TAL型ホールスラスタの電子異常輸送の抑制に向けた数値解析

研究課題

研究課題/領域番号	23KJ0089
研究種目	特別研究員奨励費
配分区分	基金
応募区分	国内
審査区分	小区分24010:航空宇宙工学関連
研究機関	東北大学
研究代表者	松倉真帆東北大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
研究期間 (年度)	2023-04-25 – 2026-03-31
研究課題ステータス	交付 (2023年度)
配分額 *注記	4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円) 2025年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円) 2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円) 2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワード	ホールスラスタ / 電気推進 / 航空宇宙工学 / プラズマ
研究開始時の研究の概要	宇宙開発ミッションの活発化に向けたコストの大幅な低減が要求されている。従来の大量な推進剤が必要となる大推力化学推進器に代わり、電気推進の中でも高い比推力を特徴とするホールスラスタが注目されている。本研究では、ホールスラスタの性能低下を引き起こす電子の異常輸送現象の抑制に向けて、特に急峻な電位勾配の領域における電磁場と電子加熱の相互メカニズムを数値解析の面から解明する。
研究実績の概要	アノードレイヤ型のホールスラスタにおける電離振動の原因および改善策に関して、数値解析的なアプローチをするために、本年度は解析コードの開発及び妥当性検証を行った。まずはマグネティックレイヤ型の先行研究で、実験的にも数値解析的にも存在が確認されている加速領域での周方向電場の不安定性の生成を確認した。解析コードに関しては、受入研究室で開発されたBoeufらの提唱した計算モデルに基づいた無衝突 full-PIC 計算と衝突を考慮した計算を行った。磁場に関しては外部印加磁場のみを考慮し時間的な変動に関しては考慮していない。電場はポアソン方程式による電位の時刻更新から時間変化を考慮する。周方向には周期境界条件を用いた。粒子速度の更新はBuneman-Boris法とした。イオン化に関してはイオン化レートを関数的に与えることで導入した。続いてnull-collision法を用いた衝突計算を行った。両者で振動電場、及びイオンと電子の粒子の電離・生成の時間履歴・電位の空間分布・電子数密度の時間履歴を観察し、どちらのコードでも周方向電場の不安定性及びそれによる電子イオン数密度揺動の波状性を確認出来た。また、アノードレイヤ型ホールスラスタの陽極壁面近傍でのシース領域における、周期的に生じると考えられる電離過程に与える磁場の影響を調査するため、テスト粒子を用いて電子輸送を確認中である。今後は上記で開発した数値解析コードを用いてホールスラスタプラズマの解析を行う予定である。
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アノードレイヤ型ホールスラスタの不安定性挙動性能の改善に向け、概ね研究計画に沿って数値解析研究を進めている。先行研究の再現計算においては、周期方向の電場振動の時間履歴を解析し、初期設定粒子密度と超粒子数との関係を確認していた。研究分野の特性上、超粒子数と格子点数の関係によっての収束性と計算時間がトレードオフになるため、適切な重みづけの検証に想定よりも時間がかかっており、目立った成果の発表につながっていない。
今後の研究の推進方策	アノードレイヤ型ホールスラスタの陽極壁面近傍でのシース領域における、周期的に生じると考えられる電離過程に与える磁場の影響を調査する予定である。現在はテスト粒子によって電磁場影響を詳細に調べるため、数eVの電子温度を持った電子群を上部から流入させた円筒形状計算領域に対して、ホールスラスタにおける電磁場モデルを導入して電子軌道の様子を調べている。テスト粒子の解析が終わり次第、ホールプラズマの壁面付近における上記で検証した数値解析コードを用いて、電離振動の原因及び改善策を調査する。軸方向成分の電子輸送の時間遷移を解析することで,その発生と発展を確認する。続いて、どの領域で電子加熱と電子冷却が生じているのかを確認し。高密度プラズマ領域の発展メカニズムの解明に繋げる。筑波大学の真空チャンバー及び陽極が周方向に分割された TAL 型ホールスラスタを用いて各陽極への電子電流を計測し,陽極近傍の高密度プラズマ領域の特定を行うことで、解析結果の妥当性の検証を行いたい。