2N13 超低軌道宇宙環境場におけるDSMCシミュレーションと適応係数に関する課題

摘要

地球観測衛星を従来の高度500～800 kmよりも低い高度で運用することにより、高解像度のデータの取得が期待される。高度300 km以下の超低地球軌道（sub-Low Erath Orbit: sub-LEO）での衛星運用に世界的な関心が集まっている。しかしながら、高解像度のデータが得られる反面、大気抵抗の増加に伴いイオンエンジンの推進剤量が増大し、衛星のミッション期間を制限してしまうという欠点もある。そこで、キセノンのような従来の推進剤の代わりに大気中の分子（原子状酸素など）を用いる大気吸入イオンエンジン（Air Breathing Ion Engine: ABIE）の開発が進められている(図１)[1]。秒速約8 km程度で流入する大気が放電室内でイオン化され、グリッドにより静電加速される。超低地球軌道での大気密度は一般的なマイクロ波放電式イオンエンジンの放電室密度よりも低いため、プラズマの連続的・効率的な生成のためには放電室内で大気分子の圧縮を行う必要がある[2]。プラズマを維持するためには約80倍程度の大気の圧縮が必要である[3]。したがって、高い放電室内粒子密度を得られるような ABIE 形状の設計指針が求められる。本研究では大気吸入イオンエンジンの１つのモデルについてエンジン内部の流れおよび圧縮率の評価をモンテカルロ直接法(Direct Simulation Monte Carlo: DSMC法)を用いて行った。本研究では計算に用いる DSMC ソフトとして WaveFront 社の DSMC-Neutralsを採用した。