有限境界型ECR加熱プラズマの現象解明とマイクロ波放電式イオンスラスタへの応用

• 研究課題/領域番号: 25289304
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 航空宇宙工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小泉 宏之 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (40361505)
• 研究分担者: 鷹尾 祥典 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80552661)
• 研究協力者: 直井 太郎 東京大学, 大学院工学系研究科 ; 稲垣 匡志 東京大学, 大学院工学系研究科 ; 笠木 友介 東京大学, 大学院工学系研究科 ; 河原 大樹 東京大学, 大学院工学系研究科 ; 平本 謙太 横浜国立大学, 大学院工学研究院 ; 中川 悠一 東京大学, 大学院工学系研究科
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円); 2016年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2015年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2014年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2013年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
• キーワード: イオンスラスタ / 小型衛星 / プラズマ / 数値計算 / PIC / ECR / 小型推進

研究成果の概要

近年，宇宙利用開発には，プラズマ推進機の実用化と小型衛星の台頭という大きな２つの革新が起きており，マイクロ波放電式を利用したイオンスラスタが注目を集めている．しかし，そのプラズマ物理には未解明な点が多く実用化の妨げとなっている．本研究では，超小型プラズマ源を解析対象とすることで計算コストが大きく圧縮される点を利用して，３次元数値解析コードを構築し，実験による測定・検証とあわせて物理の解明と実応用の促進を行った．具体的には１）磁場を横切る電子輸送が内部の振動電位によることの解明，２）イオンスラスタの性能向上／改良および水を推進剤とした新しいイオンスラスタの提案，という成果を得た．

