粒子シミュレーションによる磁気プラズマセイルの推力解析

使用粒子模拟对磁等离子体帆进行推力分析

• 批准号: 12J01626
• 负责人: 芦田 康将
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012 至 2014-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J01626/
• 关键词: 磁気セイル; 磁気プラズマセイル; HPC; Full-PIC; Flux-Tube; 小型磁気圏

本研究では次世代宇宙推進システムである磁気セイル・磁気プラズマセイルの推力特性を明らかにし、さらなる推力向上を図ることを目的としている。磁気セイルは太陽から流れ道す高速のプラズマ流である太陽風を衛星から発生させた磁場で推力へ変換し、磁気プラズマセイルでは少量のプラズマ噴射によって磁場を拡大することによってさらに大きな椎力を得ることを目指している。まず、3次元のFull-PICシミュレーションを京コンピュータ(若手人材育成課題hp120084)の利用により大規模に実施することで、実システムとして想定された数100mから数kmの磁気帆を展開する磁気セイルの推力発生を実証することができ、推力がコイル磁気モーメント・太陽風密度・太陽風速度にそれぞれ比例することを明らかにした。次に、磁気プラズマセイルの推力増加のパラメータサーベイを実施した。磁気プラズマセイルの小型実証機を想定した典型的なケースでは、プラズマ噴射なしの場合の0.07mNからプラズマ噴射ありの1.0mNへと推力が約14倍に増加したのに対し、パラメータの最適化により最人で97倍の推力増加が得られることが明らかになった。また、プラズマ噴射の速度、温度、流最、位置などによって推力増加の特性だけでなく、比推力(燃費)・推力重量比(加速度)・推力電力比といった推進性能も人きく影響を受けることが明らかとなった。その結果、上記3つの推進性能にはトレード・オフの関係がありミッションに応じたパラメータの設定が必要であることが明らかになったまた磁気プラズマセイルによって、より大きな加速を得るためには搭載する超伝導コイルシステムを展開するなど新しい技術の開発が必要であることが明らかとなった。最後に、上記で述べたような推力特性を反映させ、ミッションの検討を行った。現行の技術で建造ができる磁気セイルでは太陽-地球系のラグランジュ点付近での軌道保持が、磁気プラズマセイルでは金星や水星のような内惑星探査が可能となり、既存推進システムに対しても優位と成ることを明らかにした。これらの成果については、アメリカ航空宇宙学会の論文誌2編への投稿を行った。

本研究旨在明确下一代空间推进系统磁帆和磁等离子帆的推力特性，并进一步提高其推力。磁帆利用卫星产生的磁场将太阳风（从太阳流出的高速等离子流）转化为推力，磁等离子帆利用少量的等离子射流将磁场扩大到我们的目标是获得更大的椎骨力量。首先，通过使用K计算机（青年人才培养项目hp120084）进行大规模3D Full-PIC模拟，我们将能够开发出磁帆，将磁帆部署在几百米到几千米的距离，这我们能够演示推力的产生，并发现推力分别与线圈磁矩、太阳风密度和太阳风速度成正比。接下来，我们对磁等离子体帆的推力增量进行了参数调查。在小型磁等离子体帆演示器的典型案例中，推力从没有等离子体注入的 0.07 mN 增加到等离子体注入的 1.0 mN 大约 14 倍，但通过优化参数已经表明，最大人数可以增加推力。 97倍。此外，不仅推力增加特性，而且诸如比冲（燃料消耗）、推重比（加速度）和推力功率比等推进性能也会受到等离子体喷射速度、温度的影响。 、流量、位置等都变得清晰起来。由此可见，上述三种推进性能之间存在权衡关系，需要根据任务设定参数，因此需要开发新技术，例如推进器。超导线圈系统的部署。最后，我们通过反映上述推力特性来检查任务。据透露，用现有技术建造的磁帆可以维持日地系统拉格朗日点附近的轨道，而磁等离子帆可以探索金星和水星等内行星，并且优于现有的推进系统。它会发生。这些成果已提交给美国航空航天学会的两家期刊。

项目成果

小型磁気セイルの推力特性の数値解析と推力増加に向けた検討

小型磁帆推力特性数值分析及增推研究

• 发表时间: 2013
• 作者: H. T. B. M. PETRUS;Tsuyoshi HIRAJIMA.;et al;芦田康将,山川宏,船木一幸,梶村好宏
• 通讯作者: 芦田康将,山川宏,船木一幸,梶村好宏

磁気プラズマセイル開発に向けたプラズマ粒子シミュレーションコードの高速化

加速磁等离子体帆开发的等离子体粒子模拟代码

• 发表时间: 2012
• 作者: Kayo Sawada;Youichi Enokida;芦田康将,山川宏,船木一幸,臼井英之,梶村好宏
• 通讯作者: 芦田康将,山川宏,船木一幸,臼井英之,梶村好宏

Full Kinetic Analysis of Small-scale Magneto Plasma Sail in Magnetized Solar Wind

磁化太阳风中小型磁等离子体帆的全动力学分析

• 发表时间: 2013
• 作者: Hikaru Kawai;Yoshinori Matsuo;Yuki Yokokura;Yuki Yokokura;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida
• 通讯作者: Yasumasa Ashida

粒子シミュレーションによる磁気プラズマセイルの推力解析

使用粒子模拟对磁等离子体帆进行推力分析

• 发表时间: 2013
• 作者: Hikaru Kawai;Yoshinori Matsuo;Yuki Yokokura;Yuki Yokokura;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;芦田康将;Yasumasa Ashida;芦田康将;芦田康将
• 通讯作者: 芦田康将

Thrust Evaluation of a Magnetic Sail by Flux-Tube Model

用磁通管模型评估磁帆的推力

• DOI: 10.2514/1.b34332
• 发表时间: 2012
• 期刊: Journal of Propulsion and Power
• 影响因子: 1.9
• 作者: H.Umakoshi;K.Suga;H.T.Bui;M.Nishida;T.Shimanouchi;R.Kuboi;Yasumasa Ashida
• 通讯作者: Yasumasa Ashida