地球高層中性大気のグローバル・リモートセンシング技術に関する基礎研究

2006 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16560694
• 研究機関: 独立行政法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 國中 均 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究本部, 教授 (60234465)
• 研究分担者: 西山 和孝 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究本部, 助教授 (60342622)
• キーワード: 高速中性粒子 / 電気推進 / 超高層大気環境 / リモートセンシング / 粒子線

研究概要

研究提案者は長年に渡り宇宙用電気推進の研究開発に従事し、宇宙機器開発および宇宙運用の経験を深く積んでいる。はやぶさ小惑星探査機の深宇宙動力航行を世界に先駆けて実現させ、イオンエンジンの技術的完成を導いた。電気推進から噴射されるプラズマビームと地球高層大気の相互作用の研究を進める過程で、この現象を能動的に利用して中性大気観測に応用展開できる可能性を見いだした。イオンエンジンより放射されたイオンは地磁場に拘束され運動した後、高層中性大気と電荷交換衝突の結果、電荷を失った高速中性粒子となって地球近傍から脱出する。これを観測器で捕らえ、発生場所・時刻・エネルギー損失を特定すれば磁力線に沿った広範囲の高層中性大気情報を瞬時に得ることができる。励起源としてのイオンエンジンの軌道周回に伴い、短い時間で地球規模的データ収集も可能である。
発案の現実性を定量的に評価するために、数値シミュレーションを実施した。これによると、大気成分各々に特に反応しやすいイオン種が存在することが分かった。高度100kmから700kmの高層大気成分中の大多数を占める原子状酸素には、クリプトンイオンが最も感度が高く、また他の粒子には反応しないので、原子状酸素を選択的に観測することができる。この特性を利用して、宇宙観測のためのシステム構成の検討を行った。
実験室シミュレーションとして、イオンエンジンからキセノンイオンを発射し、これを酸素と窒素の混合気体に照射して、酸素分圧の測定に成功した。さらに原子状酸素源を製作に、これにクリプトンイオンを照射して、数密度に比例した信号を得ることができた。これにより観測システムの実現を、数値シミュレーションと実験室シミュレーションの双方で実証することができた。
研究成果の論文発表および特許取得を行った。

研究成果

• [雑誌論文] Remote Sensing of Neutral Particles in Upper Atmosphere Using Artificial Ion Beam (2007)
  • 著者名/発表者名: Y.Sakamoto, H.Kuninaka, Y.Shimizu, K.Nishiyama
  • 雑誌名: 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno AIAA-2007-1293
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 人工イオンビームによる大気観測に関する研究 (2007)
  • 著者名/発表者名: 坂本佑介, 國中均
  • 雑誌名: 平成18年度宇宙輸送シンポジウム
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Powered Flight of Electron Cyclotron Resonance Ion Engines on Hayabusa Explorer (2007)
  • 著者名/発表者名: H.Kuninaka, K.Nishiyama, I.Funaki, T.Yamada, Y.Shimizu, J.Kawaguchi
  • 雑誌名: Journal of Propulsion and Power (印刷中)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Deep Space Flight of Microwave Discharge Ion Engines onboard Hayabusa (2007)
  • 著者名/発表者名: H.Kuninaka, K.Nishiyama, I.Funaki, T.Yamada, Y.Shimizu, J.Kawaguchi
  • 雑誌名: Journal of Space Technology and Science (印刷中)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Ground Experimental Demonstration on Remote Sensing of Neutral Particles in the Upper Atmosphere using Artificial Ion Beam (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Sugimoto, H.Kuninaka, K.Nishiyama, Y.Sakamoto
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 111、A4 ページ: A04307
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Experimental Demonstration on Remote Sensing of Atomic Oxygen in the Upper Atmosphere Using Artificial Ion Beam (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Sakamoto, H.Kuninaka
  • 雑誌名: 25th International Symposium on Space Technology and Science, Kanazawa ISTS 2006-r-2-23
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] はやぶさ小惑星探査機に搭載されたマイクロ波放電式イオンエンジン (2006)
  • 著者名/発表者名: 國中
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 82,5 ページ: 300-305
• [雑誌論文] Laboratory Demonstration on Remote Sensing of Neutral Particles in the Upper Atmosphere Using Artificial Ion Beam (2006)
  • 著者名/発表者名: 坂本, 國中
  • 雑誌名: 日本地球惑星科学連合2006年度大会
• [雑誌論文] イオンエンジンの動作原理 (2006)
  • 著者名/発表者名: 國中
  • 雑誌名: 新電気(オーム社) 4月号 ページ: 33
• [雑誌論文] HAYABUSA Explorer Ion-Driven inDeep Space (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Kuninaka, K.Nishiyama, I.Funaki, T.Yamada, Y.Shimizu, J.Kawaguchi
  • 雑誌名: 25th International Symposium on Space Technology and Science, Kanazawa ISTS 2006-b-20
• [雑誌論文] Powered Flight of HAYABUSA in Deep Space (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Kuninaka, K.Nishiyama, I.Funaki, T.Yamada, Y.Shimizu, J.Kawaguchi
  • 雑誌名: Joint Propulsion Conference ＆ Exhibition, Sacramento AIAA 2006-4318
• [雑誌論文] 人工イオンビームによる高層大気観測のための実験室模擬 (2006)
  • 著者名/発表者名: 坂本佑介, 國中均
  • 雑誌名: 第50 回宇宙科学技術連合会講演集、北九州 ページ: 242-244
• [雑誌論文] Assessment of Plasma Interactions and Flight Status of HAYABUSA Asteroid Explorer Propelled by Microwave Discharge Ion Engines (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Kuninaka, K.Nishiyama, I.Funaki, Y.Shimizu, T.Yamada, J.Kawaguchi
  • 雑誌名: IEEE Transaction of plasma Science 34,5 ページ: 2125-2132
• [雑誌論文] Experimental Simulation of Spacecraft Charging by Artificial Ion-Beam Emission (2006)
  • 著者名/発表者名: I.Funaki, H.Usui, Y.Nakayama, H.Kuninaka
  • 雑誌名: IEEE Transaction of plasma Science 34,5 ページ: 2031-2037
• [図書] イオンエンジンによる動力航行 (2006)
  • 著者名/発表者名: 荒川, 國中, 中山, 西山
  • 総ページ数: 288
  • 出版者: コロナ社