平 成29年 度(2017年 度)学 位 論 文(修 士)
超 小 型 衛 星 搭 載 用 パ ル ス型 プ ラ ズ マ ス ラ ス タ の
大気 抵 抗 補 イ賞性能 の試 験 評 価
平 成30年(2018年)1月26日
首都大学東京大学院
システ ムデザ イン研究科 システ ムデザ イ ン専攻 航 空宇宙 システ ム工学域 博 士前期課程
16891519/1、 瀧 智 範 指 導 教 員 竹 ヶ 原 春 貴
ー
目次
第1章 序 論
1.l l.2 1.3
研 究背景 研究 目的 参考 文献
ーユー自∠自∠
第2章PPTの 概 要
2.1 2.2
2.2.1 2,2,2 2.3
PPTの 開発 経 緯 PPTの 作 動 原 理
平行 平板 型PPT 同軸 型PPT
TMU‑PPTシ リ ー一 ズ 2.4参 考 文 献
つJつJつ﹂角﹂4.戸)8
第3章 実 験 装 置
3.1 3.1.1 3.1.2
3.1.3推 進 斉1」
3.1.4 3.1.5 3.1.6
PPTシ ス テ ム
ス ラス タヘ ッ ドの 電 極 キ ャパ シ タ
イ グナ イ タ
イ グナイ タ用電源
キ ャ パ シ タチ ャー ジ ア ップ 用 電 源
0/0/Qノ(U‑⊥ーユーL
111■凸‑11■畠
3.2真 空 装 置
3.3言 十2貝iJ装置 3.3.1
3.3.2 3.3.3 3,3.4 3.35 3.3.6
3.4参 考 文 献
ス ラ ス トス タ ン ド デ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ
ロ ゴ ス キ ー コ イ ル
計ブ位一変ロ一プザ圧一電レ高
電子天秤
234445667811111ーユー1111111⊥11
第4章 ス ラ ス トス タ ン ドの 開 発 4.1ス ラ ス トス タ ン ドの 概 要
Q/0/
‑■41■←
4.1.1振 子 搭 載 式 ス ラ ス トス タ ン ド19
4.1.2振 子 タ ー ゲ ッ ト式 ス ラ ス トス タ ン ド20 4,1,3ね じ り 式 ス ラ ス トス タ ン ド21
42ス ラ ス トス タ ン ドの 測 定 原 理22
4.2.1ね じ り 式 ス ラ ス トス タ ン ドの 測 定 原 理22
4.2.2振 子 搭 載 式 ・振 子 タ ー ゲ ッ ト式 ス ラ ス トス タ ン ドの 測 定 原 理 ・・…23 4.3先 行 研 究24
4.4新 た に 開 発 し た ス ラ ス トス タ ン ド26 4.4.1開 発 し た ス ラ ス ト ス タ ン ドの 概 要26 4.4.2ス ラ ス トス タ ン ドの 校 正27
4.4.3ス ラ ス トス タ ン ドの 校 正 結 果28 4.5参 考 文 献30
第5章
5.lPPT単 体 実 験 5.1.1実 験 概 要 5.1.2
5.1.3実 験 結 果
大気抵抗補償 性能 の実証試 験
実 験 コ ン フ ィ グ レ ー シ ョ ン
5.1.4考 察
5.2 5.2.1 5.2,2 5.2.3
5.3参 考 文 献
大気抵抗補償性 能 の実証試 験の評価 試験概要
擾乱用お も りの選定 試験結果
1113457789033333333334
第6章 結論 41
謝辞 42
第1章 序 論
Ll研 究背 景
4sokM
畑;:::=:::::::
::
350
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250
20e
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loe・
+憧 地 点 窩 崖+近 地 轟ヨ喜度
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o "噌 霞 嵩 霞 眠 薯 詫 駐 諾 産 蔑 階 ま 密 叢 葺 貧 婁 簿 露 誓 婁 聾 婁 輯 簑 呂 襲 § 諮 館 鴇 藏 無 竃 訳 詔 躊 萬
月 ヨ4s6ア8臼1011旧 三〇ユ4
Fig.1‑10rbitaltitudeof̀̀ShindaiSat"
近 年 の 宇 宙 開 発 で は超 小 型 衛 星 の需 要 が高 ま っ て お り,軽 量 ・コ ンパ ク ト・低 電 力 作 動 とい う特 徴 を もつ 推 進 機 が 求 め られ て い る.Fig.1‑1は 信 州 大学 で 打 ち 上 げ られ た 「ぎ んれ い」1'1)の軌道 高 度 を表 した グ ラ フ で あ る.「 ぎんれ い 」は 重 量35kgの 超 小 型 衛 星 で推 進 機 な どは搭 載 して い な い.そ の た め,Fig.1‑1を 見 る と,約10ヶ 月 程 度 で 運 用 が 終 了 して い る こ とが わ か る.こ の理 由 と して は 「ぎ ん れ い」 の投 入 軌 道 が400㎞ と低 軌 道 で あ る こ とに関係 して い る.低 軌 道 で 運 用 す る場 合,衛 星 に か か る 大 気 抵 抗 な どが 強 く影 響 して くる た め軌 道 維 持 す る こ とが で きな い.そ こ で,衛 星 の 運 用 期 間 の増 加,軌 道 維 持 の た め に超 小 型 衛 星 に搭 載 可 能 な推 進 機 が 求 め られ て い る の で あ る.
本研 究 室 で はパ ル ス型 プ ラ ズマ ス ラ ス タ(PulsedPlasmaThruster=PPT)と 呼 ば れ る電 気 推 進 機 の 開発 を行 っ てい る.PPTの 特 徴 と して は,推 進 剤 が 固 体 で あ る た め タ ン クや バ ル ブ 等 を 必 要 とせ ず,推 進 機 自体 を軽 量 か つ コ ンパ ク トに す る こ とがで き る.ま た,PPTは 小 型 か つ低 電 力 作動 させ る こ とが で き る特徴 も も つ た め,超 小 型 衛 星 に適 した推 進 機 とい え る,
これ らの こ とか ら,現 在 本 研 究室 で はPPTの 使 用 用 途 の 一 つ で あ る衛 星 に か か る大気 抵 抗 の補 償 に 重 点 をお い て,PPT開 発 を行 って い る.そ して,衛 星 に か か る大 気 補 償 性 能 の シ ミュ レー シ ョン を行 い,実 際 に 衛 星 に搭 載 した場 合 に お け るPPTの 必 要 推 進剤 量 や 消 費 電力 な どを 求 め て い る1'2).そ こで,そ の シ ミュ レー シ ョン結 果 の妥 当性 を 示 す デ ー タの 蓄 積 の た め に,開 発 したPPTの 大 気 抵 抗 補 償性 能 を試 験 的 に 評価 す る こ とに着 目した.
1.2研 究 目的
本研究室 で開発 したPPTが 衛 星の大気抵 抗補償性能 を地上で試 験的 に評価 す ることである.
