ホール推進機クラスタシステムのビーム・磁場干渉物理の解明とシステム最適化

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24360348
• 研究機関: 岐阜大学
• 研究代表者: 宮坂 武志 岐阜大学, 工学部, 准教授 (60303666)
• 研究分担者: 安里 勝雄 岐阜大学, 工学部, 教授 (00021626)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 推進・エンジン / ロケット / 電気推進 / 航空宇宙流体力学 / プラズマ計測

研究概要

マグネチックレイヤ型スラスタヘッドからなるSBSシステムについて，２基のヘッドに対する磁場の印加方向の組み合わせを変えて作動特性・推進性能評価を行い，これらの結果について，ヘッド間の干渉領域のファラデーカップを用いたイオン流束測定，磁場解析により評価・検討を実施した．本年度の研究により下記の成果・知見が得られた．
１．20kHz帯域放電電流振動において磁場印加方向の組み合わせによる振幅への明らかな影響は観察できなかったが，Solo作動時に比べ明らかに振幅が増加する結果が得られた．
これはイオン流束測定結果から，ヘッド前のプラズマ密度の増加による逆流電子流束の増加によるものであると考えられることが示された.
２．振り子式スラストスタンドによる推力測定により，磁場を逆方向に印加した場合に，Single作動時よりも推力が増加し，逆に同方向印加の場合には減少した．この傾向は，磁場解析結果における磁力線方向の違いからプルーム発散角に生じる違いにより予測される傾向と一致した．イオン流束の測定結果から，磁場解析結果から予測したとおり，磁場を逆方向に印加した場合は干渉領域におけるプルーム発散角は増大し，磁場を逆方向に印加した場合にはプルームの発散角が減少することが明らかになった．このプルーム発散角の傾向は推力傾向と一致している．また，SBS作動時には放電電流値の増加により，逆方向印加の場合も推進効率はSingle作動時よりもわずかに低下することがわかった．
これらの結果から２基システムにおいては磁場の印加方向の組み合わせにより推進性能に影響を及ぼすことが確認できた．

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

２基のスラスタヘッドからなるシステムであるSBSシステムによる測定により、２基の間の干渉効果が作動特性へ与える影響、推進性能に与える影響について一通りの基本的な特性が取得できた．また、そのメカニズムについてもイオン流束測定、磁場解析等を通じて導出することができた．
特に、本研究では干渉領域において物理的にもっとも重要な役割を果たしていると考えられる磁力線の干渉による効果について、２基のヘッドに引加する磁力線の向きの組み合わせを変えることにより、推進性能特性に与える影響を詳細に評価することで、有効な知見が得られている．
これまでに得られた知見はどれもクラスタ作動時に特有のものであり、今後のより基数の多いシステムの最適設計指針の導出時において、その基本となる知見となっている．
当初の２年間で２基のヘッドシステムによる評価を予定していたが、これらの成果は計画で期待したとおりに順調に進展しているものと考えている．

今後の研究の推進方策

これまで得られた２基システムによって得られた干渉領域における磁力線分布と推進性能の関係に関する知見を生かして、カソード位置の影響について詳細な評価を行いたい．
その結果を基に、当初の計画の最終年度の主課題である、３基ヘッドのシステムを構築による実機設計時に応用可能な２次元干渉効果に関する最適設計指針の導出、を行いたいと考えている．

次年度の研究費の使用計画

後半の装置の不安定要因によりカソード位置の影響に関しては実施できなかった．
次年度に、これら関係する装置，部品等購入を行い実験するため
カソード測定用計測装置部品，測定装置等の購入に用いる．

研究成果

• [学会発表] Effects of Plume Interaction on Operational Characteristics of Side by Side Hall Thruster Systems (2014)
  • 著者名/発表者名: Miyasaka, T., Asato, K., Muraki, R., Furuta, D., Ito, S., Uyama, Y., Goto, R., Yoshida, M
  • 学会等名: the 21th Annual Meeting of IAPS, International Workshop 2014
  • 発表場所: Hong Kong, China
  • 年月日: 20140307-20140310
• [学会発表] SBSホールスラスタシステムの性能特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 宮坂武志，安里勝雄，村木良佑，古田大樹，伊藤聖太
  • 学会等名: 平成25年度宇宙輸送シンポジウム
  • 発表場所: 相模原
  • 年月日: 20140116-20140117
• [学会発表] Developments of Robust Anode-layer Intelligent Thruster for Japan IN-space propulsion system (2013)
  • 著者名/発表者名: Naoji Yamamoto, Takeshi Miyasaka, Kimiya Komurasaki, Hiroyuki Koizumi, Tony Schőnherr, Hirokazu Tahara, Haruki Takegahara, Junichiro Aoyagi, Masakatsu Nakano, Ikkoh Funaki, Hiroki Watanabe, Yasushi Ohkawa, Akirai Kakami, Yoshiyuki Takao, Shigeru Yokota, Toshiyuki Ozaki and Hiroyuki Osuga.
  • 学会等名: the 33st International Electric Propulsion Conference
  • 発表場所: Washington D.C., U.S.A.
  • 年月日: 20131006-20131010
• [学会発表] Investigation of Side by Side Hall Thruster System (2013)
  • 著者名/発表者名: Miyasaka, T., Asato, K., Muraki, R., Furuta, D., and Kubota, K
  • 学会等名: the 33st International Electric Propulsion Conference
  • 発表場所: Washington D.C., U.S.A.
  • 年月日: 20131006-20131010
• [学会発表] Overview on Developments of High-Power Anode Layer Thruster in Japan (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroki WATANABE, Yasushi OKAWA, Akirai KAKAMI, Yoshiyuki TAKA, Shigeru YOKOTA,Toshiyuki OZAKI and Hiroyuki OSUGA
  • 学会等名: The 29th International Symposium on Space Technology and Science (ISTS)
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 20130609-20130613
• [学会発表] Cluster Operation of Hall Thruster (2013)
  • 著者名/発表者名: Miyasaka, T., Asato, K., Muraki, R., Furuta, D., Kubota, K., Shimizu, D.
  • 学会等名: The 29th International Symposium on Space Technology and Science (ISTS)
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 20130609-20130613
• [備考] 安里・宮坂研HP
  • URL: http://www1.gifu-u.ac.jp/~asatolab/indexd.html