ダブルレイヤーを用いた超小型衛星用プラズマ推進器の開発

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近年打ち上げ数が急増している重さが100 kg以下の超小型衛星用の推進器の性能向上に関して、数値解析および実験を行った。本推進器では、マイクロ波で中性ガスをプラズマ化した後、推進器内外の電位差を用いて排出し、その反作用として推力を得る。そのため、マイクロ波でいかに効率よくプラズマを生成するかが非常に重要となる。しかし、推進器の小ささゆえに、内部計測が困難なため、数値解析コードを用いてマイクロ波から電子へのエネルギー授与過程解明を目指して研究を行った。本研究では、マイクロ波を解析するFinite-difference time-domain method(FDTD法)と電子を解析するParticle-in-cell method(PIC法)を組み合わせた数値解析コードを用いて解析を行った。その結果、マイクロ波放電用のアンテナと呼ばれる部品に導入されたマイクロ波は、推進器内部のをほとんど伝搬することなく、アンテナ近傍1 mm程度で急速に減衰していることが明らかとなった。これは、放電室がマイクロ波波長よりも十分小さいためだと考えられる。これまで、電子の加熱には電子サイクロトロン共鳴（ECR）と呼ばれる現象が寄与していると考えられていたが、今回の解析結果ではアンテナから1 mm以内の極近傍で全加熱の75～90%が起こっており、ECRの寄与は小さいことが明らかとなり、電子加熱はアンテナ近傍の強電場による加熱の効果が支配的であることを明らかにした。実験においては推力計測用のスラストスタンドと呼ばれる装置を作成し、推進器によって発生する推力を実測した。その結果、これまでの調査から見積もられていた推力の1/5程度しか発生していないことが明らかになった。