1.3参 考 文 献
))‑凸∠
一一11■■
信 州 大 学,Shindaisat,http:〃www.shinshu‑u.ac.ip/shindaisat/p】aceノ
西 尾 美 咲,小 瀧 智範,長 尾 真,竹 ヶ原 春貴,"首 都 大 学東 京 に お け るパ ル ス 型 プ ラズマ ス ラ ス タ の研 究 開発 と超 小 型 衛 星搭 載 に向 けた検 討",平 成29 年 度 第61回 宇 宙 科 学 技 術 連 合 講 演 会
第2章PPTの 概 要
2.1PPTの 開 発 経 緯
PPTは1960年 代 に 旧 ソ連,ア メ リカ,ヨ ー ロ ッパ 諸 国 を 中 心 に研 究 開 発 が 進 め られ て い た.1964年 に は 旧 ソ連 がバ イ コヌー ル 基 地 か ら火 星 探 査 衛 星Zond‑2 を打 ち上 げ,そ の3軸 姿勢 制御 用 ス ラ ス タ と してPPTが 搭 載 され,宇 宙 空 間 で の 作 動 実 績 を得 た.こ の こ とか らPPTが 世 界 で 初 め て宇 宙空 間 で 作 動 実 績 を得 た 電 気 推 進機 とな っ た.近 年 で もサ ンサ ンプ トン大 学 とMarsSpaceLtdが 共 同 開 発 を 行 って い るPPTCUP2'1)や ロ シ ア の モ ス ク ワ航 空 研 究所 で 開 発 され て い る APPT‑2502‑2)な ど様 々 な国 の大 学 や 研 究 機 関 で超 小型 衛 星 搭 載 用 のPPT開 発 が 盛
ん に行 わ れ て い る.
2.2PPTの 作 動 原 理2"3)
PPTは 平 行 平 板 型PPTと 同 軸 型PPTの 二 種 類 あ る.そ れ ぞ れ のPPTの 作 動 原 理 を 以 下 に 記 す 。
IgnitorS pring
2.2.1平 行 平 板 型PPT
イ グ ナ イ タ の 作 動 に よ り発 生 す る 高 電 圧 の 放 電 が 推 進 剤 表 面 の 露 出 し て い る 部 分 を 昇 華 し,一 部 プ ラ ズ マ 化 さ せ る.(Fig.2‑1(a))
プ ラ ズ マ は ア ノ ー ドお よ び カ ソ ー ド の 両 電 極 間 へ と 広 が り,高 導 電 性 の 領 域 を っ く る.こ の 領 域 に よ り,ア ノ ー ド ・カ ソ ー ドの 両 電 極 間 が 短 絡 し,両 電 極 に 接 続 さ れ て い る キ ャ パ シ タ 内 か
ら 電 荷 が 一 斉 に 流 れ,主 放 電 が 形 成 さ れ る.(Fig.2‑1(b>)
門 CapaCltor
Fig.2‑1(a)ParallelPPT
幽
Fig.2‑1(b)ParallelPPT
そ の主 放 電 に よる ジ ュー ル加 熱 お よ び 輻 射 に よっ て推 進 剤 を さ らに昇 華 さ せ る.昇 華 した推 進 剤 の 一 部 は 電 離 し て プ ラズ マ とな り,主 放 電 電 流 とそ の 自己誘 起 磁 場 か らな る ロー レン ツカ か ら電 磁 力 学 的加 速 を 受 け,排 出 され る,髄 幽顯
(Fig.2‑1(c))
̲̲̲̲̲̲過 弼鷹4
oゆ一箏
編
癒圃
1幽 御
一
Fig.2‑1(c)ParallelPPT
ゆ
2.2.2同 軸 型PPT
イ グ ナ イ タ の作 動 に よ り発 生 す る高 電 圧 の 放 電 が 推 進 剤 表 面 の 露 出 して い る 部 分 を 昇 華 し,一 部 プ ラ ズ マ 化 させ る.(Fig.2‑2(a))
プ ラ ズ マ は ア ノ ー ドお よび カ ソー ド の 両 電 極 間 へ と広 が り,高 導 電 性 の 領 域 を つ く る,こ の領 域 に よ り,ア ノー ド・カ ソー ドの 両電 極 間 が 短 絡 し,両 電 極 に 接 続 され て い る キ ャパ シ タ 内 か ら 電 荷 が 一 斉 に 流 れ,主 放 電 が 形 成 され
る.(Fig.2‑2(b))
そ の 主放 電 に よ る ジ ュー ル 加 熱 お よ び 輻 射 に よ っ て 推 進 剤 を さ らに 昇 華 さ せ る.昇 華 した推 進 剤 は,高 エ ン タル ピ ー 気 体 の 膨 張 に よ り気 体 力 学 的 加 速 を 受 け る.ま た,推 進 剤 の 一 部 は 電 離 して プ ラ ズ マ とな り,主 放 電 電 流 とそ の 自
己誘 起 磁 場 か らな る ロー レン ツ カ か ら 電磁 力 学 的加 速 を受 け る.
(Fig.2‑2(c))
気 体 力 学 的 お よ び 電 磁 力 学 的加 速 を 受 け た プ ラ ズ マ は ス ラ ス タ 下 流 側 へ 排
出 され る.(Fig.2‑2(c))
Anode
CapaCltor
Ignitor
Fig.2‑2(a)CoaxialPPT
編
hode
Fig.2‑2(b)CoaxialPPT
鱒
○ 鎗 ○ 劣 ,o党 ◎ 、・◎̲σ ゴo
￠ ○ 、 ◎ こ}σ 一101ro費o∴
→ ○
1̲
Fig.2‑2(c)CoaxialPPT 曽
以 上 の こ とが 平行 平板 お よび 同軸型PPTの 作 動原 理 で あ り,こ の一 連 の サイ クル を1shotと して カ ウ ン トし,任 意 の 時 間 間 隔で 作 動 させ る.ま た,PPTは パ ル ス 作 動 で あ るた め,PPTの 推 力 は イ ンパ ル ス ビ ッ ト(通 称:Z爾 と呼 ば れ るカ
積 で評 価 す る.同 軸 型PPTはshot数 が 増加 す る につ れ て,推 進 剤 内径 が拡 大 し 放 電 室 内 の圧 力 が低 下す るた め,イ ンパ ル ス ビ ッ トが徐 々 に減 少 す る
2.3TMU‑PPTシ リ ー ズ
本 研 究 室 で は,こ れ ま で 様 々 ミ ッ シ ョ ン に 対 応 なPPTを 開 発 し て き た,本 研 究 室 が 開 発 し たPPTお よ び そ の 性 能 をFig.2‑3に 示 す.
