第４章 推進剤の供給方法の変更による性能改善の検討
4.4 推進剤供給位置の変更による性能改善の検討
ルギー状態の2温度分布である．
第４章のまとめ
本章では宇宙科学研究本部で開発中の 20 cm 級マイクロ波放電型イオンスラスタ を使用して, 推進剤の供給位置が与える性能の変化を実験で確かめた．そしてその 影響を考察すべく電子のエネルギー分布関数を計測した．その結果, 直流放電型イ オンスラスタとは異なり, 推進剤を電子の運動軌道上に一様に供給する事は電子の エネルギーを低下させて, 却って性能の劣化に繋がった．熱電子を電離エネルギー 以上のエネルギーを持った高温電子にまで加速して中性粒子を電離させる ECR 加 熱を用いたマイクロ波放電型イオンスラスタでは電子のエネルギー上昇を妨げない ように推進剤を供給してやることが重要であることがわかった．この事を考慮して, 推進剤供給ポートを設置してやることで, スラスタの性能を大幅に向上させること に成功した．その性能値は参考文献[3-1], [3-2]で挙げたような, 今後のミッションに 採用されるべく掲げた目標値であり, それを達成できた事は今後のマイクロ波放電 型イオンスラスタの設計指針に大きな影響を与えるであろう．
μ10 (achieved) μ20 (target)
Ion Production Cost (W/A) 230 200
Ion Beam Current (mA) 140 500
Microwave Power (W) 32 100
Screen Voltage (V) 1500 1200
Specific Impulse (sec) 3000 2800
Thrust (mN) 8.5 27
System Power (W) 350 900
Thrust/Power (mN/kW) 22 30
表4-1 μ20の目標性能
図4-1 (a) マイクロ波放電型イオンスラスタμ20断面図と(上)と正面図(下)
図4-2 μ20の磁場配位
Material C/C Composite
Beam Diameter (mm) 200
Hole Quantity 2800
Open Area Fraction (%)
Screen 67.0
Accelerator 24.0
Decelerator 42.5
Hole Diameter (mm)
Screen 3.0
Accelerator 1.8
Decelerator 2.4
Thickness (mm)
Screen 0.95
Accelerator 1.0
Decelerator 1.0
Gap (mm)
Screen- Accelerator 0.35
Accelerator- Decelerator 0.5
表μ20用カーボン・カーボングリッド設計値
図4-4 宇宙科学研究本部真空容器写真(上)とμ20スラスタ副真空容器設置図(下)
Maker Name Pumping Speed For N2 (l/s) Quantity
ULVAC CP 28000 4
ULVAC TMP 1000 1
ULVAC TMP 150 2
表4-3 真空容器ポンプ性能表
(a)
(b)
図4-6 1, 2列目に推進剤供給ポートを4つ配置した場合の放電写真
図4-6 2, 3列目に推進剤供給ポートを4つ配置した場合の放電写真
340 360 380 400 420 440 460 480 500
80 85 90 95 100 105 110 115 120 125
Net Microwave Power (W)
Ion Beam Current (mA)
3-4 row 2-3 row 1-2 row 8.6 sccm
図4-8 3, 4列目に推進剤供給ポートを4つ配置した場合の放電写真
340 360 380 400 420 440 460 480 500
80 85 90 95 100 105 110 115 120 125
Net Microwave Power (W)
Ion Beam Current (mA)
3-4 row 2-3 row 1-2 row 9.6 sccm
340 360 380 400 420 440 460 480 500
80 85 90 95 100 105 110 115 120 125
Net Microwave Power (W)
Ion Beam Current (mA)
3-4 row 2-3 row 1-2 row 10.7 sccm
図4-10 推進剤流量9.6 sccmの時のイオンビーム電流値のマイクロ波電力依存
性
図4-11 推進剤流量10.7 sccmの時のイオンビーム電流値のマイクロ波電力依存
性
図4-12 1, 2列目に推進剤供給ポートを2つ配置した場合の放電写真
図4-13 2, 3列目に推進剤供給ポートを2つ配置した場合の放電写真
340 360 380 400 420 440 460 480 500
80 85 90 95 100 105 110 115 120 125
Net Microwave Power (W)
Ion Beam Current (mA)
1-2 row 2-3 row 3-4 row 8.6 sccm
図4-14 3, 4列目に推進剤供給ポートを2つ配置した場合の放電写真
図4-15 推進剤流量8.6 sccmの時のイオンビーム電流値のマイクロ波電力依存性
340 360 380 400 420 440 460 480 500
80 85 90 95 100 105 110 115 120 125
Net Microwave Power (W)
Ion Beam Current (mA)
1-2 row 2-3 row 3-4 row 9.6 sccm
340 360 380 400 420 440 460 480 500
80 85 90 95 100 105 110 115 120 125
Net Microwave Power (W)
Ion Beam Current (mA)
3-4 row 2-3 row 1-2 row 10.7 sccm
図4-16 推進剤流量9.6 sccmの時のイオンビーム電流値のマイクロ波電力依存性
図4-17 推進剤流量10.7 sccmの時のイオンビーム電流値のマイクロ波電力依存性
-5.0E-05 0.0E+00 5.0E-05 1.0E-04 1.5E-04 2.0E-04 2.5E-04 3.0E-04
-80.0 -60.0 -40.0 -20.0 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0
Probe Voltage (V)
Probe Current (A)
1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05
-80.0 -60.0 -40.0 -20.0 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0
