高温超伝導コイルを利用した磁気セイル宇宙機に関する研究

利用高温超导线圈的磁帆航天器研究

基本信息

批准号：
13J04712
负责人：
長崎陽
金额：
$ 2.11万
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：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、次世代宇宙推進システムである磁気セイルの推進性能（推力質量比）向上を目的として、同宇宙機用高温超伝導コイルシステムの研究開発を進めている。特に、磁気セイルの推力は、搭載するコイルの磁気モーメント（電流×ターン数×コイルが囲む面積）に比例するため、高温超伝導コイルの高磁気モーメント化（電流×コイルターン数×コイルが囲む面積の増大化）に取り組んでいる。本年は、システム全体の熱安定性を制約条件として高温超伝導コイルおよび関連システムを最適化し、磁気プラズマセイル用高温超伝導コイルシステムの磁気モーメント質量比最大化に取り組んだ。非線形な特性を持つ超伝導抵抗は、通電電流および自己磁場、温度に依存するため、超伝導体に流れる電流密度分布の算出は自己無撞着に解き進める必要がある。本研究では、京都大学のスーパコンピュータシステムKDKを用いてコイルターンごとにMPI領域分割した数千ターンの超伝導コイルにおいて電磁界および熱解析を行い、磁気プラズマセイルにおいて最適なコイルシステムを決定した。システム全体としての熱バランス（コイル冷却、コイル内発熱・熱伝導、コイルへの熱侵入）や電源出力変動等による影響を考慮して、超伝導コイルの強度、温度、熱安定性を制約条件とし、コイルシステムの磁気モーメント質量比が最大となるようにシステムの最適設計を行った。パラメータとして様々な運転温度・コイル形状（円形コイル・マルチポール型コイル・レーストラック型コイル）を仮定した。最適化の結果、コイル運転温度20 Kにおいて、コイル高さが大きく、レーストラック型と呼ばれるコイルにおいて磁気モーメント質量比が最大となり、先行研究による成果に比べて磁気モーメント質量比約3倍の向上が可能であることを明らかにした。

目前，这项研究正在进行和开发航天器的高温超导线圈系统，目的是提高下一代太空推进系统的磁帆的推进性能（推力质量比）。特别是，由于磁性帆的推力与已安装的线圈的磁矩（当前x数X X区域X区域）成正比，因此我们正在努力使高温超导线圈具有高磁矩（当前X周围X周围的X区域X区域）。今年，我们根据整个系统的热稳定性优化了高温超导线圈和相关系统，以最大程度地提高磁性等离子体帆的高温超导线圈系统的磁矩质量比。由于具有非线性特征的超导电阻取决于电流传导电流，自磁场和温度，因此必须自一求解流过超过超导体的电流密度分布的计算。在这项研究中，使用京都大学超级计算机系统KDK，在每个线圈转弯的几千圈的超导线圈上进行电磁场和热分析，以确定用于磁性等离子体帆的最佳线圈系统。考虑到整个系统的热平衡的影响（线圈冷却，热量产生和热传导，热渗透到线圈中），功率输出波动等，最佳设计的系统是最佳设计的，旨在使线圈系统的磁矩质量比最大化，并且在强度，温度和高压盘的热稳定性上构成了限制。假定各种工作温度和线圈形状（圆线圈，多极线圈，赛车线圈）为参数。优化的结果是，线圈高度在20 K的线圈工作温度下较大，并且在称为赛道类型的线圈中，磁矩质量比最大化，与先前的研究结果相比，可以将磁矩质量比提高大约三倍。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

磁気プラズマセイル搭載用高温超伝導コイルシステムの最適化

磁等离子体帆安装高温超导线圈系统优化

DOI：
发表时间：
2016
期刊：
影响因子：
0
作者：
Y. Nagasaki;T. Nakamura;I. Funaki;Y. Ashida;and H. Yamakawa;Yoh Nagasaki;Yoh Nagasaki;長崎陽，船木一幸，中村武恒，山川宏
通讯作者：
長崎陽，船木一幸，中村武恒，山川宏

NASA Ames Research Center(米国)

NASA 艾姆斯研究中心（美国）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

磁気セイル搭載用ソリッド型および展開式超伝導コイルについて

关于用于安装磁帆的固体可展开超导线圈

DOI：
发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
0
作者：
Sakaguchi;S.;Nakagawa;S.;Yoshikawa;R.;Kuwahara;C.;Hagiwara;H.;Asai;K.-I.;Kawakami;K.;Yamamoto;Y.;Ogawa;M. and Miyazawa;T.;長崎陽
通讯作者：
長崎陽

Experimental and numerical investigation of screening currents induced in conduction-cooled Bi-2223/Ag coil for space applications

空间应用传导冷却 Bi-2223/Ag 线圈中感应屏蔽电流的实验和数值研究