國
回
Mつ.89.kg Ib}t;990排Ns
l2744s ムm;36.8臨 11126,7%
M:1.41kg lbll:49.2pNs I・i,:i255s
:3..92P9 η=6%
M=IO5k毬 .Ibit;5300yNs
lsv・10es :し55mg :侶%
M=154kg ib!1、304pNs
【、P:25Ss
△n1;1重3.9粋g :7.46%
Fig.2‑3TMU‑PPTseries
TMU‑PPT‑50P24)
低 損 失 高 比 推 力 が 目的 で製 作 され たPPTで あ り,従 来 のPPTよ りも推 進 効 率 向 上 を 目指 した構 造 とな っ て い る.具 体 的 に は,低 推 進 効 率 の 原 因 の一 つ で あ る放 電 回 路 中 の エ ネ ル ギ損 失 を抑 え るた め放 電 回 路 中 の レジ ス タ ンス を見 積 り, エ ネ ル ギが 損 失 して い る箇 所 を低 レジス タ ンス の構 造(こ のPPTで は伝 送 経 路 で の エ ネ ル ギ損 失 を抑 え る た め,ス ラ ス タ部 分 と キ ャ パ シ タ を 一 体 型 に して い る)に して 推 進 効 率 を 向 上 させ る構 造 とな っ て い る.こ のPPTの 想 定 して い る ミ ッシ ョン と して は衛 星 の 軌 道 維 持 や 姿 勢 制 御 が挙 げ られ る.ま た,性 能 と し て は イ ンパ ル ス ビ ッ トIbitが990μNs,比 推 力1,pが2744s,マ ス シ ョッ トAmが 36.8μg,推 進 効 率 ηが26.7%と い う値 とな って い る.
TMU‑PPTL50C2'5}
‑k記 のTMU‑PPT‑50Pを モ デ ル に 製 作 し た 同 軸 型PPTで あ る.こ のPPTは 従
来 のPPTよ り も 高 い 推 力 電 力 比 お よ び 大 トー タ ル イ ン パ ル ス 目 指 し た 構 造 と な っ て い る.こ のPPTの 想 定 し て い る ミ ッ シ ョ ン と し て は 衛 星 の 軌 道 維 持 や 軌 道 遷 移 が 挙 げ ら れ る.ま た,性 能 と し て は イ ン パ ル ス ビ ッ トIbitが5300μNs,比 推 力1,pabX300s,マ ス シ ョ ッ トAmが155mg,推 進 効 率qが18%と い う値 と な っ て い る.
TMU‑PPT‑5P2"6)
50kg級 の 衛 星 搭 載 に 適 し たPPTを 主 目 的 と し て お り,軽 量,少 量 の コ ン ポ ー ネ ン ト,低 コ ス トに 重 点 に 置 い た 構 造 と な っ て い る.ま た,上 記 のTMU‑PPT‑
50Pの と き と 同 様 に キ ャ パ シ タ と 推 力 発 生 機 構 で あ る ス ラ ス タ ヘ ッ ドを 一 体 構 造 に し,伝 送 経 路 で の エ ネ ル ギ 損 失 を 低 減 さ せ る 構 造 と な っ て い る,こ のPPT の 想 定 し て い る ミ ッ シ ョ ン と し て は 衛 星 の 精 密 な 姿 勢 制 御 が 挙 げ ら れ る.そ し て,性 能 と し て は イ ン パ ル ス ビ ッ トIbitが48.2μNs,比 推 力 ムpが1255s,マ ス シ
ョ ッ トAmが3.92μ9,推 進 効 率vが6%と い う値 と な っ て い る.
TMU‑PPT‑5C2'7)
上 記 のTMU‑PPT‑5Pを 同 軸 型PPTに 変 更 し,大 トー タ ル イ ン パ ル ス を 目 指 し た 構 造 と な っ て い る.こ のPPTの 想 定 し て い る ミ ッ シ ョ ン と し て は 衛 星 の 軌 道 維 持 が 挙 げ ら れ る.ま た,性 能 と し て は イ ン パ ル ス ビ ッ トIbitが304μNs,比 推 力 1、pが258s,マ ス シ ョ ッ トAmが113,9μ9,推 進 効 率 η が7.46%と い う値 と な っ て い る.
本 研 究 で は,軌 道 高 度 を300‑・400kmと 考 え て い る た め5J‑PPTよ り も50J‑PPT の 方 が 運 用 期 間 を 長 く す る こ と が で き る.そ こ で,西 尾 ら2'8)は50J‑PPTを 使 用
し た 場 合 に お け る50J‑PPTの 大 気 補 償 性 能 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 っ た.こ の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 条 件 お よ び 結 果 をTable2‑1,Table2‑2に そ れ ぞ れ 記 載 す る.
Table2‑1Simulationconditionsofatmosphericdragcompcnsation2'8)
Satellitemass 50kg
Satellitesectionalarea 0.25m2(0.5mononeside)
Altitude 400㎞ ㎝d300㎞
Atmosphericdrag 33μN(400㎞),229μN(300㎞) (Atmosphereisunifb㎜)
Compensationaltime lyear
PPT 50J‑PPT(ParallelandCoaxial)
Table2‑2Simulationresultsofatmosphericdragcompensation2暫8)
Paralle1 Coaxial
400km 300krn 400km 300㎞
Operatingf士equency 0.033Hz 0,23Hz 0.0062〜0,024Hz 0.043〜0.16Hz
Propellant 38,79/year 2689/year 2419/year 16639/year Powerconsumption 1.7W ll.6W 0.31〜12W 2.2〜82W
Fig.2‑3お よ びTable2‑2か ら 今 回 の 大 気 抵 抗 補 償 性 能 を 試 験 す るPPTは イ ン パ ル ス ビ ッ トが 高 く 低 軌 道 で も 運 用 で き,低 電 力 作 動 で も 優 れ て い るTMU‑PPT‑
50Cで 行 う.
2.4参 考 文 献
2・1).S.Ciaralli,M.Coletti,SB.Gabriel,"Resultsofthequalificationtest campaignofaPulsedPlasmaThrusterforCubesatPropulsion (PPTCUP>",ActaAstronautica121(2016)pp314‑322
2‑2).N.N.Antropov,A.V.Bogatyy,V.N.Boykachev,G.A.Dyakon.ov,etal.
"De
velopmentofRusssiannext・generationablativepulsedplasma thrusters",ProcediaEngineering185(2017)pp53‑60
2‑3).栗 木 恭 一,荒 川 義 博,"電 気 推 進 ロ ケ ッ ト 入 門",東 京 大 学 出 版 会(2003), pp.158‑160
2・4),進 藤 崇 央,"高 推 進 効 率 パ ル ス プ ラ ズ マ ス ラ ス タ の 設 計 お よ び 放 電 チ ヤ ン ネ ル 形 状 に よ る 性 能 評 価",平 成24年 度 首 都 大 学 東 京 大 学 院 修 士 論 文 2・5),岩 月 由 輝,"50J同 軸 型 パ ル ス プ ラ ズ マ ス ラ ス タ の 性 能 評 価",平 成25年
度 首 都 大 学 東 京 卒 業 論 文
2・6).田 尻 啓 祐,"パ ル ス プ ラ ズ マ ス ラ ス タ の 小 型 衛 星 搭 載 に 関 す る 研 究",平 成 26年 度 首 都 大 学 東 京 大 学 院 修 士 論 文
2‑7).山 下 大 治 郎,"小 型 衛 星 搭 載 用 同 軸 型 パ ル ス プ ラ ズ マ ス ラ ス タ の 研 究 開 発", 平 成26年 度 首 都 大 学 東 京 卒 業 論 文
2・8).西 尾 美 咲,小 瀧 智 範,長 尾 真,竹 ヶ 原 春 貴,"首 都 大 学 東 京 に お け る パ ル ス 型 プ ラ ズ マ ス ラ ス タ の 研 究 開 発 と 超 小 型 衛 星 搭 載 に 向 け た 検 討",平 成 29年 度 第61回 宇 宙 科 学 技 術 連 合 講 演 会
第3章 実 験 装 置
3.1PPTシ ス テ ム
PPTは 推 力 発 生 部 で あ る ス ラ ス タ ヘ ッ ド,エ ネ ル ギ を 蓄 え る た め の キ ャ パ シ タ,電 源 装 置 の3つ の シ ス テ ム に よ っ て 構 成 さ れ て い る,そ の た め,本 研 究 で 使 用 す るTMU‑PP]]‑50Cの 構 成 要 素 を 以 下 に 記 す.