Probe Voltage (V)
電子温度(低温電子：高温電子) 5(eV) : 30(eV)
Second Derivative
0.3 0.1
0.01
0.001 高温電子の存在比
図4-18 電子エネルギー分布関数計測シミュレーション用プローブ曲線
図4-19 電子エネルギー分布関数計測シミュレーション用
プローブ曲線の二階微分曲線
-10 -4 -22 -16
-34 -28 -46 -40
分解能無限 分解能6桁
分解能5桁 分解能4桁
分解能3桁 分解能2桁
1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05
Probe Voltage (V)
分解能無限 分解能6桁 分解能5桁 分解能4桁 分解能3桁 分解能2桁 Te1:Te2=0.001
ΔV=6V
-20V
-4 2 -16 -10
-28 -22 -40 -34
分解能無限 分解能6桁
分解能5桁 分解能4桁
分解能3桁 分解能2桁
1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05
Probe Voltage (V)
分解能無限 分解能6桁 分解能5桁 分解能4桁 分解能3桁 分解能2桁 Te1:Te2=0.01
ΔV=6V
図4-20 計測器分解能を考慮したプローブシミュレーション結果
(高温電子の存在比=0.001)
-4 2 -16 -10
-28 -22 -34 -40 分解能無限
分解能6桁 分解能5桁
分解能4桁 分解能3桁
分解能2桁
1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05
Probe Voltage (V)
分解能無限 分解能6桁 分解能5桁 分解能4桁 分解能3桁 分解能2桁 Te1:Te2=0.1
ΔV=6V
-4 2 -16 -10
-28 -22 -40 -34
分解能無限 分解能6桁
分解能5桁 分解能4桁
分解能3桁 分解能2桁
1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05
Probe Voltage (A)
分解能無限 分解能6桁 分解能5桁 分解能4桁 分解能3桁 分解能2桁 Te1:Te2=0.3
ΔV=6V
図4-22 計測器分解能を考慮したプローブシミュレーション結果
(高温電子の存在比=0.1)
図4-23 計測器分解能を考慮したプローブシミュレーション結果
(高温電子の存在比=0.3)
PC
Function Generator
Bipolar Power Amplifier
μ20
16 bit Digital Oscilloscope
図4-24 デジタル方式電子エネルギー分布関数計測システム
0.0E+00 2.0E-02 4.0E-02 6.0E-02 8.0E-02 1.0E-01 1.2E-01 1.4E-01
0 10 20 30 40 50 60
Electron Energy (eV) EEDF (eV-1)
Probe 1 Probe 2 Probe 3
図4-26 1, 2列目の磁石列の間に推進剤供給ポートを4つ配置した場合の
ポートとプローブの位置関係
図4-27 1, 2列目の磁石列の間に推進剤供給ポートを2つ配置した場合の
プローブ1, 2, 3での電子エネルギー分布関数
0.0E+00 2.0E-02 4.0E-02 6.0E-02 8.0E-02 1.0E-01 1.2E-01 1.4E-01
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Electron Energy (eV) EEDF (eV-1)
Probe 1 Probe 2 Probe 3
0.0E+00 5.0E-03 1.0E-02 1.5E-02 2.0E-02 2.5E-02 3.0E-02 3.5E-02 4.0E-02 4.5E-02 5.0E-02
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Electron Energy (eV) EEDF(eV-1)
Probe 1 Probe 2 Probe 3
図4-28 1, 2列目の磁石列の間に推進剤供給ポートを2つ配置した場合の
プローブ1, 2, 3に於ける低エネルギー領域の電子エネルギー分布関数
図4-29 1, 2列目の磁石列の間に推進剤供給ポートを2つ配置した場合の
0.0E+00 2.0E-02 4.0E-02 6.0E-02 8.0E-02 1.0E-01 1.2E-01
0 10 20 30 40 50 60
Electron Energy (eV) EEDF (eV-1)
Probe 4 Probe 5 Probe 6
0.0E+00 2.0E-02 4.0E-02 6.0E-02 8.0E-02 1.0E-01 1.2E-01
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Electron Energy (eV) EEDF (eV-1)
Probe 4 Probe 5 Probe 6
図4-30 1, 2列目の磁石列の間に推進剤供給ポートを2つ配置した場合の
プローブ4, 5, 6での電子エネルギー分布関数
図4-31 1, 2列目の磁石列の間に推進剤供給ポートを2つ配置した場合の
プローブ4, 5, 6に於ける低エネルギー領域の電子エネルギー分布関数
0.0E+00 1.0E-02 2.0E-02 3.0E-02 4.0E-02 5.0E-02 6.0E-02
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Electron Energy (eV) EEDF (eV-1)
Probe 4 Probe 5 Probe 6
図4-32 1, 2列目の磁石列の間に推進剤供給ポートを2つ配置した場合の
プローブ4, 5, 6に於ける高エネルギー領域の電子エネルギー分布関数
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 1
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 2
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 3
図4-33 1, 2列目の磁石列の間に推進剤供給ポートを2つ配置した場合の
プローブ1, 2, 3でのマクスウェル分布からのずれ
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 4
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 5
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 6
