2019 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)
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)
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)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 原動機・推進 / 電気推進 / プラズマ計測 / プラズマ揺動 / 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ことが本研究の目的である。
本年度は、昨年度改良を行った70 GHz帯マイクロ波干渉計測システムを用いて、ホールスラスタの周方向４か所のプラズマ密度揺動の同時計測を行った。その結果として、同じ周波数の揺動が4か所で観測されたが、その揺動の大きさは測定場所によって大きく異なっていた。
中性粒子密度の高感度計測を目指し、コヒーレントレイリー散乱システムの構築を行い、大気圧下でのインコヒーレントレイリー散乱の１０００倍以上の感度で散乱光を受光できることを確認した。また４波混合のためのレーザー光軸調整が安定して行えることを確認した。しかし本研究で想定している低密度の中性粒子計測に対しては、コヒーレントレイリー散乱の特性を活用できないことが分かった。
数値解析の改良に関しては、昨年度に引き続き並列化による高速化に取り組み、100 W級小型ホールスラスタにおいて数値解析を行い、いわゆるレイノルズ応力が異常輸送に大きく寄与することが明らかになった。
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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
揺動計測システムに関して、システムを拡張し、ホールスラスタ内部のプラズマ密度揺動を周方向4か所で同時に計測することに成功するなど、着実な進展が見らえた。
数値解析においても、膨大な数値解析コストを必要とする第一原理的計算の高速化に取り組み、その結果として、レイノルズ応力による異常輸送が大きいことが分かるなど、当初の計画以上に進展して、成果を上げてきている。
コヒーレントレイリー散乱計測システムによる中性粒子密度計測系に関しても、大気圧下において、期待通りの感度であることを確認するとともに精度な精度で計測できることを確認するなど当初の予定通りの進捗であった。
数値解析の検証用に導入した宇宙空間模擬装置の拡張を行い、予定通りイオン速度計測ができることを確認した。
電子の速度計測に関して、当初予定していたピコ秒レーザーを用いたトムソン散乱計測において肝となる200psの時間分解能を持つ検出器が故障したため、急遽時間分解能１nsの光電子倍増管を用いて計測を行ったが、時間分解能1nsでは不十分なことが明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
構築した計測技術を用いてホールスラスタ内部の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に取り組む。
中性粒子計測に関しては、コヒーレントレイリー散乱を用いた計測システムでは計測が難しいことが明らかになったため、誘導ブリルアン散乱（SBS)現象を利用した、既存のナノ秒パルスレーザーのピコ秒パルス化を行い、迷光とレイリー散乱の分離によるS/N比の改善を進める。ピコ秒圧縮後のレーザーと検出器（ICCDカメラ）との高精度な時間同期がカギとなるため、光トリガシステムを新たに構築し、精度向上を図る。
LIF（レーザー誘起蛍光）法を用いてイオンの速度を計測し想定通りの精度が出ることを確認したため、本年度はホールスラスタの揺動と同期した計測が可能なような時間分解LIF計測システムを構築し、電場揺動の定量化に取り組む。
昨年度取得した揺動データはビッグデータであるため、揺動の伝搬方向及び伝搬速度、波数を同定、さらに揺動間の結合の度合いが解析できる解析プログラムを開発し、揺動間のエネルギー伝達を明らかにするとともに、揺動と異常輸送の理論モデルの構築を目指す。さらに、揺動計測においても、更なる多チャンネル化に取り組み、より詳細な揺動特性を把握できるようにする。
電子速度計測に関して、昨年度は計測機器の故障等で滞っていたが、今年度再チャレンジして、推進機から放出される電子の速度計測を行いつつ、速度分解能向上を目指す。
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