| 研究課題/領域番号 |
15K14252
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| 研究機関 | 神戸大学 |
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研究代表者 |
田川 雅人 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10216806)
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| 研究分担者 |
横田 久美子 神戸大学, 工学研究科, 助手 (20252794)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 大気吸入イオンエンジン / 電気推進 / 超低地球軌道 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は超低軌道における高層大気を推進剤とする日本オリジナルのアイデアである大気吸入型イオンエンジン(Air Breathing Ion Engine, ABIE)について、その最重要技術と目されるインテイク技術に的を絞り、その設計指針について数値計算（プラズマおよび分子流）を援用して明らかにすること、さらに実際に試作したインテイクを、地上試験装置で利用可能なパルスビームを用いて実験的評価を行う方法を確立し、ABIEをはじめとする大気吸入型スラスターシステム全般の実現に向けての技術的最難関であるインテイク設計に指針を得ることを目的としたものである。
平成27年度には、前者の数値計算的な手法でのインテイク設計とプラズマ生成効率最大化を目指したイオン化室設計を行った。その結果、従来の配置に対してアンテナ形状の変更、メッシュ電極の増設、さらにコリメーターの装着が有効であるという結論を得た。
平成28年度には計算結果の実験的な検証を行うため、1/3縮小モデルを設計・作製し、小型電離真空計を組み込んだ実験システムを構築した。実験の結果、前年度に実施した数値計算において、リフレクター表面での原子散乱を完全拡散反射とした場合に近い結果を得ることができ、数値計算が実験結果をある程度再現できることを示した。ただし、散乱モデルの不完全性は温度・原子入射エネルギー等により大きく変化することが予想されるため、実際の軌道環境でのフライト試験による圧縮率目標値設定の必要性を明らかにすることができた。この解決には次期ISS補給機HTV-Xへの搭載ミッションとして検討することが決まった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
研究開始初年度である平成27年度にはモンテカルロ計算ならびにマイクロ波計算を行い、ABIEインテイクの基本設計を行った。数値シミュレーションコードEMSESを用いた計算では、マイクロ波の利用効率向上に向けて、マイクロ波波長の1/4の位置にメッシュを設置することにより放電室内部に定在波が生成されマイクロ波から電子へのエネルギー遷移効率が高くなること、マイクロ波アンテナの方向を垂直方向から水平方向に変更することによりイオン生成効率が増大すること等の計算結果が得られた。また、モンテカルロシミュレーションの結果からはABIEインテイクシステムを構築するにあたって、hyperthermal領域の分子をプラズマ発生領域に収束するためにリフレクターを45度の角度に設定することが最適であること、放電室内に取り込んだ分子の放電室外への逆流を抑制するためにはコリメーター導入が有効であることが明らかになった。
これらの計算結果を実験的に証明するために、神戸大学に現有のレーザーデトネーション装置を用いた実験を試みている。平成28年度には1/3縮小モデルを設計・製作し、3種類の構造に対して実験が持ち越されたが、ハニカムコリメーターを装着したABIEインテイクの試作を完了した。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成29年度には他プロジェクトで行っているパルスバルブの改修を修了した後に、前年度に設計・製作したABIEインテイクに対してレーザーデトネーション装置を用いた評価実験を行う予定である。平成27-28年度に設計・試作したABIEを用いて、熱的平衡状態の酸素分子あるいは窒素分子によるラム圧縮効果実験を行い、リフレクター形状等の効果を確認する。次にマイクロ秒の時間オーダーで流入する超熱原子状酸素パルスでの圧縮効果を計測し、ABIEインテイク特性を計測するためのシステム評価試験を実施する。本実験に用いる原子状酸素発生装置は8 km/sという軌道上におけるABIEへの原子状酸素の流入速度を再現できる反面、パルス動作でありABIE内部で圧力変動が生じる。現在の技術では8 km/sの連続原子状酸素ビームを形成することができないため、本研究では単発の原子状酸素パルスでのインテイク評価を可能とする計測系を構成する。これによりマイクロ秒の時間分解能で流入する原子状酸素パルスを用いてのラム圧縮過渡特性の測定・評価を行う。これら一連の実験を通して、ABIE用試作インテイクの基本的な動作特性を明らかにし、フライト品試験への適用を前提とした評価方法などについても検討を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2016年に開催予定であった本分野の国際会議が主催者の都合で2年程延期されたため旅費の執行が年度をまたいで遅れた。さらに実験装置の破損による実験遅延・さらに研究分担者の本課題への参加制限等により研究遂行が遅延した。
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| 次年度使用額の使用計画 |
国際会議における成果発表については2017年度に代替の国際会議で成果発表を行うことに変更した。また、実験装置の破損・不調については現在、代替部品を設計・発注中であり、2017年度上期に使用する予定である。
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