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。

这项研究正在与航天器用高温超导线圈系统的研发一起取得进展，旨在提高下一代空间推进系统磁帆的推进性能（推力质量比）。特别是，磁帆的推力与安装的线圈的磁矩（电流×匝数×线圈包围的面积）成正比（增加的人数）。今年，我们以整个系统的热稳定性为约束，对高温超导线圈及相关系统进行了优化，致力于磁等离子体帆高温超导线圈系统磁矩质量比最大化。超导电阻具有非线性特性，取决于电流、自磁场和温度，因此需要以自洽的方式计算流过超导体的电流密度分布。在这项研究中，我们使用京都大学的超级计算机系统KDK，对数千匝的超导线圈进行了电磁场和热分析，并为每个线圈划分了MPI区域，并确定了磁等离子体帆的最佳线圈系统。超导线圈的强度、温度和热稳定性被设置为约束，考虑到整个系统的热平衡（线圈冷却、线圈内的热量产生/传导、热量侵入线圈）以及功率的影响系统经过优化设计，最大限度地提高线圈系统的磁矩质量比。假定各种工作温度和线圈形状（圆形线圈、多极线圈、跑道线圈）作为参数。优化的结果是，在线圈工作温度为20 K时，在具有大线圈高度的所谓跑道型线圈中，磁矩质量比达到最大，与之前相比，磁矩质量比提高了约3倍。之前的研究结果表明这是可能的。