2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Advanced Electrodeless Electromagnetic Acceleration Method and Analysis of Physics Phenomena Using Helicon High-Density Plasma
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17H02995
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
篠原 俊二郎 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 名誉教授 (10134446)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大西 直文 東北大学, 工学研究科, 教授 (20333859)
桑原 大介 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60645688)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | プラズマ / ヘリコン波 / 無電極 / 加速 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電気推進は化学推進と比べ比推力（排出速度に比例）が高く、将来の全電化衛星・惑星軌道間輸送用など、プラズマを用いた電気推進ロケット開発は今後の喫緊の課題である。「はやぶさ」を超える長寿命化と大電力化で行う木星以遠の深宇宙探査も含め、この開発は大きな挑戦と言える。プラズマと電極が直接接しない 無電極推進法の確立では長寿命となるため、従来の方法での短所がなくなり非常に有望である。ここでは、新提案しているヘリコン高密度プラズマ生成と革新的電磁加速を全て無電極で行い、その物理現象解析を先進診断と理論・シミュレーションを駆使して行い、新たな知見と最適化によりプロトタイプモデルの構築を 目指す。
本年度は2年目にあたり、初年度に整備したヘリコン高密度プラズマ生成と電磁加速・解析用の装置・コードを用いて研究を始めた。
1) 高密度ヘリコンプラズマ生成に関しては、LMD装置で加速のためのパラメータサーベイを更に進めた。新方法のガス供給(パイプによる内部供給と超音速ガス供給、圧力測定用のピラニーゲージを使用)の実験を始め、密度やスラスト上昇など良好な結果を得た。SHD装置では、従来よりも高い周波数印加より、世界最小を更新した1 mm直径のプラズマの特性解析を行った。 2) 高密度ヘリコンプラズマの無電極電磁加速では、a) 回転磁場(RMF)加速による電磁場の時空間測定と誘起電流の評価を行い、b) m = 0半周期加速の基礎実験を更に進めた。
3) 先進診断では、2次元駆動機構でのプローブ測定、絶対密度測定用のマイクロ波干渉計、レーザー誘起蛍光法、衝突輻射モデルの開発、トモグラフィ分光計測データを集積した。
4) 流体コードを用いたシミュレーション計算では、本提案のm = 0 加速実験の条件で行い、外部磁場の浸透によりプラズマ内に周期的な電磁場が形成され、加速効率に影響することが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度に新たに発注した高電力化の高周波電源は、メーカーの問題でトラブルが何度もあったにも関わらず、予定通り順調(多くは予定以上)に進めることができ た。 すなわち、研究実績の概要にあるように、研究テーマの主要部分である、無電極によるプラズマ生成と加速(幅広い領域での高密度プラズマ生成、加速機構の物理評価)、種々の先進プラズマ診断、及びシミュレーションコード開発の研究は、非常に順調に進めることができた。なお、これらの成果により、研究論文5編、発表49件を行うことができた(更に、卒業論文4編、修士論文3編にも貢献)。
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| Strategy for Future Research Activity |
無電極プラズマ生成に関しては、加速を行うターゲットプラズマの最適化と、種々のサイズ（特に極端小半径のmmサイズ、またはそれ以下）の高効率のプラズマ生成を目指す。新たな2つの中性ガス注入法（挿入パイプ穴からの定常ガス流と外部からの超音速ガス流）の得失も更に進めていく。
提案している無電極プラズマ加速については、回転磁場(RMF)加速とm=0電磁加速を更に最適化を念頭に進める。前者の加速では誘起磁場の時空間分布測定から、周方向電流分布導出の緻密化と電流値の向上を目指す。付随した密度上昇効果も調べる。後者の加速では外部パラメータのスキャンと、密度、速度の時空間変化を求め、本手法の有効性を他方法との比較も含め調べる。
先進的診断に関しては以下である。前者では衝突輻射モデルを改良してプローブ測定と比較し、適用条件の検討と極端小口径での計測を進める。レーザー誘起蛍光法ではスラスト特性を評価すると共に、磁場強度、磁力線方向と、イオン流速方向を求め、デタッチについても探る。トモグラフィーの手法（種々の提案法をチェック）を用いた高速度カメラによる時空間変化測定も、上記で改良した衝突輻射モデル（高エネルギー側の順位と最新衝突断面積の導入）も援用して進める。
シミュレーションに関しては、計算を更に進め、実験（特にm=0加速）の結果との比較を試みる。また、移動磁場パルスによる加速方式についても検討を行い、移動磁場により形成される電気二重層からイオンビームが形成される過程を理論的に解析する。
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