2019 Fiscal Year Annual Research Report
推力密度の飛躍的な増加と冗長系の確保が可能な超小型エレクトロスプレー宇宙推進機
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18H01623
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
鷹尾 祥典 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80552661)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
土屋 智由 京都大学, 工学研究科, 教授 (60378792)
長尾 昌善 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (80357607)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 電気推進 / 電界放出 / イオン液体 / 超小型衛星 / 高密度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
10 kg級以下の超小型衛星にも搭載可能な超小型エレクトロスプレー宇宙推進機は推進効率が高いものの推力密度がかなり低い問題を抱えている。本研究では従来のMEMS（Micro Electro Mechanical System）プロセスに加えて、電界放出電子源（FEA: Field Emitter Array）の作製プロセスも利用することで、これまでより4桁程度電極実装密度の高いイオン源を作製し推力密度の飛躍的な増加を目指す。
2019年度は、昨年度作製した高密度実装イオン源の安定動作へ向けて、500 nm径のキャピラリ型エミッタの中心に微小ニードルを配置したキャピラリ・ニードル型二重エミッタ電極構造を有するイオン源の作製プロセス技術を構築した。昨年度はキャピラリ型のみのエミッタ構造であったため、イオン引き出し時にイオン液体が漏出しやすい問題があった。キャピラリの内部にさらに電極を残すことで流路を狭くし、流動抵抗の増加による漏出抑制を図った。また、前年度に引き続き、イオンを加速する加速電極についてもMEMSプロセスにより作製を行った。
一方、イオン液体からどのようにイオンが抽出されるかを把握することはイオンビーム軌道制御の観点から重要である。エミッタ先端のnmスケールで生じている現象を把握するため、分子動力学計算を用いたイオン抽出過程の解析を行った。イオン液体の種類を変えてエミッタ先端にあるイオン液体に電場が印加された状況を解析した結果、イオン液体の電気伝導率および表面張力に応じてイオンの引き出しやすさが変わり、理論と概ね良い一致を示した。
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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
研究実績の概要で述べた通り、FEAプロセスを利用した超高密度イオン源の改良およびそのプロセス技術構築、MEMSプロセスによる加速電極作製のプロセス技術構築、分子動力学シミュレーションによるイオン抽出過程の解析ができているため。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は以下の方法により研究を遂行する。
①MEMS/FEAプロセスを利用したイオン源の作製手法改良および確立： 引き続きイオン抽出特性の改善を目指すため、昨年度に作製したキャピラリ型とニードル型を組み合わせたエミッタ電極の歩留り向上を目指したプロセスの構築を行う。また、昨年度の過程で偶然出来た新たな構造についてもイオン源への利用ができないか検討を行う。さらに、エミッタ電極の裏面から推進剤を供給する機構を作製し、推進機としての性能評価が可能なシステム構築を図る。
②引き出し電流特性評価およびTOF測定： 作製した素子はRPA（Retarding Potential Analyzer）よるイオン電流およびエネルギー分布測定、飛行時間差から質量電荷比を求めるTOF（Time of Flight）測定によりビーム特性評価を行う。MEMSおよびFEAプロセスそれぞれで作製したスケールの異なる素子に関してビーム特性評価を行い、イオン単体として引き出し可能な機構（PIR: Purely Ionic Regime）の実現が可能な条件を探る。
③分子動力学計算によるイオン抽出機構の解析： 古典分子動力学コードLAMMPSを利用し、エミッタ先端にあるイオン液体に電場が印加された際のイオン抽出過程を解析する。イオン液体の種類に応じた引き出し開始エネルギー、発散角、電流を評価する。
④加速電極追加と推進性能の検証： 最終的には、FEAプロセスで作製したイオン源とMEMSプロセスで作製した加速電極の組み合わせを行う。エミッタ電極と加速電極の2段階ビーム加速で得られる推力密度の増加比を電流計測により検証する。
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