モジュール化が可能な小型マイクロ波放電型イオンエンジンの開発

可模块化的小型微波放电式离子发动机的开发

基本信息

批准号：
17760638
负责人：
山本直嗣
金额：
$ 2.24万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

小型人工衛星用の小型マイクロ波放電型イオンエンジンの開発を目標として,前年度の成果をもとに研究を行った.前年度明らかになった性能のパラメータ依存性に関して,この相関関係を解明すべく,イオンエンジン内部のプラズマ状態を測定した.従来の静電プローブによる測定では内部に擾乱を与え測定が困難であるため,新たに可視化マイクロ波放電型イオンエンジンを設計・製作し,発光分光法により,プラズマ状態を測定した.これと並行して,マイクロ波を放出するアンテナを内部のプラズマ状態が測定できる測定子となるよう改良し,調査した.その結果,生成領域の形状依存性,及びプラズマ損失とエンジン形状の関係を解明した.これよりプラズマ生成・損失過程が明らかになり,設計指針を得ることができた.また,前年度に引き続き,放電室内の電磁界とプラズマ生成損失過程の解明のために,3次元非定常数値解析コードを作成し数値解析を行った.その結果,電子の振る舞いの磁場形状依存性が明らかになり,これは実験結果と矛盾しないものであった.中和器に関して,性能向上の指針を得るため,プラズマ諸量の計測を行った.その結果プラズマ密度は印可磁場が電子サイクロトロン共鳴磁場において最大となった.これらの知見をもとに,世界最小サイズの,イオンビーム直径16mmの小型マイクロ波放電型イオンエンジンを製作し,性能を測定した.このエンジンの性能は,推力1mN,電気から推進力へのエネルギー変換効率は40%と,NASAが開発中のイオンエンジンの性能と比肩し,このサイズのエンジンとして世界最高の性能を達成した.また,大型化した矩形エンジンを設計,製作し,性能を測定した.このエンジンの性能は推力1.3mNで変換効率は30%であった.

我们以开发用于小型人造卫星的小型微波放电型离子发动机为目标，在前一年的成果的基础上进行了研究。我们对前一年揭示的性能参数依赖性的相关性进行了调查。为了实现这一目标，我们测量了离子发动机内部的等离子体状态。由于使用传统静电探针进行测量会导致内部干扰并且难以测量，因此我们设计并制造了一种新型可视化微波放电型离子发动机，并使用光学发射光谱法进行测量。与此同时，我们改进了发射微波的天线，使其成为可以测量内部等离子体状态的探针。结果，我们发现了生成区域的形状依赖性，并阐明了等离子体损失与发动机之间的关系由此，我们阐明了等离子体的产生和损失过程，并获得了设计指南。我们还研究了放电室内的电磁场与等离子体产生损失过程之间的关系。为此，我们创建了三维非定常数值分析代码并进行了数值分析。结果，我们发现电子的行为取决于磁场的形状，这与实验结果是一致的。为了获得提高性能的指导方针，我们测量了各种等离子体量。结果，当施加的磁场是电子回旋共振磁场时，等离子体密度最大。基于这些发现，世界上最小的尺寸，离子束直径16m制造了小型微波放电式离子发动机并测量了其性能。该发动机的推力为1mN，从电力到推进的能量转换效率为40%，这是NASA目前正在开发的离子发动机的性能。实现了该尺寸发动机的世界最高性能。我们还设计、制造并测量了更大的矩形发动机的性能。该发动机的推力为1.3 mN，转换效率为30%。