3J03 マイクロ・マルチ・プラズマジェット・アレイ推進機の作動性能評価○小林 直人（東海大・院）、常松 春霞（東海大・学）、浅沼 和貴（東海大・院）
堀澤 秀之（東海大・工）、船木 一幸（JAXA/ISAS）

Thrust Performance of Micro Multi-Plasmajet-Array Thruster

Naoto Kobayashi, Haruka Tunematu, Asanuma Kazuki and Hideyuki Horisawa (Tokai University),
Ikkoh Funaki(JAXA/ISAS)

Keywords: Micro-plasmajet Thruster, Micro-Multi-Nozzle-Array, Micro-Fabrication

Abstract:
Observation of the micro-nozzle discharges was conducted, and a new thruster with extended nozzle structure for which
each electrode element was electrically isolated from nearby elements was developed. The typical values of the thrust,specific impulse and averaged per nozzle element of the 6x6 micro-plasmajet array thruster operated at 15 W with 10.4
mg/sec of propellant mass flow per nozzle element were 9.0 mN, 88 sec, respectively.

1.

示した 6）．アレイ推進機の陰極には，金属蒸着電極，はじめに筆者らは，これまで投入電力が 5 W 程度の微小電力アークジェットについて，その放電特性

1）フィラメント状電極および針状電極などを試してき，プラた．蒸着電極は耐久性に問題があった．フィラメン

ズマ加熱特性 2~3），ならびにこれらと推進性能の相互

ト状電極は全体が赤熱するため，推進機ヘッドの耐関係について検討してきた

4）．微小電流領域で安定熱性および熱損失が課題となった．一方，針状電極作動可能な高性能アークジェット推進機が実現できではガスの加熱が各陰極の先端部に局在させることれば，構造が簡単で小型・軽量化が容易であることが可能となったが，放電電流が一部の電極に集中すから，小型衛星用推進装置として適していると考える傾向が確認された．

られる．これまでの研究では，投入電力 5 W 程度でそこで本研究では，各電極（針状陰極）を電気的作動可能なマイクロアークジェット推進機を試作し，に孤立化させた新型のマイクロ・マルチ・プラズマ作動試験を行った5）．その結果，この様なマイクロジェットアレイ推進機（6×6 アレイ）を試作した．すノズル流は，ノズル末広部が短いため過度の不足膨

なわち，36 個の各陰極に電気的に独立した抵抗を取張流れとなり，推進性能が背圧に大きく影響されるり付け，各電極の放電電流を制御し，アレイ全体のことが確認された．そこで，これを緩和し推進性能放電を均一化させることを図った．試作した新型アの向上を図るために，マイクロノズルを複数個アレレイ推進機の作動試験を行い，放電特性ならびに推イ状に配置したマイクロ・プラズマジェットアレイ進特性について実験的に評価した．

推進機（3×3 アレイ）について検討し，その有効性を2. 実 験 装 置 お よ び 方 法

ノズルの全高は 12 mm である．Fig.5 には，ノズル 12.1要素の外観図を示す．ノズル 1 要素の出口角は 1.9マイクロ・マルチ・プラズマジェッ

ト・アレイ推進機の推力測定方法

mm，スロート径が 0.2 mm，長さが 1 mm で，ノズル本研究では，マイクロ・マルチ・プラズマジェット・間の幅は 0.1 mm とした．

アレイ推進機の放電作動時の推進性能を評価した．

以前使用した針状陰極を用いたアレイ推進機では，Fig.1(a)に実験装置構成図を示す．真空チャンバー内

放電作動時に一部のノズルに強い発光が偏在する傾の圧力は 4 Pa とし，推進剤ガスには窒素ガスを用い向が確認されたので，本研究ではノズル全体の放電た．各条件における推力は，光梃子式レーザ変位セ箇所を均一化させるために，36 個の各陰極に独立のンサを備えた石英ガラス製カンチレバー型の推力測抵抗を接続し，各電極の放電電流の制御を図った．

定装置（Fig.1(b)）を用いて真空中で測定した．
3. 結 果 お よ び 考 察
3.1 マイクロ・マルチ・プラズマジェット・アレ

Laser sensor Laser sensor
PP

Oscilloscope
Oscilloscope+

DC power
DC power-N2-++-

イ推進機の放電作動
放電作動試験はノズル全体の推進剤流量 2.1 ~10.4 mg/sec，放電電流 20 ~ 40 mA で行った．Fig.6 にN2MFCMFC

ノズル出口部から観察した各放電電流の場合におけPressure gauge

ThrusterThrusterPressuregauge

る放電作動実験時の画像を示す．図より，ノズル全体の放電電流が 20 mA，30 mA，40 mA のそれぞれの場合において，比較的均一なプラズマの発光が確認(a) Experimental setup.
Cantileverできた．また，放電電流の増大に伴って全体的なプラズマの発光強度が増大することがわかる．

Laser sensor

素材:アルミナ 99.5 %＋ 素材:SUSThruster

Z-stage(b ) Cantilever-type thrust stand.
Fig.1 Schematics of experimental setups.

