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

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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。