3.1.1ス ラ ス タ ヘ ッ ドの 電 極
本 研 究 で は,ス ラ ス タ ヘ ッ ドの 電 極 と し て 機 械 的 摩 耗 の エ ロー ジ ョ ン 低 下 の た めSUS304お よ び 銅 を 使 用 し て い る,こ れ ら の 物 性 値 を 以 下 に 示 す.
Table3‑1PhysicalpropertyvaluesofSUS3043"i)andCopper3‑2)
SUS304 Copper
Density 7.93×10弓9/mm3 890×10弓9/mm3 Young'smodulus 19.2×104N/mrn2 12.1×104N/mm2
Speci且cheat 0,590J/(9・K) 0,385J/(9・K)
The㎜alconductivity 16,7×10弓W/(㎜ ・K) 373×10弓W/(㎜ ・K)
Resistance 7,20×10・4Ωmm L6×10帽5Ωmm
Meltingpoint 1177K 812K
3.1.2キ ャ パ シ タ
本 研 究 で 使 用 し た の キ ャ パ シ タ(TDK,B25856Kl106KOO3)の 図 お よ び 性 能 を Fig.3‑1,Table3‑2に 示 す.
IntemalThread
ω1▲1・ 011‑▼×8M
/08
.ー,幽.1︑騨‑■﹂φ F
△22φ
﹂﹁F
噸
▲笛=
Fig.3‑lPhotoandschematicofcapacitor
Table3‑2Characteristicsofcapacitor
WorkVoltage DC2500V,AC2100V
Capacitance 104F土10%
tanδ 〈3x10'4at50Hz
EquivalentSeriesResistance 1.4mΩat20。C
EquivalentSeriesInductance <20nH
Max.PeakCurrent 6800A
Max.dV/dt 680V/μs
RootMeanSquareCu1Tent 80A
OperatingTemperature 一25。C〜+85DC
Weight 2.21(g
本 研 究 で は周 波 数 特 性 が 良 く,耐 電 圧 も数kV,容 量 も数 μFの も の が多 く存 在 して い る とい う利 点 か ら,PPTの パ ル ス 電 源 の た め に フ ィル ム キ ャ パ シ タ を 使 用 した.こ の キ ャパ シ タ の電 極 には 二 重 蒸 着 電 極 が使 用 され て お り,パ ル ス放 電 に対 応 した 蒸 着 電 極 キ ャパ シ タ とな っ て い る,円 筒 状 の樹 脂 ケ ー ス の 中 に複 数 の 素 子 を積 み 重 ね る こ と に よ っ て キ ャパ シ タ を形 成 して い る.ま た,リ ー ドと
して 樹 脂 ケ ー ス の 上 面 お よび 底 面 に ネ ジ 穴 が 設 け られ て い る.本 研 究 で は,こ の キ ャパ シ タ を4つ 組 み 合 わせ た キ ャパ シ タバ ン クを使 用 した,
3.1.3推 進 剤
本 研 究 で は,PPTの 推 進 剤 と し てPTFE(Polytetrafluoroethylene:通 称 テ フ ロ ン
⑪)を 使 用 し た .PTFEの 物 性 値 表 をTable3‑3に 示 す.PTFEはPPTの 推 進 剤 と し て 広 く 使 わ れ て お り,分 子 式C2F4で 表 さ れ る フ ッ 素 樹 脂 で あ る.こ の 分 子 構 造 か らPTFEは 耐 薬 品 性,耐 熱 性,電 気 特 性 に 非 常 に 優 れ た 物 質 で あ る.
Table3‑3PhysicaIpropertyvaluesofPTFE Density
9/mm3
Young's modulus N/mm.2
Specificheat
J/(9・K)
Therrnal conductivity
W/(mm・K)
ResistanceMeltingPoint
Ωmm K
2.20×10暫3 500 1、0 023×10・3 >1013 53.7
3⊥4イ グ ナ イ タ
本 研 究 で 使 用 し た イ グ ナ イ タ をFig.3‑‑2に 示 す.イ グ ナ イ タ はlmmの コ ア 材 に 外 径2mm,内 径1mmの イ ン シ ュ レ ー タ(A1203)で 覆 わ れ て い る 構 造 と な っ て い る.ま た,イ グ ナ イ タ の コ ア に はTh‑W(Thoriatedtungsten)を 用 い て い る.
1grtito
atoτ ポ
".leeΨe6 .5㎝
Insulat。r6.1㎜
10nmilg.nitorCOte.f
φ=n蹴 申"
φ1mm・‑t
Fig.3‑2Schematicsofignitor
3,L5イ グ ナ イ タ 用 電 源
イ グ ナ イ タ に エ ネ ル ギ を 供 給 す る 電 源PPU(Powerprocessingunit)の 画 像 お よ び 性 能 表 をFig.3‑3,Table3‑4に 示 す.イ グ ナ イ タ 用 の 電 源 は キ ャ パ シ タ の チ ャ ー ジ ア ッ プ の と き と は 違 い 瞬 間 的 に 高 電 圧 を 印 加 す る た め 別 の 電 源 を 用 い て い る.
そ して この 電源 は 侑)ハ イ ・サ ー ブ製 の電 源 で あ る.
ぞい をえ びず り げい あ 1・L嘘1'・
∴'i鹸i :1 簸i
I燵
、一
＼i
i
Fig.3‑3PPU
Table3‑4CharacteristicsofPPU
Size 120x90×42mm
Weight 500g
IgnitorVoltage 1200,1500,1800V IgnitionEnergy 49,77,110mJ OperationFrequency 05,0.75,1.OHz
NumberofIgnitor 2
3,1.6キ ャ パ シ タ チ ャ ー ジ ア ッ プ 用 電 源
キ ャ パ シ タ の チ ャ ー ジ ア ッ プ に はBTE(Benchtestequipment)と い う 電 源 を 使 用 し て い る,BTEの 性 能 表 を 以 下 のTable3‑5に 示 す.