抵抗Fig.2 Isolation of each electrode array thruster.

2.2

各電極（針状陰極）の孤立化

Fig.2 に本研究で使用した各電極（針状陰極）を孤立化させた 6×6 アレイ推進機の概念図を示す．本体はアルミナ製で，直径が 38 mm，全長が 13 mm である．
各ノズル要素の中心部には陰極挿入用の直径 0.2 mm，12 mm

深さ 1 mm の穴が開けてある．各陰極には直径 0.2 mmのタングステン棒を用いた．Fig.3，4 に 6×6 アレイの推進機のノズル出口側（陽極，SUS 製）の写真およびノズル 1 要素の拡大写真を示す．6×6=36 個ある

Fig.3

Photosofexpansion

36nozzles.

1.9 mm

0.1 mm

Fig.4 Photo of expansion 1 nozzle of 36 nozzles.

(c)

40 mA

Fig.6 Photos of plasma plumes operated under different
discharge current
Φ0.2 mm

3.2 マイクロ・マルチ・プラズマジェット・アレ
1.9 mmイ推進機の推力測定結果
Fig.7 に各種作動条件における 6×6 アレイ推進機の0.1 mm

0.9 mm

Fig.5 Schematic of 1 nozzle.

推力測定結果を示す．この場合，全体の放電電流を開口比 87

10 ~ 40 mA に増大させるのに伴って投入電力が 3 ~15 W に増大している．図より，投入電力（放電電流）および推進剤流量の増大に伴って推力が増大していることがわかる．推進剤流量が 10.4 mg/sec におけるコールドガス作動時（0 W）の推力は 6.1 mN である
が，投入電力 15 W の放電作動時の推力は 9.0 mN に上昇し，すなわち約 50 ％の推力上昇が確認できた．
Fig.8 に各場合の比推力を示す．比推力も推力と同様に推進剤流量の増大に伴って増大する傾向がみられた．本実験条件における最大の推進剤流量（10.4(a)20 mAmg/sec）において，コールドガス作動時の比推力は60 sec で，これに対して投入電力 15 W の放電作動時における比推力は 88 sec であった．また，図より，投入電力が 3 W 以下で推進剤流量が小さい場合（4.2mg/sec 以下）においては，比推力が 40 sec 以下であった．これは低流量のためノズル上流の圧力が小さく，超音速流れに至っていない状況と考えられる．
Fig.9 に各場合の推進効率を示す．推進効率は推進剤流量の増大に伴って増大する傾向にあり，推進剤(b)30 mA

流量 10.4 mg/sec，投入電力 7 W における推進効率は0.17 であった．

いてはノズル 1 要素当たりの平均質量流量および投10.0
15W

入電力，ならびに平均推力，比推力を算出しそれぞThrust, mN9.6W

れプロットした．平均推力，平均比推力の結果をそ

7W
5.0

3W

れぞれ Fig.10 および Fig.11 に示す．各場合で作動条

cold

件が異なるためノズル 1 要素当りの投入電力は異なっている．
Fig.10 より，各場合において，質量流量の増大により推力が直線的に向上していることがわかる．一方，

0.0
0.0

5.0

10.0

15.0

Fig.11 におけるシングルと 3×3 アレイの比推力につMass flow rate , mg/sec

いては，質量流量が増大するにつれて各場合で一定

Fig.7 Thrust vs mass flow rate of nozzle performance.

値に漸近する傾向が認められたが，6×6 アレイにおい100

Specific Impulse, sec

15Wては，直線的に向上していることがわかる．それぞ9.6W

80れの図より，シングルとアレイ 1 要素当りの推進性

7W60403W

能を比較すると，アレイの方が高い推進性能を示し

coldており，放電作動時においても排気噴流の干渉による推進性能向上の効果 7)が確認されたといえる．

20

ノズル 1 要素当りの推進剤流量 0.4 mg/sec における放電作動時の 3×3 アレイ推進機の平均推力 0.2 mN，

00.0

5.0

10.0

15.0

Mass flow rate , mg/sec

平均比推力 45 sec（ノズル 1 要素あたりの投入電力

Fig.8 Specific impulse vs mass flow of nozzle

0.7W）であった．一方 6×6 アレイ推進機では，ノズル 1 要素当たりの推進剤流量が他の場合と比べて大performance.

幅に小さく同一の流量での比較が困難である．しか0.2

T hrust efficiency

15W

しながら，例えば 0.3 mg/sec における放電作動時の平9.6W

均推力は 0.2 mN で平均比推力は 79 sec（ノズル一要7W

素あたりの投入電力 0.2 W）で，3×3 アレイ推進機の3W場合よりも推進性能が大幅に向上していることが確

0.1

認された．
1.2

00.0

5.0

10.0

36 nozzles 0.2W

15.0

1.0
9 nozzles 0.7W

Mass flow rate, mg/sec

forcomparison of nozzle performance.

