粒子シミュレーションによる磁気プラズマセイルの推力解析

使用粒子模拟对磁等离子体帆进行推力分析

• 批准号: 12J01626
• 负责人: 芦田 康将
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012 至 2014-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J01626/
• 关键词: 磁気セイル; 磁気プラズマセイル; HPC; Full-PIC; Flux-Tube; 小型磁気圏

本研究では次世代宇宙推進システムである磁気セイル・磁気プラズマセイルの推力特性を明らかにし、さらなる推力向上を図ることを目的としている。磁気セイルは太陽から流れ道す高速のプラズマ流である太陽風を衛星から発生させた磁場で推力へ変換し、磁気プラズマセイルでは少量のプラズマ噴射によって磁場を拡大することによってさらに大きな椎力を得ることを目指している。まず、3次元のFull-PICシミュレーションを京コンピュータ(若手人材育成課題hp120084)の利用により大規模に実施することで、実システムとして想定された数100mから数kmの磁気帆を展開する磁気セイルの推力発生を実証することができ、推力がコイル磁気モーメント・太陽風密度・太陽風速度にそれぞれ比例することを明らかにした。次に、磁気プラズマセイルの推力増加のパラメータサーベイを実施した。磁気プラズマセイルの小型実証機を想定した典型的なケースでは、プラズマ噴射なしの場合の0.07mNからプラズマ噴射ありの1.0mNへと推力が約14倍に増加したのに対し、パラメータの最適化により最人で97倍の推力増加が得られることが明らかになった。また、プラズマ噴射の速度、温度、流最、位置などによって推力増加の特性だけでなく、比推力(燃費)・推力重量比(加速度)・推力電力比といった推進性能も人きく影響を受けることが明らかとなった。その結果、上記3つの推進性能にはトレード・オフの関係がありミッションに応じたパラメータの設定が必要であることが明らかになったまた磁気プラズマセイルによって、より大きな加速を得るためには搭載する超伝導コイルシステムを展開するなど新しい技術の開発が必要であることが明らかとなった。最後に、上記で述べたような推力特性を反映させ、ミッションの検討を行った。現行の技術で建造ができる磁気セイルでは太陽-地球系のラグランジュ点付近での軌道保持が、磁気プラズマセイルでは金星や水星のような内惑星探査が可能となり、既存推進システムに対しても優位と成ることを明らかにした。これらの成果については、アメリカ航空宇宙学会の論文誌2編への投稿を行った。

The thrust characteristics of the next generation cosmic propulsion system are discussed in detail. The magnetic field of the solar wind is generated by the magnetic field of the satellite. The thrust of the magnetic field is changed. The magnetic field is increased. The thrust of the magnetic field is increased. 3 times full PIC, 3 times full PIC (Project HP120084) The utilization of large-scale magnetic field operation is planned to be 100m to several km in length, and the magnetic field thrust generation is demonstrated. Second, the magnetic field of the thrust increase in the number of vehicles The thrust of a typical small test machine is increased by about 14 times in the case of 0.07mN injection, and the thrust of a typical small test machine is increased by about 97 times in the case of 0.07mN injection. The characteristics of thrust increase, specific thrust (fuel cost), thrust-to-weight ratio (acceleration), thrust-to-power ratio, and propulsion performance are affected by the characteristics of velocity, temperature, flow peak, and position of injection. As a result, the propulsion performance of the above three categories is necessary for the development of new technologies. Finally, the thrust characteristics described above are discussed. Current technology is to build a magnetic field that maintains orbit close to the Sun and Earth system, and a magnetic field that maintains orbit close to Venus and Mercury, and to explore the inner planets of the existing propulsion system. The results of this paper are published in the Journal of the Aerospace Society.

项目成果

小型磁気セイルの推力特性の数値解析と推力増加に向けた検討

小型磁帆推力特性数值分析及增推研究

• 发表时间: 2013
• 作者: H. T. B. M. PETRUS;Tsuyoshi HIRAJIMA.;et al;芦田康将,山川宏,船木一幸,梶村好宏
• 通讯作者: 芦田康将,山川宏,船木一幸,梶村好宏

磁気プラズマセイル開発に向けたプラズマ粒子シミュレーションコードの高速化

加速磁等离子体帆开发的等离子体粒子模拟代码

• 发表时间: 2012
• 作者: Kayo Sawada;Youichi Enokida;芦田康将,山川宏,船木一幸,臼井英之,梶村好宏
• 通讯作者: 芦田康将,山川宏,船木一幸,臼井英之,梶村好宏

Full Kinetic Analysis of Small-scale Magneto Plasma Sail in Magnetized Solar Wind

磁化太阳风中小型磁等离子体帆的全动力学分析

• 发表时间: 2013
• 作者: Hikaru Kawai;Yoshinori Matsuo;Yuki Yokokura;Yuki Yokokura;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida
• 通讯作者: Yasumasa Ashida

粒子シミュレーションによる磁気プラズマセイルの推力解析

使用粒子模拟对磁等离子体帆进行推力分析

• 发表时间: 2013
• 作者: Hikaru Kawai;Yoshinori Matsuo;Yuki Yokokura;Yuki Yokokura;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;芦田康将;Yasumasa Ashida;芦田康将;芦田康将
• 通讯作者: 芦田康将

磁気プラズマセイル宇宙機開発のための3次元プラズマ粒子シミュレーションによる推力特性の解明

通过 3D 等离子体粒子模拟阐明磁等离子体帆航天器开发的推力特性

• 发表时间: 2013
• 作者: Hikaru Kawai;Yoshinori Matsuo;Yuki Yokokura;Yuki Yokokura;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;横倉祐貴;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;Yasumasa Ashida;芦田康将;Yasumasa Ashida;芦田康将
• 通讯作者: 芦田康将