宇宙機帯電解析に基づく電気推進機放出プラズマ環境中の宇宙機表面損耗現象の解明

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H01688
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 中京大学
• 研究代表者: 村中 崇信 中京大学, 工学部, 教授 (60423597)
• 研究分担者: 西山 和孝 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (60342622) ; 中山 宜典 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 教授 (80532770) ; 上野 一磨 東京工芸大学, 工学部, 准教授 (80609181)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 宇宙機と電気推進プルームの干渉現象解明 / 宇宙機と電気推進プルームの干渉現象の再現実験 / イオンスラスタプルーム諸量計測 / イオンスラスタの逆流イオンによる損耗量評価 / 宇宙探査機の帯電予測 / ybrid-PICプラズマシミュレーション

研究実績の概要

R5年度もR4年度に続き，イオンスラスタ作動に伴う宇宙機表面損耗評価のため，スラスタ放出プラズマプルーム（以後，プルーム）の逆流イオン（以後，逆流イオン）のエネルギー分布（IEDF）計測実験を行った．R4年度の研究進捗を受け，R5年度は逆流イオンのIEDFにおける，場所依存性評価とスラスタ基準電位の影響評価の２点に重点を置いて実験研究を進めた．
はじめに，逆流イオンのIEDFの場所依存性評価では，スラスタ出口近傍周辺の6地点でIEDF計測を実施し，スラスタ取付け面に対するIEDFの法線成分と接線成分を実験的に取得した．対象のスラスタはカソードがイオン源近傍側面に配置されるサイドカソード方式であるが，計測結果から，カソード近傍地点ではIEDFの法線・接線成分ともに同遠方地点と比較して高エネルギー成分が確認され，IEDFの場所依存性の主要因となりうることを確認するとともに，高エネルギーイオンの衝突が深刻な表面損耗をもたらす可能性が示唆された．
次に，宇宙空間におけるスラスタ基準電位の変動を再現した逆流イオンのIEDF計測実験では，スラスタ出口近傍周辺の6地点で計測したIEDFが，いずれもスラスタ基準電位の変動を高感度に反映する結果を得た．比較的小さな宇宙機電位変動，例えば宇宙機電位が10Vから20V程度の負電位に帯電した場合でも，表面損耗に寄与する逆流イオンエネルギーがこの程度増加する結果となり，表面損耗リスクを増大させる可能性が示唆された．
実験研究と並行して，数値計算によるスラスタ放出プラズマ解析も継続した．R5年度は，地上実験系を計算空間に再現して，実験結果との比較によりプルームパラメータ計算結果の妥当性を検証した．その結果，イオンビーム放出モデルの妥当性を確認したが，プルーム電位分布に差異が見られたため，現在，その要因を調査・検討している．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

R4年度に計画した研究計画のうち，一部は計画通り達成したが，研究の過程で一部は計画を途中変更した．これらの詳細を説明する．
(1)スラスタ出口近傍多地点における逆電位アナライザを使用した逆流イオンのIEDF計測：イオン源中心からの距離と，カソード位置を基準とする角度を位置変数とする６地点のIEDF計測を実施し，以下，(a), (b)の結果を得た．
(a)宇宙機帯電を模したスラスタ基準電位の変動時における逆流イオンのIEDF計測： IEDFはスラスタ基準電位の変動を高感度に反映し，スラスタ基準電位が空間電位に対して負電位となる場合， IEDFは高エネルギー側にシフトする結果を得た．これは，逆流イオンの衝突による宇宙機の表面損耗が増大するリスクを意味する．(b)スラスタ取付け面に対する逆流イオンの法線・接線成分IEDF計測：当初予定した逆流イオンのIEDFの角度依存性評価の端緒として，対象面に入射する逆流イオンの法線成分IEDFに加え接線成分IEDFも計測した．法線成分・接線成分IEDFは，計測6地点で異なる分布となったが，カソード出口側近傍地点では，表面損耗要因となる高エネルギー成分が確認された．
(2)スラスタプルーム諸量計測の実施：R4年度に続き，プルーム電位および電子温度の空間分布計測を継続した．とくに，スラスタ出口近傍地点におけるIEDFの場所依存性を検証すべく，この領域におけるプルーム電位のスラスタ半径面内分布の詳細計測に注力したが，計測結果の十分な解析にまで至っていない．他に予定した多価イオン計測は実験時間の制約から中止した．
(3) 数値計算による「はやぶさ2」損耗現象の解明：イオンビームモデルを構築し，数値計算で地上実験を再現し，予備的計算結果を実験結果と比較検証した．所有するHybrid-PICコードに対する電子温度モデルの拡充を予定したものの，遅延している．

