2018 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding of anomalous transport in Hall thrusters
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18H03815
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
山本 直嗣 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (40380711)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横田 茂 筑波大学, システム情報系, 准教授 (30545778)
桑原 大介 中部大学, 工学部, 講師 (60645688)
富田 健太郎 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (70452729)
森田 太智 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (30726401)
張 科寅 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究開発員 (40710596)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 電気推進 / プラズマ計測 / 揺動 / 原動機・推進 / 宇宙推進 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人工衛星の重量を半減させたオール電化衛星の成功により、宇宙の推進装置にも電気エネルギーを推進力に変換する電気推進を採用する流れが加速している。オール電化衛星の推進系には、推力電力比が大きいホールスラスタが有力候補であり、JAXAの次期技術試験衛星への搭載が見込まれている。このホールスラスタ開発の鍵となるのが、推力電力比向上を阻害する電子の異常輸送（電子が理論値よりも輸送されやすい）の抑制である。異常輸送の要因として、プラズマの揺動（揺らぎ）が示唆されている。しかしながら従来の計測方法では、原因究明に必要な中性粒子密度等のスラスタ内部の物理量を、十分な精度で測定することが出来ず、異常輸送の物理機構解明に至っていない。そこで異常輸送を引き起こす物理機構を解明するために、本年度は、計測技術及び数値解析の改良に取り組んだ。
具体的には、10MHzの周波数までの電場の揺動が計測できるように測定装置を構築し、ホールスラスタの生成領域付近の電場揺動を計測した。結果として、異常輸送が見られる時に、1－2 MHzの電場揺動が大きくなる事を確認した。また、70 GHz帯マイクロ波干渉計測システムの信号処理回路の高速化を図り、電場揺動と同じ10 MHzまでのプラズマ密度の揺動を計測できるシステムを構築した。このシステムを内部計測可能名用に改良したホールスラスタに適用して計測したところ、密度揺動を確認した。また、ピコ秒レーザーを用いた中性粒子密度計測の検出限界向上に取り組み、検出限界を一桁下げる事に成功した。
数値解析の改良に関しては、並列化による高速化に取り組むとともに、周方向の電場揺動をモデルに組み込んだ。
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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
揺動計測システムに関して、密度および電場の二つの揺動計測システムの改良を行い、揺動と異常輸送の間での因果関係を示すデータの取得に成功するなど、当初の予定以上の成果が得られた。
一方、納品されたレーザーに不具合が見つかり、3月末に再納品されたため、コヒーレントレイリー散乱計測の結果は取得できていない。しかしながら、計測対象のプラズマ発生装置の開発を行い、プラズマ源の作動確認及び基礎データの取得は終わっており、コヒーレントレイリー散乱計測実験の準備は完了しており、すぐに感度及び精度向上の実験に取りかかれる状況にある。また、数値解析の検証用に導入予定であった宇宙空間模擬装置に関して、予期せぬ業者の撤退により、計画通りに研究用資材を入手できなくなったため、遅れているが、その間に次年度に予定していた計測装置の感度向上に前倒しで取り組み、感度向上に成功しており、次年度研究用資材が導入されればすぐにでも計測可能な状況になっている。
数値解析における高速化に関しても、当初計画より一年づつ4年間かけて高速化していく予定であり、当初通りの進捗である。
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| Strategy for Future Research Activity |
電子の輸送は、電場と中性粒子との衝突により支配されてため、中性粒子密度や電子の速度および電場強度を十分な精度および分解能で計測出来るように計測システムを構築してきた。また、異常輸送の主因と考えられている揺動計測するためのシステムを構築してきた。 今後は、構築した計測技術を用いてプラズマ計測を行うと共に、引き続き数値解析コードの改良を行う。
ホールスラスタにおいては周方向のプラズマの不均一性がドリフト不安定性と呼ばれる揺動を励起し、これが異常輸送を引き起こすとされている。そこで、本年度開発したコードの改良を続けると共に、θ―zの2次元コードを開発し、周方向揺動が出現する条件を検討する。
中性粒子の計測に関しては、構築したコヒーレントレイリー散乱を用いた計測システムの感度及び速度分解能向上を目指す。計測しやすい大気圧プラズマを用いて、速度分解能の限界を見極める。その過程において、感度向上のためのノウハウを取得し、高真空環境下での計測のための準備を行う。
LIF（レーザー誘起蛍光）法を用いてイオンの速度を計測し、生成領域中の軸方向電場を計測する。電子の速度計測に関して、推進機の高速電子をピコ秒レーザーを用いたレーザートムソン散乱法を用いて計測する。さらに、推進機から排出される高速電子のプラズマに対して、散乱光の多方向計測を行い、速度ベクトルを算出しつつ、分解能向上に当たる。並行して、時間分解トムソン散乱計測システムの構築し、揺動場での速度の揺動を捉える事が出来るのか検証する。
揺動計測は、昨年度構築した非接触計測である70 GHz帯マイクロ波計測システムを多チャンネル化し、揺動の伝搬方向及び伝搬速度、また波数同定を目指す。これにより、揺動の特性を明らかにし、この揺動がどのような物理メカニズムで生じているのかを明らかにする。
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