大気吸入型イオンエンジン放電室内におけるECR プラズマ生成シミュレーション

摘要

現在，一般的な人工衛星が運用される低地球軌道(LEO: Low Earth Orbit)よりも高度が低く，軌道投入コスト，高解像度データの取得に有利である超低地球軌道(sub-LEO: sub-Low Earth Orbit)において人工衛星を運用する試みが始まっている．しかし，この軌道においてはLEO よりも大気密度が上昇し，大気抵抗が大きくなることが問題点の一つとして挙げられている．そこで，大気抵抗を補償するための推進器としてsub-LEO 領域に存在する原子状酸素(AO: AtomicOxygen)や窒素(N_2)を推進剤として利用する大気吸入型イオンエンジン(ABIE: Air Breathing Ion Engine)がJAXA の西山によって提案されている．しかし，ABIE の実現に向けて多くの技術課題がのこされている．その一つとしてエンジン放電室内でのイオン生成効率の向上が挙げられる．これはABIE で用いられるAO やN_2 の電離衝突断面積がイオンエンジンで用いられるXe よりも小さいこと，また，Xe よりも一原子あたりの質量が小さいため，同じ推力を維持するためには，より多くのイオンを単位時間に加速放出する必要性があることに起因する．本研究では，図 1 に示すようにマイクロ波電気推進器μ10~2)をプラズマ生成装置として用いるABIE を想定しており，μ10 では電子サイクロトロン共鳴(ECR: ElectronCyclotron Resonance)によって電子加速を行い，中性粒子に衝突させることでプラズマを発生する．μ10におけるECR 加速，およびプラズマ生成機構は，放電室内の複雑な非一様磁場，及びマイクロ波の壁面反射により発生する複雑なパターンのために，地上試験による解析が困難である．そこで本研究では，放電室内の基本要素に関するサブルーチンをParticlein-Cell 法3)に基づく電磁粒子衛星環境シミュレータ(EMSES: Electromagnetic Spacecraft Environmentsimulator) に導入し，ABIE 放電室内におけるプラズマ生成に関する数値解析ツールの開発することにより，放電室の最適設計に寄与することを目的とした．