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Improvement of Microwave Discharge Ion Engine with Antenna for Uniform and High dense Plasma Generation

带天线的微波放电离子发动机的改进以产生均匀高密度等离子体

基本信息

批准号：
16560691
负责人：
NAKASHIMA Hideki
金额：
$ 2.3万
依托单位：
KYUSHU UNIVERCITY
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-16560691/
关键词：
ion engine plasma numerical simulation microwave deep space explore electron cyclotron resonance space propulsion ion beam source マイクロ波放電モノポールアンテナ

项目摘要

The aim of this study is developing a novel microwave discharge ion thruster, uniform plasma generation and high thrust density in cooperation with Japan Aerospace Exploration Agency.Numerical simulation was done in order to optimize the engine configurations for developing two size ion engines. We have developed a code coupling particle-in-cell (PIC) method and finite difference time domain (FDTD) one. Adopting these methods has advantages in that PIC method can treat collision process and distribution function while FDTD method can analyze absorption of microwave in plasma.The following conclusions were obtained.1) With respect to microwaves propagation, the dependence of antenna configuration on microwave propagation efficiency was proved, this led the optimum antenna configuration.2) With respect to the plasma production in the discharge chamber, electrons existing between the yokes are energized from the ECR and the electric field of high strength near the antenna, and the plasma is maintained by ionization collisions of the energized electrons.3) the antenna needs to be close to the ECR region for the effective plasma production.Applying the design law from numerical analysis, novel 100 mm class ion engine was developed and the thrust performance of it was measured. The thruster performance of this engine, propellant utilization, ion beam production cost, are 0.62,276 W/A, respectively, at mass flow rate =0.24 mg/s, and incident microwave power = 32 W.On the basis of numerical simulation results and experimental results of 100 mm class ion engine, a miniature microwave discharge ion engine was developed. The thruster performance of the miniature ion engine, propellant utilization, ion beam production cost, estimated thrust, estimated specific impulse and estimated thrust efficiency are 0.92,590 W/A,0.80 mN,4,180 sec and 0.58,respectively, at mass flow rate =0.020 mg/s, and incident microwave power = 10 W.

本研究的目的是与日本宇宙航空研究开发机构合作开发一种新型的微波放电离子发动机，该发动机具有均匀的等离子体产生和高的推力密度，为了开发两种尺寸的离子发动机，对发动机结构进行了数值模拟优化。我们发展了一种编码耦合粒子网格（PIC）方法和时域有限差分（FDTD）方法。利用PIC方法处理碰撞过程和分布函数，FDTD方法分析微波在等离子体中的吸收，得到了以下结论：1）在微波传播方面，证明了天线结构对微波传播效率的依赖性，从而得到了最佳天线结构; 2）在等离子体产生方面，磁轭之间存在的电子从ECR和天线附近的高强度电场被激励，并且等离子体通过被激励的电子的电离碰撞来维持。3）为了有效地产生等离子体，天线需要靠近ECR区域。应用来自数值分析的设计法则，研制了一种新型100 mm级离子发动机，并对其推力性能进行了测试。在质量流量为0.24 mg/s，入射微波功率为32 W时，该发动机的推力器性能、推进剂利用率和离子束产生成本分别为0.62和276 W/A。在数值模拟和100 mm级离子发动机实验结果的基础上，研制了一台微型微波放电离子发动机。在质量流量为0.020 mg/s，入射微波功率为10 W时，微型离子发动机的推力性能、推进剂利用率、离子束产生成本、估算推力、估算比冲和估算推力效率分别为0.92，590 W/A、0.80 mN、4，180 sec和0.58。

项目成果

期刊论文数量（52）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

A Miniaturized Ion Thruster and Neutralizer with Microwave Discharge

微波放电小型化离子推进器和中和器

DOI：
发表时间：
2005
期刊：
56^<th> Int.Astronautical Congress, IAC-05-CIAC-05-C4.4.02
影响因子：
0
作者：
N.Yamamoto;et al.;N.Yamamoto;K.Izumi;M.Tanisho
通讯作者：
M.Tanisho

Electromagnetic Field Analysis for Microwave Discharge Ion Engine using Multi-monopole Antenna System

使用多单极天线系统的微波放电离子发动机电磁场分析

DOI：
发表时间：
2005
期刊：
56^<th> Int.Astronautical Congress, IAC-05-CIAC-05-C4.P.03
影响因子：
0
作者：
N.Yamamoto;et al.;N.Yamamoto;K.Izumi
通讯作者：
K.Izumi

Research and Development Status of Microwave Discharge Ion Thruster μ20

微波放电离子推进器μ20研发现状

DOI：
发表时间：
2005
期刊：
Proc.29^<th> Int.Electric Propulsion Conference, IEPC-2005-055
影响因子：
0
作者：
N.Yamamoto;et al.;N.Yamamoto;K.Izumi;M.Tanisho;中山宜典;K.Nishiyama
通讯作者：
K.Nishiyama

Development of a New Microwave Discharge Type Ion Engine

新型微波放电式离子发动机的研制

DOI：
发表时间：
2004
期刊：
Vacuum Vol.73, No.3-4
影响因子：
0
作者：
N.Yamamoto;et al.;N.Yamamoto;K.Izumi;M.Tanisho;中山宜典;K.Nishiyama;H.Masui;T.Miyamoto
通讯作者：
T.Miyamoto

Development of an Electromagnetic Particle Code for Space Propulsion Application Using ECR Discharge

使用 ECR 放电开发用于空间推进应用的电磁粒子代码

DOI：
发表时间：
2004
期刊：
24^<th> International Symposium on Space Technology and Science, ISTS 2004-b-11
影响因子：
0
作者：
N.Yamamoto;et al.;N.Yamamoto;K.Izumi;M.Tanisho;中山宜典;K.Nishiyama;H.Masui;T.Miyamoto;Y.Takao;H.Masui
通讯作者：
H.Masui