Table3‑5CharacteristicsofBTE InputPower AC100V±10%50/60Hz
OutputVbltage 0〜3kV
OutputCurrent 50mA(Droopingcharacteristic)
OutputVbltageStabilization 0.1%以 下
3.2真 空 装 置
08.一
Fig,3‑4Vacuumchamber(SHINKAI‑2001)
Table3‑6VacuurnEnvironrnentalDevice(SHrNKAI‑2001)
DeviceName Type Property
SpaceChamber ULVAC
1 φ1000‑ll800mm
TurboMolecularPump SHIMAZU侮ctoryTMP‑2003M ExhaustRate:20001/s MechanicalBoosterPump ULVAC,PNB‑003CM ExhaustRate:77.811/s
RotaryPump ULVAC,D‑950DK ExhaustRate;12.61/s
PiraniGaσe
b ULVAC,GP‑2A 0.4‑3kPa
IonizationGage ULVAC,GI‑TL3 10‑L10‑6Pa
本 研 究 で 使 用 し た 真 空 装 置 の 図 や 性 能 表 を そ れ ぞ れFig.3‑4お よ びTable3‑6 に 示 す.本 実 験 で は 直 径1000mm,長 さ1800㎜ の 難 槽 を 使 用 し て お り,排 気 系 はFig.3‑1上 の ロ ー タ リー ポ ン プ(RP),メ カ ニ カ ル ブ ー ス タ ・一一一Lポン プ(MBP),
タ ー ボ 分 子 ポ ン プ(TMP)の3つ で 構 成 さ れ て い る,こ れ に よ り真 空 度 は 最 大 で 1×10'5Torr(1.3×10'3Pa)以 下 ま で 到 達 す る こ と が 可 能 で あ る.そ し て,こ の 真 空 度 を 計 測 す る に あ た り,Table3‑6に 示 し た よ う な ピ ラ ニ 真 空 計(PiraniGage)お
よ び 電 離 真 空 計(lonizationGage)を 使 用 し て い る,
3.3計 測 装 置
3.3.1ス ラ ス トス タ ン ド
本 研 究 で 使 用 し た ス ラ ス トス タ ン ドの 詳 細 に つ い て は 第4章 に 記 載 す る.
3.3.2デ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ
本 研 究 で 使 用 し た デ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ の 画 像 お よ び 性 能 表 をFig.3‑5お よ びTable3・7に 示 す.
難灘惣 灘し⁝購 鞭
爆饗
■
麟
懸Fig.3‑50scilloscope
Table3‑7Characteristicsofoscilloscope
Model TDS2014B
Bandwidth 100MHz
SampleRate 1.OGS/s
InputImpedance 1MΩ
VOLTSIDIVRange 2mV/divto5V/div PositionRange 5rls/divto50s/div DataPointsNumber 2,500Point
本 研 究 で は,高 電 圧 プ ロ ー ブ,ロ ゴ ス キ ー コ イ ル,レ ー ザ ー 変 位 計 か ら 出 力 さ れ る 電 流,電 圧,変 位 を 全 て 電 圧 値 に 変 換 しTektronix製 の デ ジ タ ル オ シ ロ ス コ ー プ に よ り観 測 し て い る ,
3.3.3ロ ゴ ス キ ー コ イ ル3'3)
本 研 究 に お い てPPTの 電 流 値 の 測 定 に 使 用 し た ロ ゴ ス キ ー コ イ ル の 画 像 をFig.
3‑6に 示 す.
Co且 ハJtunl
CoaxialCable
セ
Fig.3‑6Rogowskicoil
PPTの 放 電 は数 〜数 十kAが 数 μsと 短 い 時 間 で流 れ るた め,市 販 の電 流 プ ロー ブ だ と電 流 の 測 定許 容 値 を超 え て しま い,電 流 波 形 の 取得 が 困難 とな っ て しま う.そ の た め本 研 究 で は,回 路 の 抵 抗 や レジス タ ンス に ほ とん ど影 響 を与 え る こ とな く電 流 の 計 測 が で き る とい う特 徴 を もつ ロ ゴス キ ー コイ ル を 用 い て電 流 波 形 の 測 定 を 行 った.
ロ ゴス キ ー コイ ル の被 測 定 電 流 と出力 電 圧 の 関係 式 は 以 下 の 通 りで あ る.
ニー1…(3‑1)KNV RC
こ こでV:出 力 電 圧,K:定 数,N:コ イル の巻 き数,R:積 分 回路 の 抵 抗,C=積 分 回 路 の 容 量,ノ:被 測 定電 流 を表 して い る,ま た,(1)で 用 い られ て い る定 数Kは
コイ ル の 形 状 お よび 電 流 分 布 に よ り決 定 づ け られ るた め,以 下 の よ うに 表 され る.
κ 一 亜 …(3‑2)
1
こ こ で μo:真 空 の 透 磁 率,S:コ イ ル の 断 面 積,i:コ イ ル の 円 周 を 表 し て い る.
3.3.4レ ー ザ ー 変 位 計
本 研 究 に お い てPPTの 推 力 測 定 の た め に 使 用 し た レ ・一一一Lザー 変 位 計 の 性 能 表 を 以 下 のTable3‑7に 示 す.
Table3‑7CharacteristicsofIaserdisplacement
Model Z4W‑V25R
BasisRange 25±1mm
MeasuringRange ±4㎜
WaveLength 700㎜(in丘 飢edemittingdiode)
Resolution 10μm
本研 究 で はOMRON製 のLED光 源 の レs‑一一Lザー 変位 計 を使 用 した.通 常 こ の変 位 計 を使 用 す る場合,変 位 の 出 力 が 電 流 値 で あ る た め オ シ ロス コー プ で 計 測 す る こ と が で き な い.そ こで,本 研 究 室 で は 変 位 計 か らオ シ ロ ス コー プ に 出 力 す る間 に224.2Ω の抵 抗 を挟 み,出 力 を電 圧 に 変 換 して い る.こ の時,電 圧 か ら変 位 に 変化 す る ときの 変換 値 はお よそ2V/mmで 変 換 して い る.
3.3,5高 電 圧 プ ロ ー ブ
本 研 究 に お い てPPTの 電 圧 値 の 測 定 に 使 用 し た 高 電 圧 プ ロ ー ブ の 画 像 お よ び 性 能 表 を 以 下 のFig.3‑7,Table3‑8に 示 す.
が
Table3‑8Characteristicsofhighvoltageprobe
Model P6015A
DampingRatio lllOOO
Bandwidth 75MHz
盟singTime 4ns
Load 100MW
Max.Voltage DC20kV,Peak40kV Fig.3‑7Highvoltageprobe
本 研 究 で は キ ャパ シ タ に 印加 され て い る電 圧 を測 定 す るの にTektronix製 の高 電 圧 プ ロー ブ を使 用 して い る.
3.3.6電 子 天 秤
本 研 究 に お い てPPTお よ び そ の 他 機 器 の 周 辺 機 器 の 重 量 測 定 に 使 用 し た 電 子 天 秤 の 画 像 お よ び 性 能 表 を 以 下 のFig.3‑8,Table3‑9に 示 す.
