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イオンエンジンの特徴である高比推力を活かすためには、長期間ミッションでの利用が望ましく、すでに多くの静止衛星や探査機において1万時間以上の動作が実証されている。イオンエンジンの寿命を決定する最も重要な要素はイオンを加速する電極部分(グリッド)であり、その長寿命化を目指して様々な努力が為され、上記のような長時間動作が可能となってきた。しかし一方で、研究開発過程における寿命試験も必然的に長期化し、開発期間の長期化および高コスト化の一因となっている。このような状況の中で、寿命試験をサポートできる数値解析ツールを求める声が高まり、日本においても、「イオン加速グリッド耐久認定用数値解析ツール」の研究開発を行うプロジェクト(JIEDIプロジェクト)が具体化し始めた。このようなグリッド耐久性評価用数値解析ツールの開発では、適正な物理モデルおよびアルゴリズムの使用や計算の高速化など、コード開発上の様々な課題を克服する必要があるのに加え、各種実験によるデータ取得も重要となる。グリッド損耗評価における実験の役割としては主に以下の3点が考えられる。(1)数値解析に必要な入力値(各種物性値)の取得、(2)現象確認実験による数値解析モデルの妥当性評価、(3)寿命試験による数値解析結果の妥当性評価。本報告では、これらの3点のうち、主に(1)について概略を示すとともに関連する文献を紹介し、数値解析ツールの開発に必要なグリッド損耗評価試験技術について考察する。ここで紹介する文献は、主にスパッタリング特性に関連する研究報告である。, Experimental support is necessary to develop a grid-life simulation tool with moderate effectiveness and reliability. Roles of the experiments are to obtain important physical properties, which are required in the simulation code as input parameters, and to verify the accuracy of the simulation model. In this report, trend of measurement technologies on sputtering phenomena, which are especially important to calculate the progress of grid erosion, is illustrated., 資料番号: AA0063329002, レポート番号: JAXA-SP-06-019

The ion engines onboard ETS-8 and Hayabusa explorer open the era of electric propulsion. Especially the microwave discharge ion engines mu-10 achieved 26,000-hour space operation and succeeded to rendezvous with an asteroid. These technologies will be expanded to the Deep Space Transportation System and various kinds of satellites. In order to realize such a vast expansion of the ion engines in space the numerical analysis on lifetime of the electro-static grid system, that is JIEDI (JAXA Ion Engine Development Initiatives) tool, has a top priority to develop. This paper reports the development scheme, proposed schedule and application scenario., 資料番号: AA0063329001, レポート番号: JAXA-SP-06-019

本研究では、3次元粒子シミュレーションコードの開発を行い、中性粒子分布に着目した解析を行った。本コードでは、まず中性粒子分布をDSMC(Direct Simulation Monte Carlo)法により求め、得られた中性粒子分布に対してPIC(Particle In Cell)法によるイオン運動および中性粒子-イオン間の電荷交換解析を行うことによってアクセルグリッドに衝突する電荷交換イオン分布を評価している。電荷交換イオンは中性粒子との衝突により生じるため中性粒子密度分布が重要になってくるが、中性粒子密度分布は流入条件だけでなく壁との反射条件に依存する。本研究では、電気推進機に関するDSMC法を用いた解析において通常用いられる拡散反射条件を適用した場合に加えて鏡面反射条件を用いた場合についても同様な解析を行うことにより、中性粒子解析が損耗評価に与える影響について調べた。本報告では、開発したコードの有効性確認、中性粒子条件の影響評価を目的とし、まずグリッド形状を固定して行った解析結果について報告する。, Lifetime of ion engines is limited by erosion of acceleration channel due to charge-exchange ions. The charge-exchange process is influenced by neutral density distribution. For the purpose of investigating effects of neutral conditions, three-dimensional particle simulations were performed. The results show that neutral boundary conditions affect ion flux distributions on the acceleration grid surface., 資料番号: AA0063329007, レポート番号: JAXA-SP-06-019

