2021 Fiscal Year Final Research Report

Understanding of anomalous transport in Hall thrusters

Research Project

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Project/Area Number	18H03815
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	Yamamoto Naoji 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (40380711)
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) 富田健太郎北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70452729)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords	ホールスラスタ / 異常輸送 / プラズマ揺動 / レーザー診断 / マイクロ波干渉計測計 / ピコ秒レーザー / プラズマ乱流
Outline of Final Research Achievements	To understand anomalous electron transport in a Hall thruster, plasma turbulence inside the acceleration channel was observed using a E-band microwave interferometer. The dependence of the amplitude of the turbulence on magnetic flux density, and the relations between the turbulence and other plasma perturbations and between the turbulence and the discharge current, were investigated through power spectral density and bi-coherence analysis. The turbulence has a positive relation to the discharge current, leads to anomalous electron transport inside the acceleration channel, and is coupled with ionization instability. Low frequency perturbations (several hundred Hertz) were observed; this low frequency perturbation could be a key to suppressing plasma turbulence. In addition, we showed usefulness of the short pulse width laser (picosecond laser) diagnostics for the measurement inside the Hall thrusters.
Free Research Field	航空宇宙工学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究の最大の成果はホールスラスタの異常輸送にはこれまであまり注目されてこなかったプラズマ乱流が影響していることを実験的に示したものであり、異常輸送を抑制し、推力電力比向上にはこのプラズマ乱流の制御が鍵となることを示したことである。この成果をさらに発展させ、プラズマ乱流の物理機構を解明することで、異常輸送の抑制が可能になり、推力電力比90 mN/kWを超えるホールスラスタ開発への道が開ける。このホールスラスタは宇宙利用コストの大幅な削減を通して安全安心社会の構築に貢献する。