| 研究課題/領域番号 |
15J08941
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
星 賢人 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| キーワード | 宇宙機帯電 / 宇宙機能動帯電 / テザー / 帯電セイル / PICシミュレーション |
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| 研究実績の概要 |
近年注目されている「電磁気力を用いた推進手法」のうち、惑星間空間における例として提案されている帯電セイル（Electric Solar Wind Sail）について、その電位解析及び推力解析を行った。
帯電セイルは、次世代の推進手法として期待されているシステムであるが、そのシステムの巨大さから実証実験が難しく、現実的な推力特性も未だ明らかになっていない。
本研究では、Particle-in-cell（PIC）法を用いた大規模プラズマ粒子計算によって解析を行った。
まず電位解析について、帯電セイルのテザーを模した計算を行ったところ、先行研究における帯電セイル推力評価において使われていた電位分布とは一致せず、テザー周りの電位はこれまで想定されていたよりも強く遮蔽されることが明らかになった。更に、PIC法を用いた計算はスーパーコンピュータを用いた大規模計算を行う必要があるため、FFT法を用いた準解析的なテザー周りの電位解析手法を提案した。提案手法を用いて電位解析を行った結果、PICシミュレーションの結果とよく一致した。
次に、推力解析については、PIC計算コードに外力計算を行うルーチンを付け加え、見積もりではなく実際にテザーが受ける力を直接計算した。その結果、電位遮蔽の影響によって、既存の見積もり結果より推力は大きく低下することが分かった。また、FFT法による電位解析手法を用いて、既存の推力見積もりで用いられていた電位分布をより現実に近い電位分布へ置き換えた結果、修正された推力の見積もり値はPIC計算の結果とよく一致した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初の計画では、初年度は
1. PICシミュレーションを用いた帯電セイルの推力解析
2. 計算コードの高度化
を行う予定であった。
そのうち、1.については詳細な推力解析に加えて新たな電位解析手法についても提案できたため、想定以上の成果を得ることができた。また、提案した電位解析手法を用いて、PIC計算を行わずとも推力を見積もる手法についても提案でき、極めて順調であった。
2. については、二次電子放出機能についての実装が完了しているが、当初の目標であった「マルチスケール化」については完了していない。これについては、想定以上に現在コードからの移行の工数がかかる見込みであったため、次年度以降にマルチスケールコードを新規開発するとして1. の課題に専念したことが原因である。
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| 今後の研究の推進方策 |
計画時には、2年目においては「地球低軌道における帯電特性解析」と「精密に帯電電位の制御を行う手法の確立」を行う予定であったが、計画を変更して
1. マルチスケールコードの新規開発
2. 二次電子放出が宇宙機能動帯電に与える影響の解析
を行う。1.については、地球低軌道における濃いプラズマ中での帯電を解析するために必要であり、27年度に行えなかったため、本年度に行う。2.については、これまでの能動帯電モデルでは考慮されていない二次電子放出について、帯電電位へ影響を与える可能性があるため、解析を行う必要がある。1, 2について年度途中で完了できた場合には、元々予定していた課題について引き続き取り組む。
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