Research

The YNU Plasma, Space Propulsion Lab conducts the following research activities through an experimental and computational approach.

当研究室では次のテーマについて実験と数値計算による研究を行っています。

Electrospray Microthrusters / エレクトロスプレー・マイクロスラスタ

Further miniaturization of microthrusters could be realized by using the electrospray technique, which could enable us to mount thrusters on 1U CubeSats. Microfabricated emitter arrays extract a conductive liquid propellant, which could drastically reduce the weight and volume of the propellant feed system. A new structure of emitter arrays is now under development. This work is being conducted in collaboration with Kyoto University and AIST (The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology).

3次元MEMS加工や電界放出電子源の加工プロセスを利用することで、アレイ状の多数のエミッタ電極を製作し、イオン液体を電界放出効果により引き出すマイクロスラスタです。 毛細管現象を利用することで推進剤供給機構の簡素化が図れ、推進システム全体の大幅な小型・軽量・高効率化が期待でき、1U(10 cm立方)サイズの衛星にも搭載可能となります。 本研究は京都大学ナノ・マイクロシステム研究室、および、 産総研カスタムデバイスグループとの共同研究であり、 微細加工のプロセス構築、イオンビーム引き出し実験、また、分子動力学や粒子計算によるイオンビーム引き出し機構の解析を行っています。 本研究テーマに関してはJST新技術説明会の資料もご参照下さい。

electrospray

Micro Ion Thrusters / マイクロ・イオンスラスタ

A 50 kg-class spacecraft, HODOYOSHI-4, was launched on June 19, 2014, where a miniature ion propulsion system (MIPS) was installed and was operated successfully in space on October 28, 2014. This was the world's first operation of ion thrusters for microspacecraft. Micro ion thrusters are a promising candidate for high-performance microthrusters to produce high delta-v and total impulse. For the plasma discharge, DC, RF, and microwaves are employed. The above MIPS mounted a microwave discharge ion thruster, where 3D PIC-MCC simulations are carried out in our lab for clear guidelines for optimum designs in collaboration with the University of Tokyo. Micro DC ion thrusters are also being investigated in collaboration with AIST, where propellantless cathodes using graphene are employed. We also studied one of the world's smallest RF ion thrusters, 1 cm in diameter and length, using 2D PIC-MCC. External RF circuit analysis, plasma diagnostics, and beam current measurements were conducted.

50 kg級の超小型衛星「ほどよし4号機」は 2014年6月19日に打ち上げられ、それに搭載された小型イオン推進システムは同年10月28日に このクラスでは世界で初めての運用に成功しました。 マイクロ・イオンスラスタは高い増速量とトータル・インパルスを生み出せる有力な高性能小型推進システムです。 そのプラズマ放電には直流、高周波、マイクロ波が利用されますが、 上記のイオンスラスタには小惑星探査機「はやぶさ2」に搭載されたメインエンジンと同じマイクロ波放電式になります。 当研究室では、東京大学で開発された上記イオンスラスタを対象に 3次元 PIC-MCC を利用したプラズマ源や電子引き出し機構の解析を行っています。 また、新しく推進剤不要なグラフェン電子源を用いた直流放電型小型イオンスラスタの研究開発も産総研カスタムデバイスグループと共同で行っています。 過去には、高周波放電を用いた世界最小クラス(1 cm級)のイオンスラスタについても、 放電の高効率化やイオンビーム引き出しの最適化を数値解析と実験の両面から行っていました。

microwave discharge ion thruster dc ion thruster micro RF ion thruster

Electrodeless Magnetic Nozzle Thrusters / 無電極磁気ノズルスラスタ

For future in-space high-power propulsion, electrodeless plasma thrusters are a promising propulsion system, where helicon waves and a magnetic nozzle are employed for its plasma generation and acceleration. Since no electrodes are used, significantly long operation can be realized. The mechanisms of thrust generation, high thruster efficiency, and plasma detachment from the magnetic nozzle are to be investigated in collaboration with Tohoku University. 2D PIC-MCC simulations and experiments are conducted.

宇宙大量物資輸送を目指した大電力電気推進機の候補として、磁気ノズルによる加速とヘリコンプラズマ生成を用いた先進無電極プラズマスラスタが挙げられます。 プラズマ生成および加速の双方に電極を用いないことで、非常に長時間の運用が期待できます。 比較的新しいコンセプトのため、推力発生機構の解明や効率化、磁気ノズルからのプラズマ離脱に関する研究が求められています。 本研究は東北大学との共同研究となっており、東北大学で実験を、当研究室で2次元 PIC-MCC を利用した数値解析を行っています。

magnetic nozzle ion flow velocity

Electrothermal Microthrusters / 電熱加速型マイクロスラスタ

A miniature electrothermal thruster using azimuthally symmetric microwave-excited plasmas was developed. The propellant gas of Ar at pressures of 10–100 kPa was discharged by surface waves at below 10 W. We conducted 2D FDTD analysis and two-temperature fluid simulations of plasma generation and micronozzle flows. OES and thrust measurements were also performed. For simple CubeSat thrusters, low-pressure micro water resistojet thrusters are now being investigated in collaboration with the University of Tokyo. DSMC simulations are conducted for the rarefied gas flow inside the nozzle and downstream.

Arガスにマイクロ波電力を投入してプラズマを生成し、その熱をマイクロノズルを用いて超音速ジェットに加速するマイクロスラスタです。 プラズマ源のマイクロ波電磁場構造やマイクロノズル流れの数値解析とともに分光測定や推力測定等の実験的研究を行ってきました。 現在は CubeSat に搭載可能な水を推進剤とした小型レジストジェットスラスタの研究開発を東京大学と共同で行っています。 低圧での運用のため希薄気のノズル流れと後流を DSMC 計算で解析しています。

micro plasma thruster micro nozzle flow

Radiation Shielding on Mars / 火星における放射線シールド

The Martian surface, which has a thin atmosphere and no intrinsic magnetic field, is exposed to space radiation. However, magnetic anomalies exist in the southern hemisphere. To find a safe place for human activities, we had numerically evaluated the radiation dose in the area where the magnetic field remains. It was found that the radiation's trajectories changed in the presence of the magnetic field, indicating that there were areas of low radiation exposure. For more information, please refer to our journal article. This study was conducted in collaboration with ISAS/JAXA.

火星は大気が薄い上に固有磁場もなく,宇宙から降り注ぐ放射線が地上まで到達しています。人が安全に活動できる場所を探すため,わずかに磁場が残る地域に着目し,数値計算で地上の放射線量を評価しました。 磁場がある場所では放射線の軌道が変わり,放射線量の低い地域が明らかになっています。詳細は学術誌に掲載された論文をご参照ください。 本研究はJAXA宇宙科学研究所との共同研究として行われました。

radiation shielding model radiation dstributions

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