Table3̲9Characteristicsofelectronicbalance
Model AEG‑320
size 220W×400Dx320Hmm
Weight 11kg
Max.MeasurableWeight 320g
Resolution 0.1mg
StandardDeviation ≦0.15mg
Fig.3‑8Electronicbalance
本研 究 で は 島 津製 作 所 製 の 電子 天秤 を使 用 し,PPTの 推 進 剤 お よび 大気 抵 抗 用 の お も りの測 定 を行 っ た,
3.4参 考 文 献
3・1).技 術 関 連 資 料 ス テ ン レ ス 鋼 の 特 性 ・性 能 httl〃www.rnorimatsu.'/data/stainless.html
3・2).加 藤 金 属 興 業 株 式 会 社
httl〃www.kat⑪ ・metals.co.'/service/rnetalcharado3.html
3・3).下 村 直 行,長 田正 義,秋 山秀 典,"自 己積 分 型 ロ ゴス キ ー コイル の共 振 特 性",平 成6年 電 気 学会 論 文誌B114巻1号
第4章 ス ラ ス トス タ ン ドの 開 発
4.1ス ラ ス トス タ ン ドの 概 要
ス ラ ス トス タ ン ドは 推 進 機 の 推 力 測 定 装 置 で あ る.PPTの 推 力 は イ ン パ ル ス ビ ッ ト と い う 力 積 で 表 さ れ る た め,以 下 の よ う な 三 つ の 代 表 的 な ス ラ ス トス タ ン
ドが 挙 げ ら れ る,
● 振 子 搭 載 式 ス ラ ス トス タ ン ド(Pendulum)
● 振 子 タ ー ゲ ッ ト式 ス ラ ス トス タ ン ド(Target)
● ね じ り 式 ス ラ ス トス タ ン ド(Torsion)
こ れ ら の ス ラ ス ト ス タ ン ドの 概 要 に つ い て そ れ ぞ れ 記 載 す る,
4.1.1振 子 搭 載 式 ラ ス トス タ ン ド4"t)
振 子 搭 載 式 ス ラ ス トス タ ン ドの 原 理 に つ い て 表 し た 図 を 以 下 のFig,4‑1に 示 す.
Thruststand
PPT
＼
＼
▲ Knifeedge
ゆ
㎜︑ゆ臨‑司
Fig,4‑lPrincipIeofthruststand(Pendulum)
振 子搭 載 式 ス ラス トス タ ン ドは振 子 式 の ス ラ ス トス タ ン ドに直 接PPTを 取 り 付 け る方 法 で あ る.こ の 時,PPTか ら発 生 す るイ ンパ ル ス ビ ッ トに よっ て ス ラス
トス タ ン ドが揺 れ る の で,こ の揺 れ の 変位 量 を測 定 す る こ とに よ っ てPPTの イ ンパ ル ス ビ ッ トを 測 定 す る こ とが で き る.ま た,支 点 に は ナ イ フエ ッジ を 設 け て お り,低 摩 擦 で 回転 す る こ とが で き る構 造 とな っ て い る.
4.1.2振 子 タ ー ゲ ッ ト式 ラ ス トス タ ン ド4"2)
振 子 タ ー ゲ ッ ト式 ス ラ ス トス タ ン ドの 原 理 に つ い て 表 し た 図 を 以 下 のFig.4‑2 に 示 す,
Thruststand
Target/7
Knifeedge
る'
一 [[1Fig.4‑lPrincipleofthruststand(Target)
振 子 ター ゲ ッ ト式 ス ラス トス タ ン ドは,振 子 式 の ス ラ ス トス タ ン ドに タ ー ゲ ッ トを取 り付 け て 推 力 測 定 を行 う手 法 で あ る.ス ラ ス タ か ら排 気 され た プル ー ム を ター ゲ ッ トで 受 け,そ の ター ゲ ッ ト変位 に よ り,PPTの イ ンパ ル ス ビ ッ トを 計 測 す る こ とが で き る.こ の と き入 射 した プ ル ー ム が ター ゲ ッ トと弾 性 衝 突 し 力 積 の 過 剰 な評 価 を 防 ぐた め,タ ー ゲ ッ トの衝 突 中央 部 は 円錐 形 状 に し,反 射
した プ ル ー ム を ス リ ッ トの 隙 間 か ら排 出す る構 造 とな っ て い る,ま た,推 力 を 直 接 測 定 す る わ け で は な い た め,測 定 精 度 が 搭 載 型 よ り も劣 る こ とが 懸 念 され るが,Yanagiら の研 究4'2)か らス ラス タ とタ ー ゲ ッ トの距 離 が3cm以 下 で あれ ば, 測 定 誤 差 は5%以 内 に抑 え られ る と報 告 され て い る.
4⊥3ね じ り 式 ス ラ ス トス タ ン ド4'3}・44)
ね じ り 式 ス ラ ス トス タ ン ドの 原 理 に つ い て 表 し た 図 を 以 下 のFig.4‑3に 示 す.
Thruststand
＼
Plumeノ 畢
⑧=Gravitydi・ecti。n
ゆ
Fig,4‑3Principleofthruststand(Torsion)
ね じ り式 ス ラス トス タ ン ドは 振 子 式 の とき と違 い,重 力 方 向 を軸 と主 軸 と し て 水 平 に回 転 す る装 置 で あ る,こ と時,中 心 軸 に は 変位 角 に 比 例 して トル ク が 発 生 す るね じ りば ね が 配 置 して お り,こ の 変位 量 を 測 定 す る こ と に よ ってPPT の イ ンパ ル ス ビ ッ トを 求 め る こ とが で き る.
ま た,ど の ス ラ ス トス タ ン ドで も始 め に振 動 して い る 状 態 だ と,発 生 推 力 に よる振 幅 が 決 ま っ て い る た め,PPTの 正 確 な推 力 を測 定 す る こ とが 困難 で あ る.
そ の た め,一 般 的 に は 電 磁 ダ ンパ を 用 い て ス ラ ス トス タ ン ドを完 全 に静 止 させ て か ら推 力 測 定 を行 うこ とが 基 本 で あ る.
4.2ス ラ ス トス タ ン ドの 測 定 原 理
ス ラス トス タ ン ドの変 位 量 か らPPTの 推 力 を求 め る手 法 を各 ス ラス トス タ ン ドの場 合 に分 け て以 下 に記 す,
4.2.1ね じ り 式 ス ラ ス ト ス タ ン ド の 測 定 原 理4'4)
支 点 推 力 発 生 部 間の 距 離 ・1
全体 工振翻
Fig.4‑4Measurementp血cipleofthruststand(Torsion)
ね じ り式 ス ラ ス トス タ ン ドは ね じ り ば ね を 用 い て い る の で,マ ス ーば ね 一ダ ン パ 系 の 回 転 運 動 が 支 配 的 で あ り,運 動 方 程 式 を 立 て る と 以 下 の よ う に な る.
」θ+cθ+kθ ニ0…(4‑1)
こ こ で 」:系 の も つ 支 点 周 り の 慣 性 モ ー メ ン ト,c:ダ ン パ に よ る 減 衰 の 項,k=
ね じ り ば ね の ば ね 定 数 で あ る.こ の 運 動 方 程 式 の 一 般 解 を 求 め る と 次 の よ う に な る.
