マイクロ波放電式中和器の大電流化およびプラズマ物理現象の解明

微波放电中和器电流的增加和等离子体物理现象的阐明

基本信息

批准号：
20J13041
负责人：
森下貴都
金额：
$ 1.09万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

マイクロ波放電式イオンエンジンは、「はやぶさ」小惑星探査機において推力8mNであったが「はやぶさ2」では10mNへと高出力化された。一方で「はやぶさ」での中和器劣化に示されるように中和器プラズマの解明が課題である。本研究は、イオンエンジンの適用範囲拡大のためにさらなる高出力化を目標とする。そのための中和器電子電流の増強及び、今後の性能向上と劣化メカニズム解明の知見となる内部のイオン速度場および密度計測を目的とする。初めに内部を光学的に観測可能な可視化中和器を開発した。可視化中和器は「はやぶさ2」実機相当の中和器と比較して電圧値が2％以下の誤差であることが確認された。続いてプルーム上を2次元的にレーザー誘起蛍光法で計測しイオン速度分布関数(IVDF)と密度の空間分布を明らかにした。プルームのイオン電流割合は5%と限定的であったことから、耐久性に関わるイオンエネルギーは放電室内壁近傍のシース内で与えられるものが主であり、下流のプラズマ構造の変化は最上流の内壁のイオン衝撃に大きく影響しないことが示唆された。続いて内部のアンテナ直上では3つのピークを持つIVDFが計測された。イオンの振動と多峰性IVDFの関係性について調査するため、アノード電流振動と放射スペクトルを計測し両計測とも180kHzを基本波が確認された。本結果をイオン振動モデルに適用したところ、計測された多峰性IVDFにR2=0.82で整合した。続いて性能向上した中和器の計測では、プルーム上で2倍、内部で40%の密度増加を確認し、高密度プラズマが性能向上に寄与したと示された。以上を要するに、本研究ではマイクロ波放電型イオンスラスタμ10 の最大推力向上を目的として、中和器のイオン速度場・密度場を初めて網羅的に明らかにした。性能向上モデルにおける差異を解明し、寿命律速要因の解明に重要な定量的知見を初めてもたらした。

微波排放离子发动机在Hayabusa小行星探针上的推力为8MN，但Hayabusa 2的输出较高，至10MN。另一方面，挑战是阐明中和血浆，如Hayabusa中的中和器恶化所示。这项研究旨在进一步增加离子发动机的应用范围。因此，目的是增加中和电子电流并测量内部离子速度场和密度，这些速度和密度是知识渊博的，这些速度对未来的性能改善和阐明降解机制是有知识的。首先，我们开发了一个可视化中和，可以对内部进行光学观察。已经证实，与相当于实际的Hayabusa 2机器的中和器相比，可视化中和的电压值小于2％。接下来，通过激光诱导的荧光在二维测量羽流，以揭示空间分布函数（IVDF）和密度。羽流的离子电流比限制为5％，这表明与耐用性相关的离子能主要在排放室壁附近的鞘内给出，并且下游血浆结构的变化对上游内壁的离子影响没有显着影响。接下来，直接在内部天线上方测量了具有三个峰的IVDF。为了研究离子振荡与多模式IVDF之间的关系，测量了阳极电流的振荡和辐射光谱，并确认基本波在180 kHz处确认用于两种测量。当将结果应用于离子振荡模型时，它们与在R2 = 0.82时测得的多模式IVDF一致。接下来，在测量中和以提高性能的测量中，密度增加了两倍，内部增加了40％，这表明高密度血浆有助于提高性能。简而言之，这项研究首次全面研究了中源的离子速度和密度场，目的是改善微波排放型离子型进油器μ10的最大推力。这导致了第一个定量发现，这些发现对于阐明绩效改善模型和阐明生命限制因素的差异很重要。

项目成果

期刊论文数量（11）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

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DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Application of a microwave cathode to a 200-W Hall thruster with comparison to a hollow cathode

微波阴极在 200 W 霍尔推进器中的应用与空心阴极的比较

DOI：
10.1016/j.actaastro.2020.06.049
发表时间：
2020
期刊：
Acta Astronautica
影响因子：
3.5
作者：
Morishita Takato;Tsukizaki Ryudo;Yamamoto Naoji;Kinefuchi Kiyoshi;Nishiyama Kazutaka
通讯作者：
Nishiyama Kazutaka

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