Thrust, mN

Fig.9 Thrust efficiency vs mass flow rate

0.8single 3W

0.60.40.2

6×6 アレイ推進機の推進性能を評価するために，過0.0去に評価したマイクロ・シングル・プラズマジェッ

0.00.4ト，ならびに 3×3 マイクロ・マルチ・プラズマジェ

0.8
1.2
Mass flow rate, mg/sec

ット・アレイ推進機との推進性能の比較を行った．

Fig.10 Thrust vs mass flow rate for comparison of

それぞれの場合でノズル数が異なるので，比較におnozzle performance.

1.6

120

Specific impulse, sec

100

36 nozzles 0.2W

マジェット，ならびに 3×3 マイクロ・マルチ・9 nozzles 0.7W

プラズマジェット・アレイ推進機との推進性能

single 3Wの比較を行った．シングルとアレイ 1 要素当り80の推進性能を比較すると，アレイの方が高い推60進性能を示した．また，ノズル 1 要素当たりの40

推進剤流量 0.4 mg/sec における放電作動時の

20

3×3 プラズマジェット・アレイ推進機では平均

00.0

0.4

0.8

1.2

1.6あたりの投入電力 0.7 W）となった．6×6 アレ

Mass flow rate, mg/sec

Fig.11 Specific impulse vs mass flow rate

推力 0.2 mN，平均比推力 45 sec（ノズル 1 要素for

comparison of nozzle performance.

イ推進機では他の場合と比べて大幅に小さく同一の流量での比較が困難であったが，ノズル1 要素当りの推進剤流量 0.3 mg/sec における放4.

まとめ

電作動時の平均推力は 0.2 mN，平均比推力は

本研究では，各電極（針状陰極）を孤立化させた新79 sec（ノズル一要素あたりの投入電力 0.2 W）

型のマイクロ・マルチ・プラズマジェットアレイ推となり，6×6 アレイノズルの使用により，シン進機(ノズル数 6×6)のプラズマの発光観察，コールドグル・3×3 アレイ推進機の場合よりも推進性能

ガス作動及び，放電作動における推進性能評価を行が大幅に向上していることが確認された．

い，シングル・3×3 ノズルのアレイ推進機との推進性能の比較も行った．主たる結論は以下の通りである.

参考文献(1) 各電極（針状陰極）の孤立化を図り、6×6 アレ

1)Horisawa,H.,

andKimura,I.,“Influenceofイ推進機で放電作動試験を行い，推進剤流量 2.1

Constrictor Size on Thrust Performance of a Very Low~ 10.4 mg/sec の範囲で，放電電流 20 mA，30 mA，Power Arcjet,” AIAA Paper 98-3633,July 1998.

40 mA の全てから比較的均一なプラズマの発光

2)Horisawa, H., and Kimura, I., “Optimization of Arcが確認できた．また，放電電流の増大に伴ってConstrictor Sizes in Low Power Arcjet Thrusters,” AIAA

全体的なプラズマの発光強度が増大すること

Paper 97-3202, July 1997.

がわかった．

3)Horisawa, H., and Kimura, I.: Studies of Very Low(2) 6×6 アレイ推進機の放電およびコールドガス作

Power Arcjets, Chap.6 in Micropropulsion for Small

動時で，推進剤流量が 10.4 mg/sec におけるコーSpacecraft (Micci, M.M., and Ketsdever, A.D. eds.),

ルドガス作動時（0 W）の推力は 6.1 mN，比推

Progress in Astronautics and Aeronautics Vol.187,力は 60 sec となった．投入電力 15 W では，放pp.185-197, American Institute of Aeronautics and

電作動時の推力は 9.0 mN，比推力が 88 sec とな

Astronautics, 2000.

った．また，投入電力が 3 W 以下で推進剤流量4)Horisawa, H., Ashiya, H. and Kimura, I.: Dischargeが小さい場合（4.2 mg/sec 以下）においては，Characteristics of a Very Low-Power Arcjet, IEPC

比推力が 40 sec 以下であった．これは低流量の03-0078, 2003.

ためノズル上流の圧力が小さく，超音速流れに

5)堀澤秀之, 芦谷穂高, 木村逸郎: 微小電力アーク

至っていないと確認した．そして，投入電力 7 W

ジェット推進機, 日本航空宇宙学会誌 第 52 巻 第における推進効率は 0.17 となった．

610 号, 2004

(3) 6×6 アレイ推進機の推進性能を評価するために，過去に評価した，マイクロ・シングル・プラズ

6)Hagiwara,H.Kosuke
Onodera,Tsuyoshi,N.andKimura,I.:"Multi-Jet Effects ofMicro-Nozzle

ArrayinVeryLow-PowerDC

Micro-Arcjets," AIAA Paper 06-4496,july 20067)Horisawa,H.,sawada,F.,Onodera,K.,and
Funaki,I:Numerical simulation of micro-nozzle andmicro-nozzle-array
flowfield characterristics,Vacuum,83(2008),pp.52-56.