研究成果

• [雑誌論文] 小型衛星用電気推進の推力ベクトル管理方法の提案と実証 (2016)
  • 著者名/発表者名: 柳沼和也, 小泉宏之, 河原大樹, 浅川純, 中川悠一，稲垣匡志, 笠木友介, 五十里哲, 尾崎直哉, 船瀬龍, 小紫公也
  • 雑誌名: 日本航空宇宙学会論文集 巻: 64 号: 2 ページ: 131-138
  • DOI: 10.2322/jjsass.64.131
  • NAID: 130005143912
  • ISSN: 1344-6460, 2432-3691
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Initial Flight Operations of the Miniature Propulsion System installed on Small Space Probe: PROCYON (2016)
  • 著者名/発表者名: Koizumi, H., Kawahara, H., Yaginuma, K., Asakawa, J., Nakagawa, Y., Nakamura, Y., Kojima, S., Matsuguma, T., Funase, R., Nakatsuka, J., and Komurasaki, K.
  • 雑誌名: Transactions of Japan Soc. for Aeronautical and Space Sci., Aerospace Technology Japan 巻: 未定
  • NAID: 130006902232
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electron Extraction Mechanisms of a Micro ECR Neutralizer (2016)
  • 著者名/発表者名: Takao, Y., Hiramoto, K., Nakagawa, Y., Kasagi, Y., Koizumi, H., and Komurasaki, K.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 未定
  • NAID: 210000146876
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Three-dimensional particle-in-cell simulation of a miniature plasma source for a microwave discharge ion thruster (2014)
  • 著者名/発表者名: Takao, Y., Koizumi, H., Komurasaki, K., Eriguchi, K., and Ono, K.
  • 雑誌名: Plasma Sources Sci. Technol. 巻: 23 号: 6 ページ: 064004-064004
  • DOI: 10.1088/0963-0252/23/6/064004
  • NAID: 120005679536
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Engineering Model of the Miniature Ion Propulsion System for the Nano-satellite: HODOYOSHI-4 (2014)
  • 著者名/発表者名: Koizumi, H. Komurasaki, K., Aoyama, J., and Yamaguchi, K.
  • 雑誌名: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN 巻: 12 号: ists29 ページ: Tb_19-Tb_24
  • DOI: 10.2322/tastj.12.Tb_19
  • NAID: 130004548639
  • ISSN: 1884-0485
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Number Density Measurement of Neutral Particles in a Miniature Microwave Discharge Ion Thruster (2014)
  • 著者名/発表者名: Sugita, Y., Koizumi, H., Kuninaka, H., Yamagiwa, Y., and Matsui, M.
  • 雑誌名: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN 巻: 12 号: ists29 ページ: Tb_31-Tb_35
  • DOI: 10.2322/tastj.12.Tb_31
  • NAID: 130004691504
  • ISSN: 1884-0485
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Engineering Model of the Miniature Ion Propulsion System for the Nano-satellite: HODOYOSHI-4 (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki KOIZUMI, Kimiya KOMURASAKI , Junichi AOYAMA , and Koji YAMAGUCHI
  • 雑誌名: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN 巻: -
  • NAID: 130004548639
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical Study of μ1 Ion Engine Optics Using JIEDI Tool (2014)
  • 著者名/発表者名: Nakano, M., Koizumi, H, Inagaki, T. and Komuasaki, K.
  • 雑誌名: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN 巻: 12 号: ists29 ページ: Pb_27-Pb_32
  • DOI: 10.2322/tastj.12.Pb_27
  • NAID: 130003395420
  • ISSN: 1884-0485
  • 査読あり
• [学会発表] 水を推進剤とした小型衛星用イオンスラスタの 加速時の電流特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 河原大樹，中川悠一，小泉宏之，小紫公也
  • 学会等名: 平成27年度宇宙輸送シンポジウム
  • 発表場所: 宇宙科学研究所（相模原）
  • 年月日: 2016-01-15
• [学会発表] 導電性回路印刷技術を用いた面型プローブによる10 mm 級 プラズマ源の測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川悠一，小泉宏之，笠木友介，河原大樹，鷹尾祥典，平本謙太，小紫公也
  • 学会等名: 第59回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: かごしま県民交流センター（鹿児島）
  • 年月日: 2015-10-07
• [学会発表] 水およびブタンの小型衛星用イオンスラスタへの適用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 河原 大樹，中川 悠一，小泉 宏之，小紫 公也
  • 学会等名: 第59回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: かごしま県民交流センター（鹿児島）
  • 年月日: 2015-10-07
• [学会発表] イオンスラスタおよびコールドガススラスタ を用いた超小型推進システムの 深宇宙作動実証に関する報告 (2015)
  • 著者名/発表者名: 河原大樹，柳沼和也，浅川純，中川悠一，中村友祐, 松隈俊大 小島隼一，船瀬龍，小紫公也, 中塚 潤一
  • 学会等名: 第59回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: かごしま県民交流センター（鹿児島）
  • 年月日: 2015-10-07