二,癬
e(,)=e2J(asinZt+hcosZt)・/=
2」̲(4.2)
〜̲4■k<0
こ こ で 初 期 条 件t=0の と き ス ラ ス トス タ ン ドの 位 置 は0で あ る こ と,PPTの イ ン パ ル ス ビ ッ トか ら ス ラ ス トス タ ン ドの 角 速 度 が 与 え ら れ る こ と を 考 慮 す る
と 以 下 の 式 の よ う に 表 す こ と が で き る.
0(o)・=0…(4‑3)
9(・)一午 …(4‑4)
以 上 の 式(4‑2),(4‑3)か ら 式(4‑1)の 任 意 定 数 で あ るa,bを 求 め,固 有 振 動 数 卿,減 衰 率 ζ を 用 い る と 式(4‑1)は 次 の よ う に 表 す こ と が で き る.
・(')一測 謙 ≒ 血 戸 姫 ・・(4‑5)
〔1‑9・ 〈・・t・・‑Vll・c‑2㍍ 〕 …(4‑6)
こ こ で 振 動 に お け る 減 衰 を 無 視(ζ=0)で き る と 仮 定 す る と,式(4‑5)は 以 下 の よ う に 変 形 で き る.
θ(∫ わノ.り=
」ω 。s'ntO・t…(牛7)
以 上 の 式(4‑7)よ り ス ラ ス トス タ ン ドの 変 位 は 次 の よ う に 求 め る こ と が で き る.
A(,)‑1血 θω ≡1θ ω 一 争謀 鵬'…(4‑8)
ま た,ス ラス トス タ ン ドの振 幅 は オωが 最 大 とな る とき な の で,次 の よ うに 表 す こ とが で き る.
縮 一争誇 …(4‑9)
4.2.2振 子 搭 載 式 ・振 子 タ ー ゲ ッ ト式 ス ラ ス トス タ ン ドの 測 定 原 理44) G'
支 点 か ら 上 側 重 量=ル 自
支 点 推 力 発 生 部 間 の 距 離=∬
支 点 か ら 下 側 重 量:Mノ
レ ノPPTo「Ta「get
Fig,4‑5Measurementprincipleofthruststand(PendulumandTarget)
振 子 式 の ス ラ ス トス タ ン ドの 場 合 も ね じ り式 の と き と 同 様 に 回 転 運 動 に 支 配 的 な 運 動 方 程 式 で 表 さ れ る.違 い は,ね じ り 式 だ と ス ラ ス ト ス タ ン ドの 回 転 に ば ね の 向 心 力 を 利 用 し て い た の に 対 し,振 子 式 だ と 回 転 に 重 力 を 利 用 す る も の で あ る.ま た,上 部 に カ ウ ン タ ー ウ ェ イ トを 設 け る こ と に よ っ て,ス ラ ス トス タ ン ドの 振 幅 を 簡 単 に 設 定 で き る と い う利 点 を も つ(カ ウ ン タ ー ウ ェ イ トの 詳 細 に つ い て は4,3章 で 記 載 す る).こ れ ら を 踏 ま え た う え で,振 子 式 の 場 合 の 運 動 方 程 式 は 以 下 の よ う に 表 す こ と が で き る,
Je'+cθ+aMisinθ 一bM2sinθ=0…(4‑10)
初 期 条 件 は 式(4‑3),(4‑4)と 同 じ な の で,式(4‑10)を 用 い て,振 幅Am。 。を 求 め る と,次 の よ う に な る.
Am・x一
忽 詳 醐2…(4‑11)
4.3先 行 研 究
本研 究 室 で は 昨 年 度 ま で,振 子 タ ー ゲ ッ ト式 ス ラス トス タ ン ドを使 用 して い た た め,そ の 概 要 につ い て 説 明す る.始 め に本 研 究 室 で 昨 年 度 ま で 使 用 して い た ス ラ ス タ ス タ ン ドの概 略 図 をFig.4‑6に 記 す,4'5)
Km驚EdgeRe
(SUS440C)
P】腿mピi石rget
(polycarbonate
＼
C,W.】
!
!
CW.2
Fig.4‑6Pastthruststand(Target)4"5)
この ス ラ ス トス タ ン ドの 特 徴 と して は,微 小 な イ ンパ ル ス ビ ッ トで も測 定 で き る よ う限 りな く コ ン ポ ー ネ ン トを少 な く し,軽 量 化 した とい う特 徴 が 挙 げ ら れ る,ま た,ス ラ ス トス タ ン ドの 重 心 調 整 や 振 幅 増 加 の た め に上 部 と下 部 に カ
ウン ター ウ ェイ トを搭 載 して い る,
カ ウン タ ー ウェ イ トを 載 せ る こ とに よ っ て,ス ラ ス トス タ ン ドの 高 精 度 な 測 定 が 可能 で あ る こ とは 田尻 ら 輸 の研 究 に よ り明 らか とな っ てい る.カ ウン ター
ウェ イ トの原 理 につ い てFig.4‑7に 示 す.
C.W,・ 悔
＼
TargetorPPT,Mノ
Fig.4‑7Principleofcou.nterweight
カ ウ ン タ ー ウ ェ イ トの 原 理 はFig.4‑7お よ び4.2.2章 の 式(4‑lo)か ら カ ウ ン タ ー ウ ェ イ ト を 載 せ る こ と に よ っ て 重 心 が 支 点 の 方 に 近 づ い て い き
,系 全 体 が 振 動 し や す く な る か ら で あ る,そ の た め,カ ウ ン タ ー ウ ェ イ トの 重 さ を 調 節 す る こ と に よ っ て,ス ラ ス トス タ ン ドの 振 幅 を 調 節 す る こ と が で き る.た だ し,カ ウ ン タ ー ウ ェ イ トを 載 せ す ぎ る と 系 全 体 の 慣 性 モ ー メ ン ト も 増 加 し て し ま う の で, そ れ も 考 慮 し て 調 節 す る 必 要 が あ る.
こ れ に よ り,本 研 究 室 で 開 発 し たTMU‑PPT‑5Pお よ びTMU‑PPT・ ・5Cな ど イ ン パ ル ス ビ ッ トが 数 十 〜数 百pNs程 度 のPPTを 測 定 す る こ と が 可 能 と な っ て い る.
しか し,本 研 究 で は以 下 の 理 由 に よ り旧式 の ス ラ ス トス タ ン ドは 不 適 当 と考 え て い る.
・ 衛 星 に か か る大 気 抵 抗 を再 現 す るた め にPPTと ス ラス トス タ ン ドで分 け て 測 定 を行 う振 子 ター ゲ ッ ト式 よ りも直 接 ス ラ ス トス タ ン ドへPPTを 搭 載 し た 振 子 搭 載 式 の方 がPPTに か か る振 動 な どを再 現 で き る.
・ 今 回 使 用 す るTMU‑PPT‑50Cは 重 量 が10kgと 非 常 に 重 い た め,従 来 の ス ラ ス トス タ ン ドだ とナ イ フエ ッジや 刃 受 けの 負 荷 が 大 き くな っ て しま う, そ の た め,衛 星 に か か る大 気抵 抗 を模 擬 す る た め に新 た な ス ラ ス トス タ ン ド の 開 発 を行 っ た,
4.4新 た に 開 発 した ス ラ ス トス タ ン ド
本 研 究 の た め に新 た に 開発 した ス ラ ス トス タ ン ドの概 要 や そ の性 能 に つ い て 以 下 に示 す.
