大宇宙物流時代に向けた高周波プラズマと誘導加速を組合せた無電極推進機の研究

航天物流时代高频等离子体与诱导加速相结合的无极推进装置研究

• 批准号: 17J04669
• 负责人: 柳沼 和也
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J04669/
• 关键词: 電気推進; 無電極推進; 大電力電気推進; 深宇宙探査; プラズマ; 電磁誘導加速; 高周波プラズマ; 宇宙工学

将来的に計画されている有人の深宇宙探査ミッションや月-地球間の大規模宇宙輸送ミッションにおいては，100 kW級の大電力電気推進の実現が必要とされている．本研究では，100 kW級の大電力電気推進の実現に向けた「高周波プラズマをプラズマ源としながら，時間変動する磁場を外部から印加し誘導電流を誘起し，電磁加速によるプラズマ加速を行う電気推進」を提案し，その推進機の推力性能評価を2 kW級の装置を用いることによって実験的に行った．2kW級装置を用いた実験では，実施計画にあるように，推力スタンドを用いた推力測定と，プローブ法によるプラズマ診断を行った．これら実験に加えて，提案する推進機のプラズマ加速モデルを構築と加速モデルにおける推力と物理パラメータの関係を解析的に求め，実験で得られた推力性能特性との比較を行った．提案した推進機におけるプラズマ加速スキームにおいては，推力項はプラズマ中の周方向スワールと加速コイルが誘起する磁場によってなるが，この推力項は磁場の大きさに正の相関がある．一方で，先行研究で提案されるような反磁性電流と磁場の相互作用を利用した無電極推進機に比べて，大電力化した際に効率向上に有利であることを，電磁流体の方程式に基づきながら明らかにした．本研究によって，提案した推進機のプラズマ加速では，推力電力比を最大にする加速周波数があることを突き止め，さらに，大口径で短軸の低アスペクト比の推進機形状が推力電力比へ大きく寄与することを明らかできた．

未来载人深空探测任务以及月球与地球之间的大规模太空运输任务将需要实现100千瓦级的大功率电力推进。在这项研究中，我们将开发一种电力推进系统，该系统使用高频等离子体作为等离子体源，从外部施加时变磁场以感应出感应电流，并利用电磁加速“加速等离子体”并进行传导。使用 2 kW 级装置对推进机的推力性能进行实验评估。在使用2kW级设备的实验中，按照实施计划，我们使用推力台测量推力，并使用探针法进行等离子体诊断。除了这些实验之外，我们还为所提出的推进车辆构建了等离子体加速模型，分析确定了加速模型中推力与物理参数之间的关系，并将其与实验中获得的推力性能特性进行了比较。在所提出的推进机的等离子体加速方案中，推力项由等离子体中的圆周涡流和加速器线圈感应的磁场组成，并且该推力项与磁场的大小呈正相关。另一方面，与之前研究中提出的利用反磁流和磁场相互作用的无电极推进机相比，我们利用电磁流体方程表明，它在增加功率时有利于提高效率。基于通过这项研究，我们发现，在所提出的推进器的等离子体加速中，存在一个使推力功率比最大化的加速频率，此外，大直径和短轴长宽比的推进器形状极大地促进了推力比的加速。我能够清楚地表明推力功率比。

项目成果

誘導加速型無電極推進機における推力の静磁場分布依存性

感应加速型无极推进机推力对静磁场分布的依赖性

• 发表时间: 2019
• 作者: 畠山 昌則;龍野瑛，栁沼和也，関根北斗，小泉宏之，小紫公也
• 通讯作者: 龍野瑛，栁沼和也，関根北斗，小泉宏之，小紫公也

無電極プラズマ推進機の電磁誘導加速過程に関する実験的研究

无极等离子体推进机电磁感应加速过程实验研究

• 发表时间: 2018
• 作者: 齋藤由樹;石谷暖郎;小林修;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;Daisuke Haraguchi;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;小林 和幸編著（分担執筆：原口 大輔）;公益財団法人德川記念財団・静岡県富士山世界遺産センター編（分担執筆：原口 大輔）;寺内正毅関係文書研究会;原口 大輔;小林 和幸;柳沼和也，倉重宏康，関根北斗，小泉宏之，小紫公也;龍野瑛，柳沼和也，関根北斗，小泉宏之，小紫公也;龍野瑛，柳沼和也，関根北斗，小泉宏之，小紫公也;関根北斗，龍野瑛，柳沼和也，小泉宏之，小紫公也
• 通讯作者: 関根北斗，龍野瑛，柳沼和也，小泉宏之，小紫公也

誘導加速型無電極推進機のプラズマ生成アンテナ及び静磁場の形状と推力の関係，宇宙科学技術連合講演会

等离子体发生天线与感应加速无极推进飞行器静磁场形状和推力的关系，空间科技联盟讲座

• 发表时间: 2018
• 作者: 齋藤由樹;石谷暖郎;小林修;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;Daisuke Haraguchi;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;小林 和幸編著（分担執筆：原口 大輔）;公益財団法人德川記念財団・静岡県富士山世界遺産センター編（分担執筆：原口 大輔）;寺内正毅関係文書研究会;原口 大輔;小林 和幸;柳沼和也，倉重宏康，関根北斗，小泉宏之，小紫公也;龍野瑛，柳沼和也，関根北斗，小泉宏之，小紫公也;龍野瑛，柳沼和也，関根北斗，小泉宏之，小紫公也
• 通讯作者: 龍野瑛，柳沼和也，関根北斗，小泉宏之，小紫公也

Experimental Study for Effects of Plasma Density on the Performance in an Electrodeless Inductive Plasma Accelerator

等离子体密度对无极感应等离子体加速器性能影响的实验研究

• 发表时间: 2017
• 作者: Kazuya Yaginuma Toshihiro;Matsuguma;Sekine Hokuto;Shintarou Komatsu; Hiroyasu Kurashige;Hiroyuki Koizumi;Kimiya Komurasaki
• 通讯作者: Kimiya Komurasaki

Experimental Evaluation of Steady-State Electromagnetically Inductive Acceleration for Electrodeless Plasma Thruster and Fundamental Measurement of the Correlation between the Effective Current of Acceleration Coil and Thrust

无极等离子推进器稳态电磁感应加速实验评估及加速线圈有效电流与推力关系的基本测量

• DOI: 10.2322/jjsass.67.25
• 发表时间: 2019
• 期刊: JOURNAL OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES
• 作者: 齋藤由樹;石谷暖郎;小林修;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;Daisuke Haraguchi;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;原口 大輔;小林 和幸編著（分担執筆：原口 大輔）;公益財団法人德川記念財団・静岡県富士山世界遺産センター編（分担執筆：原口 大輔）;寺内正毅関係文書研究会;原口 大輔;小林 和幸;柳沼和也，倉重宏康，関根北斗，小泉宏之，小紫公也
• 通讯作者: 柳沼和也，倉重宏康，関根北斗，小泉宏之，小紫公也