今後の研究の推進方策

これまでの研究成果から，対象とするイオンスラスタ作動時におけるスラスタ周辺の表面損耗現象の解明は，逆流イオンのIEDFの場所依存性評価が重要であると考えるに至った．この要因として，対象スラスタはカソードがイオン源側面に非対称に設置されたサイドカソード方式であるが，イオン源およびカソードそれぞれに起因する逆流イオンが，プルーム電位の影響下でスラスタ近傍表面に非一様に逆流する結果もたらされたものと考えている．R6年度の地上実験ではこの検証を第一に考え，下記項目を実施する．
1) スラスタ近傍多地点における逆流イオンのIEDF計測とスラスタ出口近傍プルーム電位分布の同時計測：R5年度は，これらを個別の実験キャンペーンで実施したが，後者はデータ取得が不十分であった．実験の再現性を担保するため，両者を同じ実験キャンペーン中に実施し，IEDFの場所依存性を検証するに足る実験データの取得を目指す．
2) 関連プラズマパラメータの取得：実験1)に加え，スラスタ近傍領域の電子温度・電子密度分布を取得する．
3) 逆流イオンのIEDFにおけるカソード特製の影響評価：対象とするイオンスラスタのカソード起源の逆流イオンは，カソードプラズマプルームを起源とする高エネルギー成分をもつと考えている．これを検証するために，カソードをフィラメント電子源に代替し，カソードプラズマ生成を排除した実験系により前述の実験1)を実施し，IEDFの差異を比較検討する．
数値計算では，計算機能の拡充として電位計算機能の高機能化を継続する．これと並行して，上記地上実験による単一スラスタ作動を再現し，得られたプラズマ諸量を実験結果と比較する．さらに，計算空間でスラスタ複数運転と「はやぶさ２」機体モデルを実装し，宇宙空間（高真空環境下）におけるスラスタ放出プラズマ諸量を解析し，スラスタ近傍表面の損耗解析を行う．

