Improvement of Microwave Discharge Ion Engine with Antenna for Uniform and High dense Plasma Generation

带天线的微波放电离子发动机的改进以产生均匀高密度等离子体

基本信息

批准号：
16560691
负责人：
NAKASHIMA Hideki
金额：
$ 2.3万
依托单位：
KYUSHU UNIVERCITY
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-16560691/
关键词：
ion engine plasma numerical simulation microwave deep space explore electron cyclotron resonance space propulsion ion beam source マイクロ波放電モノポールアンテナ

项目摘要

The aim of this study is developing a novel microwave discharge ion thruster, uniform plasma generation and high thrust density in cooperation with Japan Aerospace Exploration Agency.Numerical simulation was done in order to optimize the engine configurations for developing two size ion engines. We have developed a code coupling particle-in-cell (PIC) method and finite difference time domain (FDTD) one. Adopting these methods has advantages in that PIC method can treat collision process and distribution function while FDTD method can analyze absorption of microwave in plasma.The following conclusions were obtained.1) With respect to microwaves propagation, the dependence of antenna configuration on microwave propagation efficiency was proved, this led the optimum antenna configuration.2) With respect to the plasma production in the discharge chamber, electrons existing between the yokes are energized from the ECR and the electric field of high strength near the antenna, and the plasma is maintained by ionization collisions of the energized electrons.3) the antenna needs to be close to the ECR region for the effective plasma production.Applying the design law from numerical analysis, novel 100 mm class ion engine was developed and the thrust performance of it was measured. The thruster performance of this engine, propellant utilization, ion beam production cost, are 0.62,276 W/A, respectively, at mass flow rate =0.24 mg/s, and incident microwave power = 32 W.On the basis of numerical simulation results and experimental results of 100 mm class ion engine, a miniature microwave discharge ion engine was developed. The thruster performance of the miniature ion engine, propellant utilization, ion beam production cost, estimated thrust, estimated specific impulse and estimated thrust efficiency are 0.92,590 W/A,0.80 mN,4,180 sec and 0.58,respectively, at mass flow rate =0.020 mg/s, and incident microwave power = 10 W.

这项研究的目的是开发一种新型的微波排放离子推进器，均匀的等离子体产生和高推力密度与日本航空航天勘探机构合作。进行了数量模拟，以优化开发两个尺寸离子发动机的发动机配置。我们已经开发了一个代码耦合粒子中的粒子方法（PIC）方法，有限差时间域（FDTD）。采用这些方法具有该PIC方法的优点，可以治疗碰撞过程和分布功能，而FDTD方法可以分析在等离子体中的微波吸收。获得以下结论。1）关于微波传播，天线构型的依赖于微波的传播效率事实证明，这导致了最佳天线构型。2）关于放电室中的血浆产生，轭之间存在的电子从ECR和天线附近的高强度的电场充满电，并且血浆由3）天线需要靠近ECR区域以进行有效的等离子体产生。从数值分析中，开发了新型的100 mM离子离子发动机的设计定律，并测量了它的推力性能。该发动机的推进器性能，推进剂利用率，离子束的生产成本分别为0.62,276 W/A，质量流速= 0.24 mg/s和入射微波功率= 32 W.ON数值模拟结果的基础和100 mM级离子发动机的实验结果，开发了微型微波离子发动机。微型离子发动机，推进剂利用率，离子束生产成本，估计推力，估计的特异性脉冲和估计推力效率的推进器性能分别为0.92,590 W/A，0.80 MN，4,180秒和0.58 0.020 mg/s，入射微波功率= 10W。

项目成果

期刊论文数量（52）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

A Miniaturized Ion Thruster and Neutralizer with Microwave Discharge

微波放电小型化离子推进器和中和器

DOI：
发表时间：
2005
期刊：
56^<th> Int.Astronautical Congress, IAC-05-CIAC-05-C4.4.02
影响因子：
0
作者：
N.Yamamoto;et al.;N.Yamamoto;K.Izumi;M.Tanisho
通讯作者：
M.Tanisho

Research and Development Status of Microwave Discharge Ion Thruster μ20

微波放电离子推进器μ20研发现状

DOI：
发表时间：
2005
期刊：
Proc.29^<th> Int.Electric Propulsion Conference, IEPC-2005-055
影响因子：
0
作者：
N.Yamamoto;et al.;N.Yamamoto;K.Izumi;M.Tanisho;中山宜典;K.Nishiyama
通讯作者：
K.Nishiyama

Electromagnetic Field Analysis for Microwave Discharge Ion Engine using Multi-monopole Antenna System

使用多单极天线系统的微波放电离子发动机电磁场分析

DOI：
发表时间：
2005
期刊：
56^<th> Int.Astronautical Congress, IAC-05-CIAC-05-C4.P.03
影响因子：
0
作者：
N.Yamamoto;et al.;N.Yamamoto;K.Izumi
通讯作者：
K.Izumi

Development of an Electromagnetic Particle Code for Space Propulsion Application Using ECR Discharge

使用 ECR 放电开发用于空间推进应用的电磁粒子代码

DOI：
发表时间：
2004
期刊：
24^<th> International Symposium on Space Technology and Science, ISTS 2004-b-11
影响因子：
0
作者：
N.Yamamoto;et al.;N.Yamamoto;K.Izumi;M.Tanisho;中山宜典;K.Nishiyama;H.Masui;T.Miyamoto;Y.Takao;H.Masui
通讯作者：
H.Masui

Development of a New Microwave Discharge Type Ion Engine

新型微波放电式离子发动机的研制