2019 Fiscal Year Annual Research Report
All-round Micro-propulsion System for Multipurpose Utilization of Microsatellites
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16H06370
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小泉 宏之 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (40361505)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
船瀬 龍 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70509819)
鷹尾 祥典 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80552661)
中野 正勝 東京都立産業技術高等専門学校, ものづくり工学科, 教授 (90315169)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 超小型衛星 / 電気推進 / プラズマ / 深宇宙探査 / 水 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，推進剤として水を活用し3種類の高効率／大推力／多軸制御可能なスラスタを統合させたオールラウンド超小型推進系を実現させることである．この目的に向けて2019年度に下記３つの柱の研究を進めた．
１．水イオンスラスタは実験と数値計算の両面から研究を進めており，本年度は両者から大幅な性能向上策をえることができた．実験では，壁面電位の変更によって推力が２倍近くまで上昇することが示された．計算では，中和器における電子引出し機構の解明から，磁場形状の変更を実施することで，電子引き出し効率が約２倍にまで増える効果が確認された．この数値計算による予測は実験でも一部が確認できている．
２．水レジストジェットスラスタは，その応用（実小型衛星への適用）が複数進む中で，システム統合時の熱モデル構築およびスラスタ単体の特性把握が進んだ．特に後者では，レイノルズ数および実験背圧の影響の解明，希薄気体流の電子ビーム測定方法の確立，不規則な液滴蒸発履歴の機械学習による予測が進んだ．
３．水ハイブリッドスラスタに関しては，水蒸気中の金属燃焼試験が大きく進み，実機応用への可能性が大きく高まった．この始点は，細線加熱による基礎研究であり，これにより酸化皮膜が燃焼を阻止する条件において，どのように着火が達成されるかが解明された．これをうけて，実機応用を見据えた高電圧放電の試験が進み，実機としての実現性検討が達成された．この成果は特許性が認められるため，出願に向けて動いている．さらに，別の方法として粉体燃焼の初期試験および検討も進み，実機応用に向けて複数の可能性が示された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
水イオンスラスタの実験では，壁面電位変更により推力が倍近くまで上昇することが確認され，それが密度向上および電位分布変化の複合要因であることが示唆された．計算では，電子引き出し機構の解明に注力し，電子引き出し効率が約2倍にまで増える成果が得られた．オリフィスを通過する磁場形状が重要な役割を果たし，放電室内の電子閉じ込め効果が寄与することが明らかになった．これまでの膨大な実験データを整理し，20以上の反応を考慮した水プラズマモデルにより，同スラスタ性能の説明に成功した．耐久性能評価に必須の水イオンのスパッタ収量に関して，微分スパッタ収量測定装置による計測に加え，同理論モデルに必要であるイオン種情報を得るため，E×B probe，分光器，四重極質量分析器を用いた実験を進め，得られたデータをビーム解析コードに取り入れた解析が進んでいる．
宇宙飛翔実機の開発が進む水レジストジェットスラスタでは，フライト実機（およびその試験モデル）の検証を通して，熱モデル構築に関して論文投稿中であり，一部の結果が博士論文としてまとめられた（この一部を投稿準備中）．イオンとレジストの統合スラスタの提案と評価は学術誌に掲載された．新しい試みとして，機械学習を用いて液滴蒸発挙動および生成推力を予測する方法が考案され，実機開発に利用されている．電子ビームによる希薄気体流の測定は，電子源および解析方法の改良を進んだ（論文投稿準備中）．
ハイブリッドスラスタに関しては，水／金属の燃焼に大きな発展があった．細線加熱の基礎実験により，MgおよびAlが水蒸気中において燃焼する機構が解明された．また，同研究をベースとして高電圧放電による着火とその燃焼試験に成功し，実機応用に対する実現性検討に成功した．さらに，並行して進めた粉体燃焼においても燃焼が確認され，実スラスタの実現に向けて複数の道筋が見えてきた．
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| Strategy for Future Research Activity |
水イオンスラスタに関しては，これまでに実験および数値計算の両者により得られた性能向上知見を総動員することで，ベストパフォーマンスモデルの構築と実証を行う．さらに，水プラズマモデルの構築により広範囲における性能予測が可能となったことを受けて，大電力作動の実証を目指すとともに，イオンスラスタの重点項目である長時間作動試験に取り組む．数値計算については，今後，さらなるパラーメータ変更を可能とすべく，ユーザービリティの向上に務める．
水レジストジェットスラスタに関しては，実機に応用された機体を通じて，その特性把握を進める．また，電子ビーム密度測定および６軸推力測定についての研究を進める．
水ハイブリッドスラスタは，最終年度の最重要課題であり，前年度に得られた大きな発展をベースに，実際の推進性能取得および実機デモモデルの構築を進める．また，一部の技術については特許性が認められているため，特許出願を実施予定である．
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Research Products
(53 results)
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[Journal Article] AQT-D: CubeSat Demonstration of a Water Propulsion System Deployed from ISS2020
Author(s)
Yaginuma K, Asakawa J, Nakagawa Y, Tsuruda Y, Koizumi H, Kakihara K, Yanagida K, Murata Y, Ikura M, Matsushita S, Aoyanagi Y, and Matsumoto T
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Journal Title
Transactions of Japan Soc. for Aeronautical and Space Sci.
Volume: 印刷中
Pages: 印刷中
Peer Reviewed
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