図4-35 Xeガスと電子の各断面積
0.0E+00 5.0E-02 1.0E-01 1.5E-01 2.0E-01 2.5E-01
0 10 20 30 40 50 60 70
Electron Energy (eV) EEDF(eV-1 )
Probe 1 Probe 2 Probe 3
0.0E+00 5.0E-02 1.0E-01 1.5E-01 2.0E-01 2.5E-01
0 10 20 30 40 50 60 70
Electron Energy (eV) EEDF(eV-1 )
Probe 4 Probe 5 Probe 6
図4-36 1, 2列目の磁石列の間に推進剤供給ポートを4つ配置した場合の
プローブ1, 2, 3での電子エネルギー分布関数
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 1
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 2
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 3
図4-38 1, 2列目の磁石列の間に推進剤供給ポートを4つ配置した場合の
プローブ1, 2, 3でのマクスウェル分布からのずれ
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 4
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 5
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF(eV-3/2 )
Probe 6
400 420 440 460 480 500 520 540
80 85 90 95 100 105 110 115 120 125
Net Microwave Power (W)
Ion Beam Current (mA)
10.7 sccm 9.6 sccm 8.6 sccm
Target Microwave Power Target Ion Beam Current
図4-40 性能改善案での加速試験中の写真
図4-41 性能改善案でのイオンビーム電流のマイクロ波電力依存性
200 210 220 230 240 250 260 270 280 290
0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8
Propellant Utilization Efficiency
Ion Production Cost (W/A)
10.7 sccm 9.6 sccm 8.6 sccm
90 W 100 W
110 W
120 W
90 W 100 W
100 W
90 W 110 W
110 W 120 W
120 W
226 W/A, 72%
図4-42 性能改善案の推進剤利用効率とイオン生成コストの関係
0.0E+00 2.0E-02 4.0E-02 6.0E-02 8.0E-02 1.0E-01 1.2E-01
0 10 20 30 40 50 60
Electron Energy (eV) EEDF (eV-1 )
Probe 1 Probe 2 Probe 3
0.0E+00 2.0E-02 4.0E-02 6.0E-02 8.0E-02 1.0E-01 1.2E-01
0 5 10 15 20
Electron Energy (eV) EEDF (eV-1 )
Probe 1 Probe 2 Probe 3
図4-44 性能改善案でのプローブ1, 2, 3に於ける電子エネルギー分布関数
図4-45性能改善案での計測位置1, 2, 3に於ける低エネルギー領域の 電子エネルギー分布関数
0.0E+00 2.0E-02 4.0E-02 6.0E-02 8.0E-02 1.0E-01 1.2E-01
0 10 20 30 40 50 60
Electron Energy (eV) EEDF (eV-1 )
Probe 4 Probe 5 Probe 6
図4-46 性能改善案での計測位置1, 2, 3に於ける高エネルギー領域の
電子エネルギー分布関数
0.0E+00 5.0E-03 1.0E-02 1.5E-02 2.0E-02 2.5E-02 3.0E-02 3.5E-02 4.0E-02
20 25 30 35 40 45 50 55
Electron Energy (eV) EEDF (eV-1 )
Probe 1 Probe 2 Probe 3
0.0E+00 2.0E-02 4.0E-02 6.0E-02 8.0E-02 1.0E-01 1.2E-01
0 5 10 15 20
Electron Energy (eV) EEDF (eV-1 )
Probe 4 Probe 5 Probe 6
0.0E+00 5.0E-03 1.0E-02 1.5E-02 2.0E-02 2.5E-02 3.0E-02 3.5E-02 4.0E-02
20 25 30 35 40 45 50 55
Electron Energy (eV) EEDF (eV-1 )
Probe 4 Probe 5 Probe 6
図4-48 性能改善案での計測位置4, 5, 6に於ける低エネルギー領域の
電子エネルギー分布関数
図4-49 性能改善案での計測位置4, 5, 6に於ける高エネルギー領域の
電子エネルギー分布関数
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF (eV-3/2 )
Probe 1
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF (eV-3/2 )
Probe 2
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF (eV-3/2 )
Probe 3
図4-50 性能改善案でのプローブ1, 2, 3に於けるマクスウェル分布からのずれ
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF (eV-3/2 )
Probe 4
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01
6 11 16 21 26 31 36 41 46 51
Electron Energy (eV) EEPF (eV-3/2 )
Probe 5
1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01
6 16 26 36 46 56
Electron Energy (eV) EEPF (eV-3/2 )
Probe 6
図4-51 性能改善案でのプローブ4, 5, 6に於けるマクスウェル分布からのずれ