効率と安定性のトレードオフ限界を超える超小型直流放電の実現とイオン推進機への応用

超越效率与稳定性折衷极限的超小型直流放电的实现及其在离子推进器中的应用

基本信息

批准号：
22K18855
负责人：
鷹尾祥典
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18855/
关键词：
電気推進イオン源電子源グラフェン超小型衛星

项目摘要

近年、超小型衛星の打ち上げ数が激増しており、大規模コンステレーションや深宇宙探査にも使われ始めている。このような高度なミッションには高い増速量と高い比推力（燃費に相当）を有する推進機が不可欠であり、その筆頭格はイオン推進機である。しかし、小型化すると表面積割合の増加から性能の劣化が避けられず、特に元来小さい電子源（中和器）はなおさらである。本研究では、中和器側の抜本改善策として、上部電極をグラフェンとし低電圧作動が可能で推進剤が不要な高電流密度平面型電子源を利用することで比推力を大幅に向上させる。また、電子透過性の高い保護膜を付けることでプラズマ耐性を高め、イオン源用の電子源としても利用する。この電子源と金属陰極との併用によりこれまで安定しなかった高電流密度モードを実現させ、イオン源の効率を大幅に引き上げる。効率と安定性のトレードオフ限界を克服することで、従来とは根本的に異なる新しい直流放電型イオン源を創出することを目的とする。2022年度は、電子源のイオン衝撃耐性向上として、プラズマ耐性のある保護膜（六方晶窒化ホウ素: h-BN）をGOS型電子源へ適用するため、CVDを利用した保護膜プロセスの最適化により、欠陥の無い保護膜付き電子源の作製を行った。一方、電子源の保護膜作製と並行し、まずはフィラメント電子源を利用したイオン源作製を進め、最適な磁場配置および電位構造の設計指針を構築した。それに基づき、作製した超小型イオン推進機の放電実験でプラズマ診断によりポテンシャル構造の把握を行うとともにイオンビーム引き出し実験を行った。

近年来，发射的微型卫星数量急剧增加，目前被用于大型星座和深空探测。对于这种先进的任务，具有高速度增量和高比冲（相当于燃料效率）的推进装置是必不可少的，最典型的例子就是离子推进装置。然而，小型化不可避免地会因表面积比的增加而导致性能恶化，特别是对于原本很小的电子源（中和器）。在本研究中，作为中和器侧的重大改进措施，我们将通过使用高电流密度平面电子源来显着提高比冲，该电子源以石墨烯为上电极，可以在低电压下工作，并且不需要推进剂。另外，通过贴附电子透过性高的保护膜，可提高耐等离子体性，还可作为离子源的电子源使用。通过将该电子源与金属阴极结合使用，我们能够实现迄今为止尚未稳定的高电流密度模式，从而显着提高离子源的效率。其目的是通过克服效率和稳定性之间的权衡限制，创造出一种与传统离子源根本不同的新型直流放电型离子源。 2022财年，我们将在GOS电子源上应用耐等离子保护膜（六方氮化硼：h-BN），通过使用CVD优化保护膜工艺，提高电子源的耐离子轰击性能。带保护膜的电子源。同时，在制作电子源保护膜的同时，我们首先开始使用灯丝电子源制作离子源，并建立了最佳磁场布置和电势结构的设计准则。在此基础上，我们利用制作的超小型离子推进器进行了放电实验，通过等离子体诊断了解电势结构，并进行了离子束提取实验。