2023 Fiscal Year Research-status Report
Development of the small ion engine with a built-in neutralizer
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22K04541
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| Research Institution | Nishinippon Institute of Technology |
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Principal Investigator |
鷹尾 良行 西日本工業大学, 工学部, 名誉教授 (60206711)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 推進・エンジン / 航空宇宙工学 / 宇宙電気推進 / イオンエンジン / マイクロ波放電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙環境の利用のためにStarlinkなど、300kg以下の人口衛星が既に7000機以上打ち上げられており、各利用分野で重要な役割を果たしている。2022年には50kg以下の衛星の打ち上げが既に400例を超えており、小型衛星の研究、利用の要求は増加傾向にある。従来の大型衛星と比して、小型衛星が短期間・低コストで製作できる為で、地球観測や通信での有用性が実証されつつある。特に、Starlinkの有用性は近年証明されたところであり、電気推進器が搭載されている。この様な背景で、イオンエンジン等の小型推進機の需要は高まる傾向にあり、「はやぶさ1・2」で長寿命であることを証明したマイクロ波放電式イオンエンジンは、構造が簡単であり、その候補と考えられる。マイクロ波放電式イオンエンジンは、円筒形の放電室とその外周に設置された円柱型永久磁石、放電室開放部（下流）に設置した2～3枚の静電グリッドおよび放電室内にマイクロ波を導入するアンテナ（放電室上流に設置）で構成されている。放電室内部には外周部の永久磁石により磁場が生成されており、マイクロ波の交流電界と外部磁場による電子サイクロトロン共鳴（ECR）により放電室内の電子は加熱(加速)され、推進剤がプラズマ化される。このプラズマ内の正イオンを静電グリッドで引き出し、噴出することにより推力を生成する。
この様にイオンエンジンはプラスイオンを噴出し推力を発生するが、エンジンの電気的な中性化のために電子の放出源（中和器）が必要であり、イオン源と電子源を別々に作製する必要がある。
本研究では、5cm級以下のマイクロ波放電式イオンエンジンの単一の放電室から、イオンと電子を同時に引出すタイプの小型推進器を作製し、エンジンの電気的中和性に関する特性を明確にする。この研究によって、新型小型推進器の設計例を得ることを目的としている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は、①既存の5cm級の可変磁場型マイクロ波放電式イオンエンジンを用いての実験、②永久磁石に電磁石を加えた背景磁場生成型のイオンエンジンの製作、③電子とイオンの引出し孔を有する静電グリッドを用いたイオン引出しと電子引出しの個々の実験を行った。なお、静電グリッドの電子引出し孔は、前年度の研究をうけて、10ヶ所に増加している。①の可変磁場型マイクロ波放電型イオンエンジンは、イオンエンジンの放電室外周部の背景磁場生成用磁石に加えて、円筒型放電室の軸方向と半径方向に移動できる6個の永久磁石を放電室内部に配置した構造でイオンエンジンを駆動中に放電室内の磁場配位を変更しプラズマ形状を変えることが出来る。②の永久磁石と電磁石による背景磁場生成型のイオンエンジンは、推進剤の漏洩の軽減によるプラズマ密度の向上と磁場形状の変更を目的としたものであった。
現在までの進捗状況を次に記す。①イオンの引出し孔に10ヶ所の電子引出し孔を加えた静電グリッドを設計・製作した。 ②作製した静電グリッドおよび可変磁場型マイクロ波放電式イオンエンジンを用いて、Xeを推進剤としてイオン引出し実験を行った。イオン引出し量は、従来の静電グリッドと同程度であった。 ③作製した静電グリッドを用いて、電子の引出し実験を行った。電子の引出し量はイオン電流の1/5程度と前年度より増加した。引出し位置でのプラズマ密度の向上が必要である。④電磁石を永久磁石に加えたマイクロ波放電式イオンエンジンを製作したが、電磁石による背景磁場の向上が見られなかった。また、コイルの発熱の問題もあり、この方式は次の開発課題とする。⑤マイクロ波式イオンエンジンの上記のイオンおよび電子引出し実験結果を学会で報告した。
以上の成果より、進捗状況を「やや遅れている」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究で得られた知見を基に、中和器内蔵型の小型マイクロ波放電型イオンエンジンの研究を、以下の方策にて推進する。
①放電室内部のプラズマ密度の向上：既存の背景磁場可変型マイクロ波放電式イオンエンジンの放電室に、放電グリッド以外からの推進剤漏洩防止策を施し、プラズマ密度を向上させる。②イオンエンジンの電気的中性化の測定：イオン引出し電源および電子引出し電源を絶縁トランスで直流的に独立させ、イオンおよび電子の同時引出しを行いイオンエンジンの電気的中性化に関する実験データを収集する。③成果をまとめ国内外の学会で発表する。
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| Causes of Carryover |
永久磁石と電磁石を加えたイオンエンジンの背景磁場可変機構の製作、実験に時間を要したこと。また、電子引出し実験において、電子引出し用の500V直流電源が故障したためである。さらに、マイクロ波電源のメインテナンスが必要となり、全体的な研究進捗に遅れが生じたためである。なお、本年度の研究費の大部分は校費で賄うことが出来た。
次年度は、内部プラズマ密度を向上したマイクロ波放電式イオンエンジンを用いた電子とイオンの同時引き出し実験を行う。イオンエンジンの改良は、西日本工業大学の技術センターによる部品製作と精度の必要な部品は外部発注で行う。種々の金属材料を使用し、加工のための工具が必要となる。これらイオンエンジンの実験機器は、研究の基本であり繰り越した研究費も使用する。
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