Molecular flow compression intake using microstructured surface applicable to air breathing ion engine

适用于呼吸式离子发动机的微结构表面分子流压缩进气

• 批准号: 22K18859
• 负责人: 田川 雅人
• 金额: $ 3.99万
• 依托单位: Kobe 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-22K18859/
• 关键词: 原子状酸素; 超低軌道宇宙環境; イオンエンジン; 大気圧縮; インテーク; VLEO; 超低軌道; 大気吸入; 分子流; 圧縮インテーク

本申請は超低軌道用電気推進システムとして理想的な大気吸入イオンエンジン（ABIE）実現のキーテクノロジーである高圧縮インテークを世界で初めて実現しようとするものである。高圧縮インテークを実現することで長寿命・低コストな衛星コンステレーションを実現でき、超低高度衛星群の実用化を切り開く強力な基盤技術となる。ABIEにおいて要求される高圧縮インテークは、分子流領域で分子の逆流を防ぐことが要求されており、通常の流体力学では解決が不可能な命題である。分子流領域では分子／固体表面間の散乱過程を制御することが唯一の方法となる。そこで、固体表面原子の種類、平滑度（表面粗さ・うねり）、表面構造、等ポテンシャル面形状を最適設計することにより非等方的な散乱特性を実現するアイデアを理論的・実験的に検証する。研究初年度であるFY2022年度には、まず実験的アプローチとして微細加工で試作したサンプル表面での散乱分布特性を分子線散乱実験装置を用いて実測した。その結果、試作した表面での分子散乱は方向性を有するダイオード的特性を有することが確認できた。一方、計算的なアプローチとしては、前述の実験的に計測した散乱特性を組み込んだDSMC計算により圧縮特性の評価を行うためのコードに入射角に応じたCLLモデルを適用できるように新規なDSMCコードの作成を行った。さらに2024年度に観測ロケットS-310-46号機での圧縮インテーク評価実証機会を確保できたことから、この機会を利用して観測ロケットの大気密度計測装置に高圧縮インテークを実装し、その宇宙実証結果と地上試験結果との整合性を確認する稀有な機会を得た。これにより宇宙実験結果をDSMCにフィードバックすることができ、大気吸入電気推進システム実現のキーテクノロジーとされる高圧縮インテークについて実践的な研究開発を行うための準備を整えることができた。

该应用旨在全球首个实现高压缩进气，这是实现吸气式离子发动机（ABIE）的关键技术，是极低轨道电力推进系统的理想选择。通过实现高压缩进气，可以实现长寿命、低成本的卫星星座，将成为开启超低空卫星星座实际应用的强大基础技术。 ABIE所需的高压缩进气是为了防止分子流区域中的分子回流，这是使用普通流体力学无法解决的问题。在分子流态中，唯一的方法是控制分子与固体表面之间的散射过程。因此，我们从理论上和实验上验证了通过优化设计固体表面原子的类型、光滑度（表面粗糙度/波纹度）、表面结构和等势表面形状来实现各向异性散射特性的想法。在2022财年，即研究的第一年，我们首先采用了实验方法，使用分子束散射实验装置实际测量了通过微加工制造的样品表面的散射分布特性。结果证实，原型表面的分子散射具有类似二极管的方向性特征。另一方面，作为一种计算方法，我们开发了一种新的 DSMC 代码，该代码可以根据入射角应用 CLL 模型，以通过结合上述实验测量的散射特性的 DSMC 计算来评估压缩特性。此外，由于我们能够在2024财年获得在探空火箭S-310-46上演示压缩进气评估的机会，我们将利用这个机会在探空火箭的大气密度测量装置中实现高压缩进气我们有一个难得的机会来确认我们的结果与地面测试结果的一致性。这使得空间实验的结果能够反馈给DSMC，为高压缩进气系统的实际研发做好准备，高压缩进气系统被认为是实现吸气式电力推进系统的关键技术。

项目成果

異方性表面散乱を用いた超低軌道衛星用高圧縮インテークシステム

使用各向异性表面散射的极低轨道卫星的高压缩进气系统

• 发表时间: 2022
• 作者: 杉本紘基;田川雅人;横田久美子;庄田光佑;板谷一輝;江﨑啓介;芦田優作;西山和孝;山下裕介
• 通讯作者: 山下裕介

神戸大学大学院工学研究科における宇宙環境研究のページ

神户大学工学研究科空间环境研究页面

Perspective on Atomic Oxygen Reaction with Thermal Control Materials in Space

空间热控材料原子氧反应的展望

• 发表时间: 2022
• 作者: Masahito Tagawa;Kumiko Yokota
• 通讯作者: Kumiko Yokota

Shielding effect of atomic oxygen by satellite structure observed on SLATS and its compensation for material exposure experiment

SLATS卫星结构对原子氧的屏蔽效应及其对材料暴露实验的补偿

• 发表时间: 2022
• 作者: Masahito Tagawa;Kumiko Yokota;Wataru Ide;Atsushi Fujita;Shohei Urakawa;Yuta Tsuchiya;Aki Goto;Kazuki Yukumatsu;Eiji Miyazaki;Yugo Kimoto
• 通讯作者: Yugo Kimoto

Space polymers erosion in simulated LEO and VLEO environments

模拟 LEO 和 VLEO 环境中的空间聚合物侵蚀

• 发表时间: 2022
• 作者: Zilina Iskanderova;Jacob Kleiman;Masahito Tagawa;Santa Nishioka;Sasuga Horimoto
• 通讯作者: Sasuga Horimoto