• [学会発表] On-orbit Performance of a Miniature Propulsion System on a 70 kg Space Probe to Explore Near-Earth Asteroids (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki KOIZUMI, Hiroki KAWAHARA, Kazuya YAGINUMA, Jun ASAKAWA, Yuichi NAKAGAWA, Junichi NAKATSUKA, Satoshi IKARI, Ryu FUNASE, and Kimiya KOMURASAKI
  • 学会等名: Small Satellite Conference 2015
  • 発表場所: ローガン（米国）
  • 年月日: 2015-08-10
  • 国際学会
• [学会発表] In-Flight Operation of the Miniature Propulsion System installed on Small Space Probe: PROCYON (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Koizumi, H. Kawahara, K. Yaginuma, J. Asakawa , R. Funase , and K. Komurasaki
  • 学会等名: 34th International Electric Propulsion Conference
  • 発表場所: 神戸コンベンションセンター（神戸）
  • 年月日: 2015-07-06
  • 国際学会
• [学会発表] Ground Experiment for the Small Unified Propulsion System: I-COUPS Installed on the Small Space Probe: PROCYON (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Kawahara, Kazuya Yaginuma , Jun Asakawa, Yuichi Nakagawa, Hiroyuki Koizumi, Ryu Funase, Kimiya Komurasaki
  • 学会等名: 34th International Electric Propulsion Conference
  • 発表場所: 神戸コンベンションセンター（神戸）
  • 年月日: 2015-07-06
  • 国際学会
• [学会発表] 小型衛星用推進機－マイクロスラスタ－の開発と今後の課題 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小泉 宏之，笠木 友介，稲垣 匡志，河原 大樹，柳沼 和也，浅川 純，小紫 公也
  • 学会等名: 宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 長崎
  • 年月日: 2014-11-12
• [学会発表] Unified Propulsion System to Explore Near-Earth Asteroids by a 50 kg Spacecraft (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki KOIZUMI, Tadashi INAGAKI, Yusuke KASAGI, Taro NAOI, Tomoyuki HAYASHI, Ryu FUNASE, Kimiya KOMURASAKI
  • 学会等名: Small Satellite Conference 2014
  • 発表場所: Logan, UT, USA
  • 年月日: 2014-08-02
• [学会発表] Development of the Miniature Ion Propulsion System: MIPS for the 50-kg-Nano-satellite HODOYOSHI-4 (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki KOIZUMI, Tadashi INAGAKI, Taro NAOI, Yusuke KASAGI, Kimiya KOMURASAKI, Junichi AOYAMA, and Koji YAMAGUCHI
  • 学会等名: Space Propulsion 2014
  • 発表場所: Cologne, Germany
  • 年月日: 2014-05-19
• [学会発表] 50-kg衛星用小型イオンスラスタと サブコンポーネント開発
  • 著者名/発表者名: 小泉宏之
  • 学会等名: 第 17 回 応用物理学会 プラズマエレクトロニクス分科会 プラズマ新領域研究会
  • 発表場所: 福岡
  • 招待講演
• [学会発表] Development of a Miniature Propulsion System Using an Ion Thruster for 50-kg-class Satellites
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki KOIZUMI, Kimiya KOMURASAKI, Junichi AOYAMA and Koji YAMAGUCHI
  • 学会等名: The 7th International Workshop on Plasma Application and Hybrid Functionally Materials
  • 発表場所: Hong Kong, China
• [学会発表] マイクロ波放電式小型イオンスラスタの伝送線路形状によるマイクロ波吸収率の定式化
  • 著者名/発表者名: 直井太郎
  • 学会等名: 平成25年度 宇宙輸送シンポジウム
  • 発表場所: 宇宙科学研究所
• [学会発表] マイクロ波放電式小型イオンスラスタの中和器におけるオリフィス形状変化が性能に与える影響
  • 著者名/発表者名: 笠木友介
  • 学会等名: 平成25年度 宇宙輸送シンポジウム
  • 発表場所: 宇宙科学研究所
• [学会発表] マイクロ波放電式小型イオンスラスタにおけるマイクロ波伝送線路形状とプラズマによるマイクロ波吸収率の関係
  • 著者名/発表者名: 直井太郎
  • 学会等名: 第57回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 米子
• [学会発表] Plasma Diagnostics in a Miniature Microwave Discharge Ion Thruster
  • 著者名/発表者名: Y. Sugita
  • 学会等名: IEPC 2013
  • 発表場所: Washington D.C., USA
• [学会発表] Three-Dimensional Particle-in-Cell Simulation of a Miniature Microwave Discharge Ion Thruster mu1
  • 著者名/発表者名: Y. Takao
  • 学会等名: IEPC 2013
  • 発表場所: Washington D.C., USA
• [学会発表] Number Density Measurement of Neutral Particles in A Miniature Microwave Discharge Ion Thruster
  • 著者名/発表者名: Y. Sugita
  • 学会等名: ISTS 2013
  • 発表場所: Nagoya, Japan
• [学会発表] Status of the Miniature Ion Propulsion System for the Nano-satellite: HODOYOSHI 4
  • 著者名/発表者名: H. Koizumi
  • 学会等名: ISTS 2013
  • 発表場所: Nagoya, Japan
• [備考] 小型イオン推進システムのエンジニアリングモデル開発に成功
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/nsat/release/ms/u-t130628hodoyoshi.pdf
• [産業財産権] 小型マイクロ波プラズマ源における誘電体保護機構 (2013)
  • 発明者名: 小泉宏之，直井太郎，青山順一
  • 権利者名: 小泉宏之，直井太郎，青山順一
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2013-211478
  • 出願年月日: 2013-10-08