Physics of energy transportation and momentum conversion on moving from electron heating to magnetic nozzle acceleration

从电子加热到磁喷嘴加速的能量传输和动量转换物理学

基本信息

批准号：
21J15345
负责人：
江本一磨
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

電気推進機への応用を目指した磁気ノズル加速の運動論的解析を行い、推進機内部で起こるプラズマ物理の解明と性能向上に向けた数値的研究を行った。計算手法としてparticle-in-cell / Monte Carlo collisions法を採用し、電磁場中のイオン・電子の運動と粒子間衝突を扱うシミュレーションによって磁気ノズル内部のプラズマ流れを再現した。その結果、RF加熱によって生成された高エネルギー電子輸送ならびに推進機内部の密度構造形成を明らかにするとともに、磁気ノズルによるプラズマ膨張現象における電子エネルギー依存性を明らかにする研究成果を得た。内部の密度構造によって推進性能が変わることが実験的に示唆されていたため、密度構造がどのようなプラズマ物理によって決まるかを明らかにする本成果は、推進機の性能向上に向けた設計指針となる意義がある。また、プラズマ膨張現象における電子エネルギー依存性に着目したことで、実験研究によって示唆されていたシースの重要性を支持する結果が得られた上、高エネルギー電子によるプラズマ中のエネルギー輸送を示唆する結果となった。これらの研究成果は、実験研究において示唆されていたプラズマ流れを数値的に検証したものであり、磁気ノズル内部のプラズマ物理を運動論的視点から解明した点に重要性がある。さらに当該年度は中性粒子の流れ解析を新たに実装し、プラズマ中の荷電粒子と中性粒子を同時に解析する計算コードに拡張した。今後は、中性粒子流れが磁気ノズル加速においてどのような影響を及ぼすのかを解析することにつながり、磁気ノズル推進機のさらなる性能向上に向けた知見が得られることが期待される。

我们对磁喷嘴加速度进行了动力学分析，旨在将其应用于电力推进机，并进行了数值研究，旨在阐明推进机内部发生的等离子体物理并提高其性能。采用粒子内细胞/蒙特卡罗碰撞法作为计算方法，通过模拟处理电磁场中离子和电子的运动以及粒子之间的碰撞，再现磁性喷嘴内的等离子体流。其结果是，我们获得了阐明射频加热产生的高能电子传输和推进机内部密度结构形成的研究成果，并阐明了磁喷嘴引起的等离子体膨胀现象的电子能量依赖性。实验表明，推进性能的变化取决于内部密度结构，因此这一结果揭示了什么样的等离子体物理决定了密度结构，对于提高推进器的性能具有重要意义。此外，通过关注等离子体膨胀现象的电子能量依赖性，我们获得了实验研究表明的支持鞘层重要性的结果，以及表明高能电子在等离子体中进行能量传输的结果。它变成了。这些研究结果在数值上验证了实验研究中提出的等离子体流，并且很重要，因为它们从动力学角度阐明了磁喷嘴内的等离子体物理。此外，今年我们实施了新的中性粒子流分析，并将其扩展为同时分析等离子体中带电粒子和中性粒子的计算代码。未来，预计这将有助于分析中性粒子流如何影响磁喷管加速度，并为进一步提高磁喷管推进机的性能提供知识。