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。

这项研究旨在阐明下一代太空推进系统的推力特性磁性帆和磁性等离子体帆，并进一步改善推力。磁性帆的目的是使用卫星产生的磁场将太阳风转化为从太阳流动的高速等离子体，而磁性等离子体帆的目的是通过少量的血浆注入来扩展磁场，从而获得更大的椎力。首先，通过使用京都计算机（年轻的人力资源开发任务HP120084）在大规模上实施三维全吉式模拟，我们已经证明了磁性帆的强力产生，这些磁力帆将在几百米到几公里之间部署了几百米的磁性帆，这是一个真实的系统，并揭示了势力速度速度速度速度磁性磁性，并固l磁性磁性，并固定了固定的。接下来，进行了参数调查，以增加磁等离子体帆的推力。在典型的磁性等离子体帆式示范机的典型情况下，已经发现，推力从没有血浆注入的0.07mn增加了约14倍，增加到血浆注入的1.0mn，同时优化参数的推力增加了最多97次。还可以揭示，不仅推力的特征取决于速度，温度，流量峰，位置等，而且还取决于推进性能，例如特定推力（燃油经济性），推力重量比（加速度）和推力功率比受到人为影响的影响。结果，很明显，以上三个推进性能之间存在权衡关系，并且必须根据任务设置参数，并且需要采用新技术，例如部署超导线圈系统，以通过磁性等离子体帆实现更大的加速度。最后，检查了任务，反映了上述推力特征。据透露，可以使用当前技术构建的磁性帆可以在太阳能系统中的拉格朗日附近维护轨道，而磁性等离子体帆可以探索诸如金星和汞之类的内部行星，从而使其比现有的推进系统具有优势。这些结果已提交给美国航空协会论文的两篇文章。

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

磁気プラズマセイル宇宙機開発のための3次元プラズマ粒子シミュレーションによる推力特性の解明

通过 3D 等离子体粒子模拟阐明磁等离子体帆航天器开发的推力特性

• 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
• 通讯作者: 芦田康将