本稿では主に1999年以降のIEPC(International Electric Propulsion Conference)と2000年以降のAIAA(American Institute of Aeronautics and Astronautics)ミーティングとジャーナルを中心とした文献調査を行い、各シミュレーション研究のレビューを行なうことを目的としている。Referenceに本稿で対象とした文献一覧を示す。ここに示されたもの以外にも多くの文献が出されているが、同一の著者グループからの一連の論文については、最後のまとめとなる論文1件のみを示している。現在のところ、米国で積極的にこの分野で活動しているグループはJPL(Jet Propulsion Laboratory)、バージニア工科大学、コロラド州立大学、GRC(Glenn Research Center)、ミシガン大学などである。欧州については、IEPCを中心として見る限り、目立った発表が少ない。本稿の第2章では各文献で採用している計算手法および計算結果の検証手法について述べ、第3章ではJAXAで計画されているイオン加速グリッド耐久認定用数値シミュレーションツール開発に向けて必要とされる諸課題について述べる。, A Literature review has been carried out about computational simulation of ion thruster grid region. The computational region consists of upstream discharge plasma, ion beam going through the ion optics grid system and downstream neutralized plasma. Various plasma species exist such as beam ions, charge exchange ions, discharge chamber electrons, neutralizer electrons and others. Literature of the past eight years has been studied intensively. Their methodologies, computational geometries, particle modeling, downstream modeling, Poisson solver and discharge plasma modeling have been compared. Based on the literature review, the strategy toward building the future grid simulation tool has been discussed with suggestions of future works., 資料番号: AA0063329005, レポート番号: JAXA-SP-06-019

A two-year plan for the development of the first stage of the JIEDI tool (JAXA Ion Engine Development Initiative 1, JIEDI-1) is proposed. In order to circumvent the heavy calculation cost associated with the three-dimensional analysis of multiple holes, JIEDI-1 focuses on the analysis of only one pair of grid holes. Aside from some new code developments and related research activities by the workshop members, JAXA will support the grid erosion evaluation code, which was developed by Nakano, for the purpose (1) to share a recipe how to produce a grid erosion code, (2) to evaluate the accuracy of the code, and (3) to check the effect of input parameters such as plasma characteristics, neutral particle density, and sputtering/deposition yield. Related technical issues, which are summarized in this paper, are also discussed in the next workshop in January 2008 to complete the development of the first generation of JIEDI tool (JIEDI-1 tool) in 2009., 資料番号: AA0063329010, レポート番号: JAXA-SP-06-019

本研究では、これらのプログラムコードをイオンエンジン加速グリッドのビーム解析に適用するとともに、その解析に必要な低エネルギーイオンにおけるスパッタリング率をシミュレーションによって評価することを目的とする。本報告では、このスパッタリング解析に向けて、まず始めに、スパッタリングに関する半経験式の紹介、および、イオンエンジン加速グリッド損耗にこれらの式を適用する際の問題点について説明を行う。, The erosion of accelerator grids of an ion engine due to the sputtering of charge-exchange ions is the primary failure mechanism to shorten the life of ion engines. In this report, the semi-empirical formulae for such sputtering are introduced and some problems for the application of these formulae to the analysis of the accelerator grid erosion are discussed. In future, grid erosion rates will be analyzed by using the ACAT (Atomic Collision in Amorphous Target) and MD (Molecular Dynamics) simulation., 資料番号: AA0063329008, レポート番号: JAXA-SP-06-019

本研究では、従来から構築してきたコードを基とし、損耗をもたらす粒子として、電荷交換衝突によって生成したイオンと中性粒子、弾性衝突により散乱されたイオンと中性粒子を考慮し、これら粒子によりスパッタされたグリッド材の再付着を含めることで、より忠実な物理モデルを構築するとともに、グリッド形状の変化を反映させて計算を行うことで、より精度が高く、イオンエンジンの開発に使用可能な耐久性能認定用シミュレーションコードを開発することを目標とする。, Improvements have been made to the 3-D ion beam simulation code to enhance the accuracy of the lifetime estimation of ion engine grid optics. The sputter erosion and coating due to the impacts of high-energy ions and neutrals produced by the elastic scattering and charge-exchange reactions were taken into account, and the change in grid surfaces was dynamically simulated. Comparative evaluation of this code with experiments was performed, yielding results that are in good agreement with the experiment data., 資料番号: AA0063329006, レポート番号: JAXA-SP-06-019

イオン加速グリッド耐久認定用数値解析JIEDI(JAXA Ion Engine Development Initiatives)ツールの研究開発ワークショップ 宇宙航空研究開発機構 20070119 神奈川 日本, Workshop on Research and Development of JIEDI (JAXA Ion Engine Development Initiatives) Tool for Numerical Evaluation of Ion Engine Grid Lifetime Japan Aerospace Exploration Agency 20070119 Kanagawa Japan, 資料番号: AA0063329000, レポート番号: JAXA-SP-06-019