電気推進機放出プラズマ環境中の宇宙機周辺電位構造解析

概要

電気推進機放出プラズマ環境中の宇宙機周辺電位構造解析
Analysis of Potential Structure around Spacecraft in Plasmas Exhausted from
Electric Propulsion

研究代表者：村中

崇信

（中京大学工学部・大学院工学研究科）
muranaka@sist.chukyo-u.ac.jp

研究目的 (Research Objective):
近年，イオンスラスタなどの電気推進機はその高比推力性能から，深宇宙探査機の
主推進器から大型商用衛星の姿勢制御や軌道上昇等にも使用され，その用途は拡大し
つつある．イオンスラスタの定常作動時には，イオン源から高速イオンビームを，電
子源から熱的電子を，各々の電流値がほぼ同量となるよう放出するが，スラスタ下流
には，高速イオンビームと漏洩推進剤が電離した低速イオン，および熱的電子による
プラズマプルームが形成される．プルーム電位はイオンと電子の移動度の差によって
正電位となるため，これより低電位となる宇宙機構体との間に電位差が生じる．プル
ーム中の低速イオンはこの電位差によって宇宙機構体側に静電加速を受け，宇宙機表
面に衝突したイオンは宇宙機表面をスパッタリング損耗する場合がある．スパッタリ
ング損耗（スパッタリング収量）は入射イオンエネルギーの関数であるが，数 10eV
程度のエネルギー領域では極めて高感度となるため，この程度の電位差と予測される
軌道上における宇宙機ープルーム間の電位評価はこの表面損耗評価を決定する重要
なパラメータとなる．本研究では， 3次元完全粒子静電コードにより，これら電位形
成原理の解明を進めている．現在では，計算資源の問題から「はやぶさ 2」実機スケ
ールでの解析は困難であるため，計算コスト削減のため，スラスタ実機のスケールダ
ウンモデルに対し，イオン源と電子源の静電的相互作用を明らかにすることを目指す．
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計算手法（Computational Aspects

本研究では，独自開発した 3 次元完全粒子静電コードを使用した．静電場中における荷
電粒子の運動は，電子およびイオンともに超粒子による Particle-In-Cell (PIC)法を使用し，

Fast Fourier Transform）
空間電位と自己無撞着に解く．空間電位は，ポアソン方程式を FFT （
により直接解く．計算速度向上のため，領域分割型 MPI プロセス並列化と SMP スレッド並
列化の両者による，ハイブリッド並列化を実装している．スラスタ放出荷電粒子は，イオンビ
ームと中和器放出電子のみから構成される，無衝突プラズマとした．すなわち，今回は，イオ
ンスラスタのプラズマプルーム中で生成される，低速電荷交換イオンは考慮していない．
本研究における解析モデルを示す．典型的な計算領域サイズは 128 cm X128 cm X128

cm である．計算領域中央に小型宇宙機を模した 15 cm X15 cm X15 cm の立方体導体を配
置する．宇宙機電位は浮動とし，宇宙機モデルに対する正味電流により決定される．計算
格子は等幅直交格子を採用しており，後述する計算精度保証のため，計算格子幅は 0.5

cm とした．よって，計算領域格子数は 256 X256 X256 となり，これを 8 X8 X4 の 256 ノード
に領域分割し並列計算を実行している．イオンビームは x軸方向をビーム方向とし，宇宙機
-105-

モデル下流側中央面に直径 5cm 円の放出口を設定した．イオンビーム放出モデルは放出
角内にビームが等方分布となる点源モデルを採用した．初期空間分布はスラスタ出口面に
一様とし，初期速度 v
i
,質量 mi, ビーム加速電位を Va として， v
2 i a/ i
B はイオン電荷 q
B= (qVm)
1/2

により算出し一意的に与えた．一方，中和電子の放出口は直径 1.48 cm 円とし，空間分

布は放出口に一様とし，速度分布は Maxwell 分布で与えた．今回，イオン源に対する中和
器の配置はイオン源と同心円状に配置し，イオンビームと中和電子の挙動とプルーム電位
について解析した．

