Molecular flow compression intake using microstructured surface applicable to air breathing ion engine

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本申請は超低軌道用電気推進システムとして理想的な大気吸入イオンエンジン（ABIE）実現のキーテクノロジーである高圧縮インテークを世界で初めて実現しようとするものである。高圧縮インテークを実現することで長寿命・低コストな衛星コンステレーションを実現でき、超低高度衛星群の実用化を切り開く強力な基盤技術となる。ABIEにおいて要求される高圧縮インテークは、分子流領域で分子の逆流を防ぐことが要求されており、通常の流体力学では解決が不可能な命題である。分子流領域では分子／固体表面間の散乱過程を制御することが唯一の方法となる。そこで、固体表面原子の種類、平滑度（表面粗さ・うねり）、表面構造、等ポテンシャル面形状を最適設計することにより非等方的な散乱特性を実現するアイデアを理論的・実験的に検証する。研究初年度であるFY2022年度には、まず実験的アプローチとして微細加工で試作したサンプル表面での散乱分布特性を分子線散乱実験装置を用いて実測した。その結果、試作した表面での分子散乱は方向性を有するダイオード的特性を有することが確認できた。一方、計算的なアプローチとしては、前述の実験的に計測した散乱特性を組み込んだDSMC計算により圧縮特性の評価を行うためのコードに入射角に応じたCLLモデルを適用できるように新規なDSMCコードの作成を行った。さらに2024年度に観測ロケットS-310-46号機での圧縮インテーク評価実証機会を確保できたことから、この機会を利用して観測ロケットの大気密度計測装置に高圧縮インテークを実装し、その宇宙実証結果と地上試験結果との整合性を確認する稀有な機会を得た。これにより宇宙実験結果をDSMCにフィードバックすることができ、大気吸入電気推進システム実現のキーテクノロジーとされる高圧縮インテークについて実践的な研究開発を行うための準備を整えることができた。