[論文レビュー] Plasma Diagnostic and Performance of a Permanent Magnet Hall Thruster

J. L. Ferreira, João Henrique Campos de Souza+2 more|ArXiv.org|Oct 20, 2004

Plasma Diagnostics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、径方向磁場を生成するために永久磁石アレイを用いる永久磁石ホールエンジン（PMHT）を提案する。実験的診断により、異なる運転領域におけるプラズマ密度、温度、およびイオンエネルギー分布が示され、商用SPT-100と比較して30％少ない消費電力で40–80 mNの推力が得られた。これは、小型および中型衛星用途への強力な応用可能性を示している。

ABSTRACT

Electric propulsion is now a sucessfull method for primary propulsion of deep space long duration missions and for geosyncronous satellite attitude control. Closed Drift Plasma Thruster, so called Hall Thruster or SPT (stationary plasma thruster) were primarily conceived in USSR (the ancient Soviet Union) and now it is been developed by space agencies, space research institutes and industries in several countries such as France, USA, Israel, Russian Federation and Brazil. In this work, we show plasma characteristics and performance of a Hall Thruster designed with an innovative concept which uses an array of permanent magnets, instead of an eletromagnet, to produce a radial magnetic field inside its cylindrical plasma drift channel. Within this new concept, we expect to develop a Hall Thruster within power consuption that will scale up to small and medium size satellites. A plasma density and temperature space profiles inside and outside the thruster channel will be shown. Space plasma potential, ion temperature measurements based on doppler broadenning of spectral lines and ion energy measurements are shown for different plasma production regimes. Experimentaly measured propulsion and power consumption will also be shown and compared with computational simulation models using the same plasma experimental conditions. In both cases the results are showing a thrust range between 40mN to 80mN which is close to the thrust levels obtained with a commercial SPT 100 using 30% less electrical power.

研究の動機と目的

• 小型および中型衛星に適したコンactで低消費電力のホールエンジンの開発を目的とする。
• 従来の電磁石の代わりに永久磁石を用いることで、消費電力とシステムの複雑さを低減することを目的とする。
• プラズマチャネル内での密度、温度、およびイオンエネルギー分布といったプラズマパラメータの特徴を明らかにすることを目的とする。
• 同一条件下での実験的性能と計算シミュレーションの整合性を検証することを目的とする。
• 低消費電力で商用SPTと同等の推力レベルを達成できるかどうかを実証することを目的とする。

提案手法

• 円筒形のプラズマドリフトチャネルと、径方向磁場を生成するための永久磁石アレイを備えたホールエンジンを設計した。
• プラズマ密度および電子温度プロファイルの測定に、ラングミュアプローブを用いた。
• スペクトル線のドーナツ幅拡大を用いた光学発光測定により、イオンエネルギー分布を特定した。
• 逆電圧エネルギー分析計（RFEA）を用いて、プラズマポテンシャルを測定した。
• 同一のプラズマ条件を用いて、実験的推力および消費電力の測定を行い、シミュレーションと比較した。
• 同一の実験パラメータを用いて、プラズマ挙動をシミュレートするための計算モデルを適用し、検証を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 永久磁石を用いたホールエンジンは、従来の電磁石駆動SPTと同等の性能を達成できるか？
• RQ2 PMHTにおける異なる運転領域において、プラズマ密度、温度、およびイオンエネルギー分布はどのように変化するか？
• RQ3 PMHTにおける磁場配置とプラズマ閉じ込め効率の関係は何か？
• RQ4 実験的推力および消費電力測定値は、計算シミュレーションとどの程度一致するか？
• RQ5 PMHTは、小型衛星ミッションに適した高比推力（推力/消費電力比）を達成できるか？

主な発見

• PMHTは40–80 mNの推力範囲を達成し、小型および中型衛星推進用途への実現可能性を示した。
• 商用SPT-100と比較して30％少ない電気的消費電力で推力性能が達成された。これは高い効率性を示している。
• プラズマ密度および電子温度プロファイルは、チャネル内に安定的かつ効果的に閉じ込められたプラズマを示し、径方向に明確な勾配が観察された。
• ドーナツ幅拡大によるイオン温度測定により、効率的なイオン化および加速に一致するイオンエネルギー分布が得られた。
• プラズマポテンシャル測定により、イオン加速に不可欠な強い電場構造が存在することが確認された。
• 同一運転条件下での実験的推力および消費電力データは、計算シミュレーションモデルと良好に一致した。