研究成果

• [雑誌論文] Experimental Evaluation of Ion Energy Distribution Functions for Backflow Ions in 10 cm-class Microwave Discharge Ion Thruster Operation (2023)
  • 著者名/発表者名: Takanobu Muranaka, Mamoru Kato, Ayumu Nono, Musashi Ohori, Keisuke Nakata, Mizuki Nagai, Noboru Kamada, Ayumu Inoda, Yuuki Mizutani, Yasuhiro Nakajima, Takumi Iwagashira
  • 雑誌名: Proc. 34th International Symposium on Space Technology and Science 巻: - ページ: -
• [雑誌論文] Measurement of Thruster Plume Potential Distribution for 10 cm-class Microwave Discharge Ion Thruster in Laboratory Experiments (2023)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Nakata, Ayumu Nono, Mizuki Nagai, Yuuki Mizutani, Noboru Kamada, Ayumu Inoda, Musashi Ohori, Yasuhiro Nakajima, Takumi Iwagashira, Takuya Koiso, Soichiro Tsuji, Shogo Uozumi, Mamoru Kato, Kazuma Ueno, Yoshinori Nakayama, Kazutaka Nishiyama, Takanobu Muranaka
  • 雑誌名: Proc. 34th International Symposium on Space Technology and Science 巻: - ページ: -
• [学会発表] マイクロ波放電式イオンスラスタプルーム電位の空間分布計測 (2024)
  • 著者名/発表者名: 中田圭祐, 濃野歩, 加藤守, 水谷悠貴, 釜田昇, 岩頭拓海, 上野一磨, 中山宜典, 西山和孝, 村中崇信
  • 学会等名: 第63回航空原動機・宇宙推進講演会
• [学会発表] マイクロ波放電式イオンスラスタの逆流イオンエネルギー分布の多地点計測 (2024)
  • 著者名/発表者名: 村中崇信, 加藤守, 岩頭拓海, 濃野歩, 中田圭祐, 水谷悠貴, 釜田昇, 上野一磨, 中山宜典, 西山和孝
  • 学会等名: 第63回航空原動機・宇宙推進講演会
• [学会発表] 宇宙機表面損耗解析に向けたマイクロ波放電式イオンスラスタのプルームパラメータ計測実験 (2024)
  • 著者名/発表者名: 村中 崇信，中田 圭祐，岩頭 拓海，加藤 守，濃野 歩，上野 一磨，中山 宜典，西山 和孝
  • 学会等名: 令和 5 年度 宇宙科学に関する室内実験シンポジウム
• [学会発表] 地上実験による10cm級マイクロ波放電式イオンスラスタのプルームパラメータ計測 (2024)
  • 著者名/発表者名: 中田圭祐，濃野歩．加藤守，水谷悠貴，釜田昇，岩頭拓海，上野一磨．中山 宣典．西山和孝，村中崇信
  • 学会等名: 2023年度宇宙輸送シンポジウム
• [学会発表] マイクロ波放電式イオンスラスタの逆流イオンエネルギー分布におよぼす背圧の影響 (2024)
  • 著者名/発表者名: 村中崇信，岩頭拓海，加藤守，濃野歩，中田圭祐，水谷悠貴，釜田昇，上野一磨，中山宜典，西山和孝
  • 学会等名: 2023年度宇宙輸送シンポジウム
• [学会発表] マイクロ波放電式イオンスラスタの逆流イオンエネルギー分布におよぼすビームターゲット電位の影響 (2024)
  • 著者名/発表者名: 村中崇信，濃野歩，岩頭拓海，加藤守，中田圭祐，水谷悠貴，釜田昇．上野一磨．中山宜典．西山和孝
  • 学会等名: 2023年度宇宙輸送シンポジウム
• [学会発表] マイクロ波放電式イオンエンジンにおけるバックフローイオンに関する研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 濃野歩，村中崇信．岩頭拓海，中山宜典．上野一磨，月崎竜童．西山和孝
  • 学会等名: 2023年度宇宙輸送シンポジウム
• [学会発表] 地上実験による10cm級マイクロ波放電式イオンスラスタの逆流イオンエネルギー分布の法線・接線成分比較 (2024)
  • 著者名/発表者名: 岩頭拓海，加藤守，濃野歩，中田圭祐，水谷悠貴，釜田昇．菱木亮佑，山元隆希，上野一磨．中山宜典，西山和孝．村中崇信
  • 学会等名: 2023年度宇宙輸送シンポジウム
• [学会発表] イオンスラスタの逆流イオンによる宇宙機表面損耗解析に向けた数値計算 (2024)
  • 著者名/発表者名: 水谷悠貴，村中 崇信
  • 学会等名: 2023年度宇宙輸送シンポジウム
• [学会発表] Experimental Evaluation of Ion Energy Distribution Functions for Backflow Ions in 10 cm-class Microwave Discharge Ion Thruster Operation (2023)
  • 著者名/発表者名: Takanobu Muranaka, Mamoru Kato, Ayumu Nono, Musashi Ohori, Keisuke Nakata, Mizuki Nagai, Noboru Kamada, Ayumu Inoda, Yuuki Mizutani, Yasuhiro Nakajima, Takumi Iwagashira, Takuya Koiso, Soichiro Tsuji, Shogo Uozumi, Kazuma Ueno, Yoshinori Nakayama, Kazutaka Nishiyama
  • 学会等名: 34th International Symposium on Space Technology and Science
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of Thruster Plume Potential Distribution for 10 cm-class Microwave Discharge Ion Thruster in Laboratory Experiments (2023)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Nakata, Ayumu Nono, Mizuki Nagai, Yuuki Mizutani, Noboru Kamada, Ayumu Inoda, Musashi Ohori, Yasuhiro Nakajima, Takumi Iwagashira, Takuya Koiso, Soichiro Tsuji, Shogo Uozumi, Mamoru Kato, Kazuma Ueno, Yoshinori Nakayama, Kazutaka Nishiyama, Takanobu Muranaka
  • 学会等名: 34th International Symposium on Space Technology and Science
  • 国際学会
• [学会発表] はやぶさ２の表面損耗現象解明に向けたイオンスラスタプルームのパラメータ計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村中崇信, 加藤守, 中田圭祐, 濃野歩, 上野一磨, 中山 宜典, 西山 和孝
  • 学会等名: 第67回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 数値計算による「はやぶさ2」の表面損耗現象解明に向けたイオン推進機放出プラズマプルームモデルの構築 (2023)
  • 著者名/発表者名: 水谷悠貴，村中崇信
  • 学会等名: 令和5年度 電気・電子・情報関係学会東海支部連合大会
• [学会発表] 地上実験による10cm級マイクロ波放電式イオンスラスタ周辺の表面損耗分布評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岩頭拓海, 加藤守, 濃野歩, 中田圭祐, 水谷悠貴, 釜田昇, 中嶋泰宏, 小磯拓哉, 辻壮一郎, 魚住承吾, 上野一磨, 中山宜典, 西山和孝, 村中崇信
  • 学会等名: 第67回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 地上実験による10cm級マイクロ波放電式イオンスラスタプルーム中の電子温度分布計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中田圭祐, 濃野歩, 水谷悠貴, 釜田昇, 中嶋泰宏, 岩頭 拓海, 小磯 拓哉, 辻壮一郎, 魚住承吾, 加藤守, 上野一磨, 中山宜典, 西山和孝, 村中崇信
  • 学会等名: 第67回宇宙科学技術連合講演会
• [備考] 中京大学 研究者総覧（村中崇信）
  • URL: https://kenkyu-db.chukyo-u.ac.jp/profile/ja.234e8ac9c38f66d2.html