内容梗概
題目: 『真空アーク推進機の放電頻度向上を目的とした推進剤の開発』
提出者: 17108020 岡元大河

指導教員: 豊田和弘 准教授
1. 研究背景近年、超小型人工衛星(1kg から 50kg までの人工衛星)の需要が大幅に増加している。しかし、超小型人工衛星には推進系を搭載することがほとんどできていない。超小型人工衛星が推進系を搭載するスペースを確保することができないのが理由となっている。本研究では、超小型人工衛星にも搭載することが可能な小型の推進機を開発するため、真空アーク推進機(以下 VAT: Vacuum Arc Thruster)に注目する。
2. 真空アーク推進機(VAT)

3. 受動点火VAT(図１)とは、陰極-陽極間で起こすアーク放電

衛星軌道である低地球軌道は、電子と正イオンがにより推力を得る推進機である。放電時に陰極輝点多く存在するプラズマ状態である。プラズマ状態と(Cathode spot)から噴出されるプラズマ蒸気(Plasma

絶縁体と導体が交わる三重接合点では、電界が集中jet)や金属蒸気が推力となる。

する。電界の集中により材料から電子が放出される。
さらに、電子が材料に当たると材料から電子が放出される。これらの電子放出により電子の濃度が高くなり、放電が引き起こされる。
VAT はプラズマ環境下での受動点火が可能で、点火器が不要となり小型化に繋がる。しかし、受動点火が実用可能な領域に達していない。本研究ではこの受動点火を採用した VAT の推進剤を開発する。

図１ 真空アーク推進機(VAT)の概略図

4. 本研究の目的
新たな水分含有方法や陰極シートを使用した推進剤の開発により放電頻度を向上させることを目的とする。
図２ 実験サンプル

5. 実験と考察①水分と接着剤を混ぜて陰極シートに塗る②陰極に配線した銅棒を軸に陰極シートを巻く③カプトンテープで絶縁する④陽極に配線した銅板を巻いて固定する

上記のような手順でサンプル(図２)を作成した。水分含有方法をマイクロシリカや高吸水性ポリマーやポリアクリル酸ナトリウムに変更、陰極シートを CFRP シートや銅メッシュや銅板に変更して、1 時間の放電頻度を測定した。
ポリアクリル酸ナトリウムのサンプルの放電回数が最も大きくなった(図３)。銅メッシュのサンプルに-900V を印加した際、非常に大きな放電周波数を確認することができた。しかし、しばらくしてサンプルは短絡した。これは絶縁層が薄いことによって生じる放電が原因だと考えられる。銅メッシュや銅板は、CFRP シートよりも放電回数は小さくなった。
CFRP シートに比べて放電時に削れにくいことが原因だと考えられる。
6. 結論① ポリアクリル酸ナトリウムによる水分含有方法で放電頻度が向上した。
② 銅メッシュや銅板を陰極シートにしても放電頻度は向上しなかった。
図３ 時間と放電回数(-600V)

Abstract
Title: 『Development of propellant for the purpose of improving the discharge frequency of VAT』
Supervisor: TOYODA Kazuhiro, Associate Professor

Submitter: 17108020 OKAMOTO Taiga

1. BackgroundIn recent years, the demand for micro artificial satellites (artificial satellites from 1 kg to 50 kg) has increased
significantly. However, it is almost impossible to mount a propulsion system on the micro artificial satellite. The reason
is that the micro artificial satellite cannot secure the space for mounting the propulsion system. In this research, we focus
on the Vacuum Arc Thruster in order to develop a small propulsion machine that can be mounted on the micro artificial
satellite.
2. VAT: Vacuum Arc Thruster

3. Passive ignition

VAT(Fig.1) is a propulsion machine that obtains thrust

The electric field is concentrated at the triple junction

by arc discharge generated between the cathode and thewhere the plasma state intersects the insulator and theanode. Plasma vapor ejected from the bright spot of theconductor. Electrons are emitted from the material by thecathode during discharge becomes the thrust.

concentration of the electric field. Furthermore, when an
electron hits a material, the material emits an electron.
These electron emissions increase the concentration ofelectrons and cause an electric discharge.
VAT can be passively ignited in a plasma environment,eliminating the need for an igniter. However, passiveignition is not practical. In this research, I’ll develop aVAT propellant that uses this passive ignition.

Fig.1 Vacuum Arc Thruster

4. Purpose
To improve the discharge frequency by developing a new watercontaining method and a propellant using a cathode sheet.
Fig.2 Thruster head sample

5. Experiments and Discussions① Mix water and adhesive and apply to cathode sheet② Wrap the cathode sheet around the copper rod③Insulate with Kapton tape

④ Wrap a copper plate and fix itA sample (Fig.2) was created by the above procedure.
The number of discharges of the sodium polyacrylate sample was the largest (Fig. 3). When -900V was applied to thecopper mesh sample, a very large discharge frequency could be confirmed. However, after a while, the sample wasshort-circuited. This is thought to be due to the discharge caused by the thin insulating layer. The number of discharges
of copper mesh and copper plate was smaller than that of CFRP sheet. It is thoughtthat the cause is that it is harder to scrape during discharge than the CFRP sheet.
6. Conclusion① Sodium polyacrylate improved the frequency of discharge.
② The discharge frequency did not improve by changing the cathode sheet.
Fig.3 Time and discharge frequency

目次
第１章 序論1.1 研究背景
1.1.1 歴史的背景
1.1.2 超小型人工衛星における推進系の現状
1.1.3 推進機の種類
1.1.4 真空アーク推進機: Vacuum Arc Thruster
1.1.5 鳳龍四号に搭載された VAT
1.2 先行研究
1.2.1 渕上氏の研究 2015
1.2.2 岩瀬氏の研究 2017
1.2.3 中山氏の研究 2018
1.2.4 山口氏の研究 2020
1.3 本研究の目的
1.3.1 新たな水分含有方法による放電頻度の向上
1.3.2 新たな陰極シートによる放電頻度の向上
第２章 研究原理
2.1 VAT の原理
2.2 受動点火
2.3 CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic
2.4 目標とする放電周波数
第 3 章 研究方法
3.1 実験環境
3.1.1 低地球軌道(LEO: Low Earth Orbit)環境模擬チャンバ
3.2 実験器具
3.2.1 電源装置
3.2.2 オシロスコープ
3.2.3 高電圧差動プローブ
3.2.4 デジタルハイテスター
3.2.5 カレントモニタ
3.2.6 ラングミュアプローブ
3.2.7 スラスタヘッドサンプル
3.3 放電実験手順

第 4 章 水分含有方法と放電頻度に関する実験
4.1 目的4.2 実験方法
4.2.1 サンプル作成
4.2.2 放電実験
4.3 実験結果
4.3.1 プラズマ環境
4.3.2 放電頻度
第 5 章 銅メッシュを陰極シートとした時の放電頻度に関する実験
5.1 目的5.2 実験方法
5.2.1 サンプル作成
5.2.2 放電実験
5.3 実験結果
5.3.1 プラズマ環境
5.3.2 放電頻度
第 6 章 スラスタヘッドサンプルの切断面改良に関する実験
6.1 目的6.2 実験方法
6.2.1 サンプル作成
6.2.2 放電実験
6.3 実験結果
6.3.1 プラズマ環境
6.3.2 放電頻度
第 7 章 sampleC と sampleF の再現性に関する実験
7.1 目的7.2 実験方法
7.2.1 サンプル作成
7.2.2 放電実験
7.3 実験結果
7.3.1 プラズマ環境
7.3.2 放電頻度

第 8 章 考察
8.1 水分含有方法と放電頻度に関する考察
8.2 陰極シートと電圧波形に関する考察
8.3 絶縁層の薄さによる放電と絶縁破壊に関する考察
8.4 電子密度と放電頻度に関する考察
8.5 一時的に大きい放電周波数に関する考察
第 9 章 結論
9.1 総括
9.2 今後の課題
参考文献
謝辞
付録

全文を希望の方は cho@ele.kyutech.ac.jp までご連絡くださいTable of Contents
Chapter1 Introduction
1.1 Research background1.1.1 Historical background1.1.2 Current status of propulsion system
1.1.3 Type of propulsion machine
1.1.4 VAT: Vacuum Arc Thruster
1.1.5 VAT mounted on the HORYU-Ⅳ
1.2 Previous research
1.2.1 Huchigami’s research 2015
1.2.2 Iwase’s research 2017
1.2.3 Nakayama’s research 2018
1.2.4 Yamaguchi’s research 2020
1.3 Purpose
1.3.1 New water content methods
1.3.2 New cathode sheets
Chapter2 Principle
2.1 VAT
2.2 Passive ignition
2.3 CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic
2.4 Target discharge frequency
Chapter3 Methods
3.1 Experiment Environment
3.1.1 LEO chamber: Low Earth Orbit chamber
3.2 Equipment
3.2.1 Power supply
3.2.2 Oscilloscope
3.2.3 High voltage different prove
3.2.4 Digital high tester
3.2.5 Current monitor
3.2.6 Langmuir prove
3.2.7 Thruster head sample
3.3 Experimental procedureChapter4 Water content methodes and discharge frequency
4.1 Purpose
4.2 Methods
4.2.1 Sample creation
4.2.2 Experimental procedure
4.3 Result
4.3.1 Plasma environment
4.3.2 Discharge frequency
Chapter5 Copper mesh cathode sheet and discharge frequency
5.1 Purpose
5.2 Methods
5.2.1 Sample creation
5.2.2 Experimental procedure
5.3 Result
5.3.1 Plasma environment
5.3.2 Discharge frequency
Chapter6 Cut surface improvement and discharge frequency
6.1 Purpose
6.2 Methods
6.2.1 Sample creation
6.2.2 Experimental procedure
6.3 Result
6.3.1 Plasma environment
6.3.2 Discharge frequency
Chapter7 Reproducibility of sampleC and sampleF
7.1 Purpose
7.2 Methods
7.2.1 Sample creation
7.2.2 Experimental procedure
7.3 Result
7.3.1 Plasma environment
7.3.2 Discharge frequency

Chapter8 Discussion
8.1 Water content methode and discharge frequency
8.2 Cathode sheet and discharge frequency
8.3 Thinness of insulation layer and dielectric breakdown
8.4 Electron density and discharge frequency
8.5 Temporarily large discharge frequency
Chapter9 Conclusion
9.1 Summary
9.2 Next Task
Reference
Acknowledgments
Appendices

If you would like the full text, please contact me cho@ele.kyutech.ac.jp