SS-6
大電力電磁加速推進機とRFプラズマスラスタ:研究の現状
High Power Electromagnetic Acceleration Thruster and RF Plasma Thruster:
Research Status
大塩 裕哉
Yuya Oshio
東京農工大学Tokyo University of Agriculture and Technology

大電力電磁加速推進機
宇宙科学研究所で進められているMPDスラスターの研究開発メソッドをFig.1に示す。バル
クプラズマから電極現象まで自己無撞着に計算するシースモデルと熱解析を含むMHDシミュレーションとmsオーダーの準定常実験を組み合わせてMPDスラスターの最適化設計を進めている。準定常実験では、数値解析で設計した放電室形状のMPDスラスターの推力・プラズ
マ計測を主に行っている1)。Figure.2に振り子式スラストスタンドを用いた推力計測結果から得られた推進効率と比推力を示す。Arでは推進MPD設計ツール
開発

設計最適化

MHD

Final Goal

シミュレーション

シースモデル

準定常実験

実機モデル
スラスター・推力・プラズマパラメータ・放電電流・電圧・電極温度

熱解析70

Fig.1 大電力電磁加速推進機の開発メソッド.

50 70

Thrust Efficiency, %Thrust Efficiency, %はじめにBoeingが2015年に打ち上げたSP702に代表される軌道遷移や軌道維持をすべて電気推進機で行なう全電化衛星や、太陽発電衛星などで要求される大規模軌道間輸送、木星以遠の深宇宙探査など電気推進機の需要の高まりと共に、要求される性能も高くなってきている。特に、短時間の軌道遷移で要求される”大電力化”と数年から10年以上のミッションに耐えられる”長寿命”が今後の電気推進機の重要な課題であると考えられる。大電力に適した電気推進機の１つにMPD(MagnetoPlasma Dynamic)スラスターがある。MPDは、数値解析や準定常実験において高い推進効率と推力密度が得られているが、100 kW以上の電力が必要であり、電極溶融を防ぐための熱設計が課題である。また、電極の損耗は長寿命化の大きな障害であることから、高周波放電と無電極プラズマ加速による無電極RFプラズマスラスタの研究が進められている。
本発表では、JAXA 宇宙科学研究所と農工大で行なわれているMPDスラスターと無電極RFプラズマスラスタの研究の現状を特に実験に着目して紹介する。

503030Ar 1.8g/s
Ar 0.7 g/s
H2Ar0.71.8g/s
g/s
H2Ar0.40.7g/sg/s
H2 0.7 g/s
H2 0.4 g/s

108放電写真(Ar)106 8100
6100

1000

Specific Impulse, sec
1000

10000
10000

Specific Impulse, sec
Fig.2 大電力電磁加速推進機の推進性能.
K(a) Jd=9.0 kA.
(b) Jd=13.5 kA.
Fig.3 放電中のカソード表面温度計測結果.
(Ar 0.7 g/s)

B

Fdiamag 推進剤
FthermalB

磁気回路(コイル，永久磁石)
Fig.4 RFプラズマスラスタ.

B

C

Fig.5E 推力計測システムの写真.F
111001000.10.1

100.010.01

110.001-3
1x100.1
0.10.0001-4
1x100.01
0.01

10-5

1x10 -51x1000

200
200

400
400600
600

800
800

RFWW
RFPower,
Power,

ηt_w/o Cusp
ηt_With Cusp

Propellant
Efficecy, % %Utilization Efficiency,
PropellantUtilization

RFプラズマスラスタ
農工大にて研究を進めている無電極RFプラズ
マスラスタの概略図をFig.4に示す。このスラスタ
ーは無電極RF放電によりプラズマを生成し、磁気ノズル(出口付近の発散磁場)によりプラズマを無電極で加速する完全無電極のスラスターである。
無電極プラズマスラスタは、推進効率が低いのが課題であり、推進効率改善のために研究を進めている。我々は、放電室内部に磁気カスプを作ることでプラズマ生成効率を向上させ、1kWから数kW程度の電力において推進効率の改善を目指している。真空チャンバー内部の推力計測試験の写真をFig.5に示す。スラスターは放電室であるガラス管、3巻きのコイル型のRFアンテナ、カスプ磁場と磁気ノズルを作る永久磁石から構成され、捻じり振り子式のスラストスタンドに搭載されている。Figure.6に推力計測結果から求めた推進効率と平板型プローブで計測されたプルーム中の全イオン電流計測から求めた推進剤利用効率(推進剤ガス流量とプラズマとして加速排気された量の比)のグラフを示す2)。
カスプありの条件では、400 Wから500 Wにかけて大きな推力上昇が見られ、その後カスプなしの条件より推力が高くなっている。推進剤利用効率は1 kWにおいてカスプなしの9%からカスプありの23%へと大きなプラズマ生成効率改善を達成した。しかしながら、1 kWにおいてカスプの有無による推力差は小さく、生成されたプラズマの効率的な加速ができていないことが明らかになった。現在は、カスプとアンテナの位置関係が推進性能に及ぼす影響を調べており、これまでにアンテナはカスプより下流側に置き、アンテナは放電室の下流端付近に設置

磁気ノズル

高周波アンテナ

ThrustThrustEfficiency,Efficiency, %%

効率18%、比推力3000 s、水素では推進効率60%、比推力9000 sを達成している。特にArにおいては、更なる推進性能の改善が必要であり、放電室形状の最適化を進めている。一方で、電極の溶融を防ぐための熱設計や、推進性能にも大きく関わるシース現象の調査も進めている。両者の評価のために重要となる電極温度分布を実験的に計測するために1 msの準定常動作中の電極の2次元温度分布が得られる2色輻射温度計測システムを構築した。陰極の表面温度分布計
測結果の一例をFig.3に示す。低い放電電流では陰極先端のみが加熱されており放電電流が高くなると陰極全体が加熱されておいる。放電電流により電極の温度分布特性が大きく異なる事が明らかになり、この結果を数値解析へフィードバックし、より精度の高いMPD設計ツールの開発を行なっている。

0.001
0.001
10001000ηu_w/o Cuspηu_With Cusp

Fig.6 カスプの有無による推進剤利用効率と推進効率の比較.(Ar 1.2 mg/s)することでより高い推進性能が得られることを明らかにしている。しかし、推進効率は最大で0.9%程度であり、さらなる放電室内のアンテナや磁場分布の最適化を進めている。
参考文献
1) Y, Oshio., S, Tonooka., I, Funaki., Thrust Performance and CathodeTemperature Evaluation of MW Class Quasi-Steady MPD Thruster,
52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, AIAA2016-5039,
July, 2016.
2) 大塩 裕哉，伊藤 祥，中村 隆宏，西田 浩之,磁気ノズル型ヘリコンスラスタの磁場形状とアンテナ位置が推進性能に与える影響, 第 47 期定時社員総会および年会講演会, 1D15, 2016 年 4月.