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研究成果（Accomplishments

はじめに，イオンビーム放出モデルの検証のため，イオン加速用多孔グリッドの単孔
から放出されるイオンビームであるビームレットの発散角をパラメータとして，μ10
イオンスラスタ放出プルームの発散角を調査し，イオンビーム放出の再現性を検証し
た．イオンビーム角度分布の解析結果を Fig. 1 示す．このグラフは，各ビームレット
の発散角に対する，スラスタ放出イオンビームの角度分布の計算結果を示している．
また，グレーの網掛け領域は，本研究グループが別途実施した，μ10 のイオン電流の
角度分布を示している．本データは，スラスタ出口から下流 1m においてファラデー
プローブにて取得されたものである．計算結果の電流値は計測器の捕集電極面積に換
算している．これらの比較から，ビームレットの発散角 15 度のとき，実験結果の主
ビーム電流をよく再現することがわかった．

印

ビームレット 10deg
ビームレット 15deg

螂

01
0000
101
1
x x
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5

＜．据攣入ヤヤ

55555556

心

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S
X
321

実験結果

ビームレット 20deg —

ビームレット 25deg
ビームレット 30deg_

。
8
0

-60-40

2
0

0

2
0

40

60

8
0

イオン電流放出角 deg

Fig. 1 イオンビーム角度分布の比較
つぎに，イオンスラスタの定常作動時における，スラスタプルーム形成を再現した．
スラスタの定常作動時は，イオン源から高速イオンビーム電流が，電子源から熱的電
子電流が，それぞれ同量放出される．静電コードでは，空間に対する次の数値安定条
件
， dx< AD/0.3 を満たす必要があるため，所定の計算格子サイズに対して荷電粒子密
度の上限が決定される．ここで， dxは計算格子幅，入D はデバイ長である．この条件
を満たすべく，デバイ長定義式から，設定温度に対する中和電子密度，熱速度，およ
び，両者の積から電流密度を決定し，さらに電流密度に放出口面積を乗じて電子電流

-106-

量を決定する．イオンビーム電流は算出された

Table 1

電子電流値と等量に決定する．今回の解析で
は，これらの電流値は 0.1 mA となった．その

計算パラメータ

他のパラメータは，イオン種は一価のキセノン

スラスタ半径 [cm]

Xe+
2
.
5

イオン，ビーム発散角は 20 度，ビーム加速電

加速電位 [
V
]
放出電流量 [mA]
放出角 [
d
e
g
]

1000
0
.
1
20

時間幅 [
n
s
]
グリッド幅 [cm]
グリッド数 (
X
*
Y
*
Z
)

.
256X 256X256

イオン種

位は 1000 V とそれぞれ設定した． Table 1に
計算パラメータを示す．

Fig. 2 にイオン源と中和器配置条件を示す．
イオン源と中和器は同心円状に配置した． Fig.
3 にイオンビーム，中和電子，宇宙機周辺領域
の空間電位をそれぞれ示す．これらのグラフか
ら，イオンビームと中和電子がスラスタ下流領

1宇宙機サイズ

(
X
*
Y
*
z
) ￨
30x30x30

域にほぼ対称に分布し，宇宙機電位とプルーム電位の最大値はそれぞれおよそ 2V

32V となった．プルーム電位の最大値は，一般的なイオンスラスタのプルーム電位と
およそよい一致を示している．今後は，低速電荷交換イオンの生成を考慮し，同様の
解析を進め，宇宙機電位およびプルーム電位におよぼす影響を検証していく．
口XY,XZ平面

口yz平面（放出面拡大図）

▲I

互
｛［日：
デ

2561
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256

1
5 単位：

•!

cm

叩

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后芸
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Fig. 1. 計算体系（左）とイオンビーム・熱的電子の放出口拡大図（右）
2

1
2

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99

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4

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0.
2

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Fig. 2. ...

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