Elucidation of surface erosion on spacecraft due to backflow ions in operation of ion thruster adopting spacecraft charging analysis

采用航天器充电分析阐明离子推进器运行时回流离子对航天器表面的侵蚀

• 批准号: 22H01688
• 负责人: 村中 崇信
• 金额: $ 10.98万
• 依托单位: Chukyo University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01688/
• 关键词: 宇宙用電気推進; 宇宙機のプラズマ干渉; スパッタリング損耗; 宇宙機帯電; 宇宙機と電気推進プルームの干渉現象解明; 宇宙機と電気推進プルームの干渉現象の再現実験; イオンスラスタプルームのパラメータ計測; イオンスラスタの逆流イオンのエネルギー分布計測; イオンスラスタの逆流イオンによる損耗量評価; 宇宙探査機の帯電予測; Hybrid-PICプラズマシミュレーション; 地上実験; プラズマ数値シミュレーション

軌道上のイオンスラスタ（以後スラスタ）搭載宇宙機において，スラスタ放出プラズマプルーム（以後プルーム）と太陽電池等との電気的干渉に起因する宇宙機電位の変動は，スラスタの逆流イオンのエネルギー分布（IEDF）に影響を及ぼす可能性がある．そこで，地上実験系構築の端緒として，この宇宙機電位の変動を再現する次の手法を考案した．すなわち，スラスタ電位基準を浮遊電位とした上で，これに接続する電極板をプルーム中に設置する．この電極板に電圧を印加することで，スラスタ基準電位（ここでは宇宙機電位と同等）を可変とする．本研究では，スラスタ基準電位を電極板に対して負電位として宇宙機の負帯電を再現した．次に，地上実験におけるプラズマ諸量計測では，スラスタ取付け面におけるスラスタの逆流イオンのIEDF計測を実施した．スラスタ中心からの距離およびスラスタ外周部に配置された電子源からの位相角を計測の位置変数とし，開発した逆電位アナライザーを最大6個使用した多地点同時計測を行なった．その結果，宇宙機負帯電を再現した実験では，各地点のIEDFが宇宙機電位の絶対値に依存して一定量高エネルギー側に推移することを確認した．また，おなじ実験条件においても，各計測地点のIEDFは同一でないことを確認した．この原因は，スラスタ近傍では電子源配置に起因するイオンビーム放出面内電位が異方性を持つことに起因すると考えている．スラスタ近傍における電位構造の詳細を解明するために，スラスタ放出中心軸を含む特定面内で２次元プルーム電位分布計測，および，プルーム電位を決定する主要量である電子温度分布計測も合わせて実施し，IEDFを裏付ける物理的情報を得た．その後，計測点の増加等さらなる情報収集に向けた準備を進めている．また，実験研究と並行して，数値計算によるスラスタ放出プラズマ解析に向けて計算コードの機能拡充に着手した．

Orbit の イ オ ン ス ラ ス タ (hereafter ス ラ ス タ) pick up the machine に お い て, ス ラ ス タ release プ ラ ズ マ プ ル ー ム (hereafter プ ル ー ム) と solar cells such as と の electric 気 dry involved に cause す る electromechanical a の universe - は, ス ラ ス タ の countercurrent イ オ ン の エ ネ ル ギ ー distribution (IEDF) に influence を and ぼ す possibility が あ る. Youdaoplaceholder0 する で で, the construction of the <s:1> thread of the ground experiment department と て, <s:1> the mechanical position <s:1> change of the universe を reappearance する times を, the を study case た た. す な わ ち, ス ラ ス タ potential benchmark を floating potential と し た で, こ れ に meet 続 す る plates を プ ル ー ム に set す る. こ の electric plate に electric 圧 を Inca す る こ と で, ス ラ ス タ benchmark potentials (こ こ で は electromechanical と equivalent) universe を can - と す る. This study で は, ス ラ ス タ benchmark potential を plates に し seaborne て negative potential と し て universe machine の negative 帯 electricity を reappearance し た. に, the ground be 験 に お け る プ ラ ズ マ the meter measuring で は, ス ラ ス タ take pay け flour に お け る ス ラ ス タ の countercurrent イ オ ン の IEDF measuring を be applied し た. ス ラ ス タ center か ら の distance お よ び ス ラ ス タ peripheral department に configuration さ れ た electronic source か ら の a phase Angle を measuring の position - several と し, open 発 し た inverse potential ア ナ ラ イ ザ ー を six largest use し た locations at the same time measuring line を な っ た. Negative 帯 そ の as a result, the machine electricity を reappearance し た be 験 で は, around the point の IEDF が electromechanical a universe の unique numerical に seaborne dependent し て high amount エ ネ ル ギ ー side に goes す る こ と を confirm し た. Youdaoplaceholder0, おなじ experimental conditions にお て て また, each measurement site <s:1> IEDF おなじ the same でな とを とを とを とを confirm that the た. は こ の reasons, ス ラ ス タ nearly alongside で は electronic source configuration に cause す る イ オ ン ビ ー ム put inside to potential が square difference を hold つ こ と に cause す る と exam え て い る. ス ラ ス タ nearly alongside に お け る potential structure の detailed を interpret す る た め に, ス ラ ス タ release center axis を containing む で within specific surface 2 dimensional プ ル ー ム potential distribution measuring, お よ び, プ ル ー ム potential を decided す る main quantity で あ る electronic temperature measuring も close わ せ て be し, IEDF in pay け を る physical intelligence を た. After そ そ, the さらなる intelligence collection of the measurement point <s:1> increase に is sent to けた to prepare を for めて る る る. ま た, be 験 research と parallel し て, the numerical calculation に よ る ス ラ ス タ release プ ラ ズ マ parsing に to け て computing コ ー ド の function company に set about filling し た.