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数値計算による宇宙推進MPDスラスタの低電力化に関する研究

降低空间推进MPD推进器功耗的数值计算研究

基本信息

批准号：
08J09404
负责人：
窪田健一
金额：
$ 0.77万
依托单位：
Japan Aerospace Exploration Agency (2009)Tokyo Institute of Technology (2008)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2009
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08J09404/
关键词：
電気推進 MPDスラスタ数値シミュレーション低電力化

项目摘要

電気推進機(宇宙空間用ロケット)の一つであるMPDスラスタ(MPDT)は他のスラスタに比べ高推力を発揮できる利点があるが、通常100kW以上の領域で作動する。しかし宇宙で得られる電力には上限があるためより低電力(<100kW)での高効率作動が求められている。そこで本研究ではMPDTの低電力化案としてパルス作動MPDT、及び磁場印加型MPDT(AFMPDT)に焦点をあて、それらの基本特性を捉えるための2次元数値計算を行った。1年目に行ったパルス作動MPDTに関する研究では、パルス放電の際の電流波形がMPDTの性能に与える影響を調べ、さらに推進剤による流れ場・性能の違いを検討した。本年度ではこれらの成果を投稿論文としてまとめ発表した。磁場印加型MPDTについては、同軸型MPDTに磁場を印加した際のエネルギー変換過程を調べた。その結果、入口付近でジュール熱として投入された電力の多くはスラスタノズル部やスラスタ入口において熱損失として失われていることが判明した。過去の実験でもエネルギーの多くが陽極において失われていることが示されていたため、推進効率(投入電力と推力エネルギー流束の比)を正確に評価するためには陽極における熱損失モデルの構築が重要であると考えられる。そこで本研究ではAFMPDTの正確な性能評価を念頭に置き、MPDTの陽極表面におけるエネルギー損失モデルの構築を検討した。なお、過去多くのMPDTに関する計算が行われてきたが、陽極での熱損失モデルやシースの影響を取り入れた計算例はない。パワーバランスの式、電極表面において電流保存、イオンの拡散に関する関係式もモデルに組み込み、陽極表面における電子数密度、電子温度、シース電圧を与えることができる計算コードを開発した。今後はこのコードを用いてAFMPDTや自己誘起磁場型MPDTの性能評価を行う予定である。

Electric propulsion machines (outer space applications) operate in areas where they have a higher thrust than other propulsion systems (MPDT), usually in excess of 100kW. High efficiency operation with low power (<100kW) In this study, the basic characteristics of low power MPDT and high magnetic field MPDT(AFMPDT) were calculated. A study on current waveforms of MPDT during operation in 2001 was conducted to investigate the effects of current waveforms on the performance of MPDT and the flow field and performance violations of propulsion. This year's paper is submitted to the Ministry of Foreign Affairs. The magnetic field MPDT is modulated by the magnetic field during the conversion process. As a result, the heat input from the inlet is much higher than the heat input from the inlet. In the past, it was important to correctly evaluate the propulsion efficiency (ratio of input power to thrust) and the heat loss of anode. In this study, the correct performance evaluation of AFMPDT is discussed, and the anode surface of AFMPDT is also discussed. The calculation of the influence of the heat loss of the anode on the MPDT in the past takes into account the calculation example. The formula of the electrode surface is related to the current storage and dispersion. The formula of the electrode surface is related to the electron density, electron temperature, and voltage of the anode surface. In the future, the performance evaluation of AFMPDT and self-induced magnetic field MPDT will be determined.