| 研究課題/領域番号 |
23H05442
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| 研究種目 |
基盤研究(S)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
大区分C
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
高橋 和貴 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80451491)
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| 研究分担者 |
鷹尾 祥典 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80552661)
永岡 賢一 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (20353443)
江本 一磨 筑波大学, 数理物質系, 特任助教 (10967227)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-12 – 2028-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
203,190千円 (直接経費: 156,300千円、間接経費: 46,890千円)
2025年度: 36,400千円 (直接経費: 28,000千円、間接経費: 8,400千円)
2024年度: 62,660千円 (直接経費: 48,200千円、間接経費: 14,460千円)
2023年度: 40,040千円 (直接経費: 30,800千円、間接経費: 9,240千円)
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| キーワード | プラズマ / 磁気ノズル / 電気推進 / 高周波プラズマ / プラズマ揺動 / 電子輸送 / ヘリコンスラスタ / 電子反磁性効果 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，大電力作動時においても長寿命化が期待される電気推進機である，無電極磁気ノズルプラズマ推進機に関連して，磁気ノズル中のプラズマ流の物理現象と性能向上を含んだ総合的な研究を実施する．これにより，次世代宇宙輸送技術の道を切り拓く．宇宙空間で推力を発生するためには，閉ループ構造を形成する磁力線からプラズマ流を離脱する必要があり，最大の物理課題とされている．特に磁化条件にある電子の離脱過程を誘発する必要がある．本研究では，磁気ノズルプラズマ中の不安定性・乱流が駆動するプラズマ離脱現象の検証により，プラズマ離脱を含めた高効率・無電極プラズマ推進機の室内実験による大電力作動実証を目指す．
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| 研究実績の概要 |
『推進機の性能向上』に関する研究項目において，前年度に観測されたカスプ磁場による性能向上をさらに検証するために，プラズマ源上流域を，カスプ磁場形成に伴う磁場によるプラズマ終端，および固体壁による終端の条件で実験を実施した．その結果，磁場で終端した場合に安定した作動特性と高推進効率が得られることが実験的に示された．また，永久磁石を用いて生成したカスプ磁場配位を搭載したプラズマ源の下流域で運動量計測を実施し，ソレノイドコイルと同様にカスプ磁場によって性能が向上することが実験的に確認できた．
『推進機の大電力化』に関する研究項目では，20kW級の高周波システムの整備を行い，スペースチャンバーSPT-Xへの接続を行い，次年度以降の大電力実験の環境整備を実施した．
『乱れ計測・解析，プラズマ離脱』に関する研究項目において，作動ガスをクリプトンとすることでイオン質量を変えたところ，アルゴン作動時に比べて低周波側へ揺動周波数がシフトすることが観測された．またアルゴン，クリプトン作動における揺動周波数の比が，イオン質量比の1/2乗程度になることが明らかになり，低域混成周波数と大きく関与していることを明らかにした．また，揺動に関するPICシミュレーションにおいて，自発的に駆動される揺動の内，特定の周波数成分が電子内向き輸送を誘発していることが明らかになり，実験と定性的な一致を示している．
さらに，大電力化に関する実験において，アンテナから離れた位置でのプラズマ発生が示唆され，これを詳細に検証可能な基礎実験装置ADR-Tを設計・製作し，磁場配位によってプラズマ源から両方向または片方向への噴射が可能であること，およびその方向性制御が可能であることが目視で観測された．2025年度以降に詳細計測を実施する予定であり，新たな研究展開を図っている．
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
研究計画にある『推進性能向上』，『大電力化』，『揺動計測・解析，プラズマ離脱』の三項目の研究課題に関して，計画通りに実験が進展している．また，PICシミュレーションでも実験と定性的に一致する結果が得られる等，今後の詳細解明に向けた知見が着実に積み上げられている．さらには，計画以上のプラズマ方向性制御やスペースデブリ除去への活用など，新たな研究展開も行われており，おおむね順調に進展しているといえる．
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| 今後の研究の推進方策 |
推進性能向上に関しては，計画していた大口径化による性能向上に加えて，プラズマ源出口近傍における磁場構造の変更による高性能化も視野に入れて試行錯誤を実施する．特に，スラスタ出口近傍における磁力線の収束度を高めることで，プラズマ形状を制御し，アンテナの下流域においても損失を抑制可能かを検証する．
大電力化に関しては，20kW級スラスタの作動試験に加えて，作動が困難な場合の代替案として，複数台のスラスタのクラスター運転に関する実験を展開する予定である．
揺動計測・プラズマ離脱に関しては，電位揺動の断面計測によりスパイラル状の波動が観測されているため，密度揺動と電場揺動を計測し，輸送の断面分布の評価を実施し，プラズマ離脱を誘発する電子離脱特性を明らかにしていく予定である．
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| 評価結果 |
中間評価
A: 順調に研究が進展しており、期待どおりの成果が見込まれる
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