直流アークジェット推進機排出プラズマ流の構造と宇宙機との干渉現象の解明

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450398
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 田原 弘一 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 助教授 (20207210)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 尾上 憲一 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 助手 (70029429) ; 吉川 孝雄 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 教授 (00029498)
• Keywords: アークジェット推進機 / 宇宙推進 / 電気推進 / プラズマ流 / プラズマプリューム / コンタミネーション / プラズマ診断

Research Abstract

探針測定によって見積もられたアークジェット噴出プラズマ流中の電子温度、電子数密度の空間分布より、電子温度、電子密度は共に推進剤ガス種、放電電流値に依存せず、同じ下流軸方向位置では径方向外側に向けて小さくなっていく。それらは半径50mm以内では下流方向に単調に減少していくが、半径位置100、150mmでは軸方向位置200-250mm付近で最大値をもつ。このピークは内部流と外部流の境界近くに存在し、すなわちスラスタ広がりノズルの影響が強く現れている。こうして、内部流内では広がりノズルに沿ったスムーズなプラズマ膨張がなされ、その熱エネルギーが運動エネルギーにスムーズに変換されていくので、電子温度・密度は下流方向に低下していくと推定される。一方、外部流内では径方向外側への激しい膨張が起こるが、内部流・外部流境界の外側では径方向外側への極度の電子温度・密度の低下が起こり、その低下は境界から離れるにつれて激しくなると推測される。それゆえ、外部流内では半径位置が一定の場合、下流に向かうにつれて内部流・外部流境界との距離が小さくなっていくので、電子温度と密度は共に増加していくように見えると考えられる。内部流内ではAr、4、8kAの電子温度は軸方向に低下していくが、十分下流域ではその低下量は小さくなり、それぞれ5000K、8000K程度になる。同様に、Arの電子数密度は放電電流4、8kA共に下流方向に小さくなり、十分下流域ではそれぞれ5×10^<18>m^<-3>、2.5×10^<19>m^<-3>程度になる。H_2では内部流内の電子温度と電子数密度は共に軸方向位置100〜300mmではほとんど変化しないが、300mm付近から低下し400mmではそれぞれ22500K、45×10^<19>m^<-3>程度になる。H_2の場合、半径100、150mmでは電子温度・密度は軸方向位置100mmから200-250mmまで急激に増加し、ピークを持った後ゆっくり減少していく。こうして、H_2では内部流と外部流の境界が明確に現れる。

Research Products

• [Publications] Hirokazu Thahara et al.: "Plasma Characteristics of a 10-KW-Class DC Arcjet"Proc. 23rd Int. Symp. Space Tech. and Sci.. 2002-b-35p. 407-412 (2002)
• [Publications] Hirokazu Tahara et al.: "Near-Substrate Plasma Characteristics and Relationships between Heat Fluxes of DC Plasma Jet"Proc. Int. Thermal Spray Conf. (ITSC 2002). Vol.1. 771-776 (2002)
• [Publications] Hirokazu Tahara et al.: "Plasma and Heat Flux Characteristics of a Supersonic Ammonia or Nitrogen/Hydrogen-Mixture DC Plasma Jet"IEEE Trans. Plasma Science. 4月号(印刷中). (2003)
• [Publications] Hirokazu Tahara et al.: "Material Spraying Using Electromagnetically Accelerated Plasma"Japanese Journal of Appl. Phys.. 4月号(印刷中). (2003)