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，超小卫星的发射次数已大大增加，并且还开始用于大规模星座和深空探索。对于这样的高级任务，具有高速增加且特异性高推力（对应于燃油经济性）的推进机是必不可少的，最重要的是离子推进机。但是，当小型化降低时，由于表面积比的增加，尤其是固有的小电子源（NETER），无法避免性能恶化。在这项研究中，作为中和侧的基本改进，允许低压操作并且不需要推进剂的高电流密度平面电子源用作特定推力的主要改进。此外，通过将具有高电子渗透性的保护膜连接起来，血浆抗性增加，并且还用作离子源的电子源。通过将此电子源和金属阴极一起使用，到目前为止尚未稳定的高电流密度模式可以显着提高离子源的效率。目的是创建一种新的直流排放型离子源，它通过克服效率和稳定性之间的权衡限制而与常规的离子源不同。在2022财政年度，为了提高电子源的离子轰击性抗性，耐等离子体的保护膜（耐六碳氮化物：H-BN）被应用于GOS-type电子源，并通过使用CVD来优化保护性薄膜，我们不得与任何防御能力进行防御能力，使保护性薄膜工艺优化。同时，与电子源保护膜的制备同时，我们首先使用细丝电子源进行了离子源的制备，并为最佳的磁场布置和潜在的结构设计了指南。基于此，在制造的超紧凑离子推进机的放电实验中，通过血浆诊断掌握了电势结构，并进行了一个离子束提取实验。