦田優作、田川雅人、横田久美子、加納直起、板谷一輝、庄田光佑、江﨑啓介、杉本紘基、西山和孝、小澤宇志、山下裕介
    • 学会等名
      第66回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 異方性表面散乱を用いた超低軌道衛星用高圧縮インテークシステム2022

    • 著者名/発表者名
      杉本紘基、田川雅人、横田久美子、庄田光佑、板谷一輝、江﨑啓介、芦田優作、西山和孝、山下裕介
    • 学会等名
      第66回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 異方性分子散乱特性を用いた超低軌道衛星用大気吸入イオンエンジンインテークシステムシステムの検討2022

    • 著者名/発表者名
      杉本紘基、田川雅人、横田久美子、庄田光佑、板谷一輝、江﨑啓介、芦田優作、西山和孝、山下裕介
    • 学会等名
      第59回日本航空宇宙学会中部・関西支部合同秋期大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Es層形成過程の中性大気とプラズマ大気の同時観測による解明:S-310-46号機プロジェクト2022

    • 著者名/発表者名
      齊藤昭則、阿部琢美、松岡彩子、石坂圭吾、齋藤義文、田川雅人、熊本篤志、横田久美子、小嶋浩嗣、栗田怜、村田直史、斎藤享、高橋透、西岡未知、細川敬祐、横山竜宏、Huixin Liu、西山尚典、坂崎貴俊
    • 学会等名
      第5回観測ロケットシンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] 神戸大学大学院工学研究科における宇宙環境研究のページ

    • URL

      http://www.space-environmental-effect.jp/index.html

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-07-05   更新日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi