Physics of energy transportation and momentum conversion on moving from electron heating to magnetic nozzle acceleration

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電気推進機への応用を目指した磁気ノズル加速の運動論的解析を行い、推進機内部で起こるプラズマ物理の解明と性能向上に向けた数値的研究を行った。計算手法としてparticle-in-cell / Monte Carlo collisions法を採用し、電磁場中のイオン・電子の運動と粒子間衝突を扱うシミュレーションによって磁気ノズル内部のプラズマ流れを再現した。その結果、RF加熱によって生成された高エネルギー電子輸送ならびに推進機内部の密度構造形成を明らかにするとともに、磁気ノズルによるプラズマ膨張現象における電子エネルギー依存性を明らかにする研究成果を得た。内部の密度構造によって推進性能が変わることが実験的に示唆されていたため、密度構造がどのようなプラズマ物理によって決まるかを明らかにする本成果は、推進機の性能向上に向けた設計指針となる意義がある。また、プラズマ膨張現象における電子エネルギー依存性に着目したことで、実験研究によって示唆されていたシースの重要性を支持する結果が得られた上、高エネルギー電子によるプラズマ中のエネルギー輸送を示唆する結果となった。これらの研究成果は、実験研究において示唆されていたプラズマ流れを数値的に検証したものであり、磁気ノズル内部のプラズマ物理を運動論的視点から解明した点に重要性がある。さらに当該年度は中性粒子の流れ解析を新たに実装し、プラズマ中の荷電粒子と中性粒子を同時に解析する計算コードに拡張した。今後は、中性粒子流れが磁気ノズル加速においてどのような影響を及ぼすのかを解析することにつながり、磁気ノズル推進機のさらなる性能向上に向けた知見が得られることが期待される。