4.4.1開 発 した ス ラ ス トス タ ン ドの概 要
本研 究 で は衛 星 の 大 気 抵 抗 を 模擬 す る た め,振 子 搭 載 式 ス ラス トス タ ン ドを 用 い た,本 研 究 で 開発 した ス ラ ス トス タ ン ドの画 像 お よび 使 用 して い る ナ イ フ エ ッ ジ,刃 受 け の画 像 をそれ ぞれFig.4‑8〜4‑10に 示 す.
CW‑■ ■一 ■噸レ
Knlfeedge
Fig.4‑8Newthruststand(left=Pendulum,right:Target)
Fig,4‑9Newknifeedge
Fig.4‑10Newknifeedgerest
Fig.4‑8よ り本 実 験 で は振 子 搭 載 式 の ス ラス トス タ ン ドで行 うが,タ ー ゲ ッ ト 式 で も使 用 可 能 な 構 造 に 設 計 して い る.こ れ らの ス ラ ス トス タ ン ドの 特 徴 は 次 の通 りで あ る.
・ ナ イ フエ ッジ,刃 受 け の接 触 長 さ を先行 研 究 の も の よ りも延 長
・ ナ イ フエ ッジ,刃 受 け は共 に 中央 部 を対 象 に2個 配 置
。 ナ イ フエ ッジ,刃 受 け が一 直線 に な る よ うな 冶 具 を設 置
。 重 心調 整 お よび 振 幅 増加 の た め カ ウン ター ウ ェイ トを搭 載
以 上 の よ うに10kg程 度 のPPTを 搭 載 して も耐 え られ る よ うな ス ラス トス タ ン ドを新 た に 開発 した.
4.4.2ス ラス トス タ ン ドの 校 正
開発 した ス ラ ス トス タ ン ドがPPTに 適 用 で き るか評 価 す るた め に,ス ラ ス ト ス タ ン ドの キ ャ リブ レー シ ョン を行 った.
キ ャ リブ レー シ ョンの 方 法 と して は,ス ラ ス トス タ ン ドに 重 さが 既 知 で あ る お も りを 単振 子 と して ス ラス トス タ ン ドに搭 載 され て い るPPTま た は ター ゲ ッ トに 衝 突 させ,そ の 変位 を レー ザ ー 変 位 計 に よ り測 定 す る もの で あ る,こ の と き,お も りとPPTま た は ター ゲ ッ トの弾性 衝 突 を 防 ぐた め にそ れ ぞれ の後 ろ側 のお も り接 触 部 に グ リー ス を塗 り,お も りの 衝 突 後PPTま た は ター ゲ ッ トとお
も りが一 体 とな って 振 子 運 動 をす る構造 とな っ て い る.
4.4.3ス ラ ス トス タ ン ドの 校 正 結 果
ス ラ ス トス タ ン ドの 校 正 結 果 を 搭 載 式,タ ー ゲ ッ ト式 に 分 け て 以 下 のFig.4‑
ll,Fig.4‑12に 記 す.
0.4
0、35
O.3
貫0.25 厳 a.a"0.2 鵡
0.15
0」
0.05 0
一 設 計 値 oi案 測 値
・一 線 形(実 測 値)
o
C・W・:7・72kgl
y=2.G99×10‑5x
＼
＼
y=2.065×10‑)x
OlOOO200030004000500060007000
1mpu韮sebit,ノ ムゴ,,μNs Fig.4‑11Peaktopeak(P‑P)vsImpulsebit(Pendulum)
5 鳳5 4 3.5 E3ε 叩25山2
1.5 1 0.5
yニ5.353×1(》'4x
＼
＼
y:4.925×10‑X
0
01000200030004000500060007000
1mpulsebit,ノbit,#Ns Fig,4‑llPeaktopeak(P‑P)vsImpulsebit(Target)
Fig,4‑11お よ びFig.4‑12の グ ラ フ か ら 搭 載 式 で の 設 計 値 の 直 線(式(4‑ll)に よ り 導 出)と 計 測 値 に お け る 校 正 直 線 の 傾 き の 誤 差 は1.6%,タ ー ゲ ッ ト式 で の 設 計 値 の 直 線 と 計 測 値 に お け る 校 正 直 線 の 傾 き の 誤 差 は8,0%と ほ ぼ 一 致 し た た め,PPTの 推 力 計 測 は 高 い 精 度 で 計 測 可 能 で あ る.
45参 考 文 献
4・1).枝 光 敏 章,"電 熱 加 速 型 パ ル ス プ ラ ズ マ 推 進 機 の 性 能 向 上 に 関 す る 研 究', 平 成17年 度 大 阪 大 学 大 学 院 博 士 論 文
4・2).R.YanagiandI.Kimura,"ANew71ypeTargetfortheMeasurementof ImpulseBitsofPulsedPlasmaThruster",15thInternationalElectric PropulsionConfbrence,AIAA‑81‑0721
4・3).中 野 正 勝 各 務 聡"ス ラ ス トス タ ン ド の 簡 易 較 正 法",平 成28年3月 東 京 都 立 産 業 技 術 高 等 専 門 学 校 研 究 紀 要pp.45‑49
4・4).小 泉 宏 之,各 務 聡 小 紫 公 也,荒 川 義 博,"低 電 力 電 気 推 進 用 の 微 小 推 力 測 定 ス タ ン ド",平 成15年 日 本 航 空 宇 宙 学 会 論 文 集Vo1.51,No.593,pp.
270‑275
4・5).田 尻 啓 祐,"パ ル ス プ ラ ズ マ ス ラ ス タ の 小 型 衛 星 搭 載 に 関 す る 研 究",平 成 26年 度 首 都 大 学 東 京 大 学 院 修 士 論 文
4‑6).田 尻 啓 祐,森 真 也,山 下 大 治 郎,渡 邊 裕 樹,竹 ヶ 原 春 貴,"100pNs級 イ ン パ ル ス 測 定 用 高 精 度 ス ラ ス ト タ ー ゲ ッ トの 開 発 に つ い て" ,平 成26年 度 宇 宙 輸 送 シ ン ポ ジ ウ ム
第5章 大気抵抗 補償性 能 の実証試験
5.IPPT単 体 実 験 5.1.1実 験 概 要
本 研 究 で 使 用 し たPPTお よ びPPTを ス ラ ス トス タ ン ドに 搭 載 し た と き の 画 像 を そ れ ぞ れFig,5‑1,Fig,5‑2に 示 す,
。 一♂ 転
、稽 蜜 喫
'㍗
噸 グ ン き一一一二 篭
オ ニ ≧r'
Fig.5‑1TMU‑PPT‑50C(2017)
蘇WC 幽隔
τ
げ瓢
轡 、,
LL{『 噌
P1'
ナ イ フ=ッ ジ1
＼
】函
PPT
ス ラ ス トス タ ン ド Fig.5‑2ThruststandwithPPT
