ナノサット電熱プラズママイクロスラスターのプルーム特性試験における低圧の正確な制御方法について
要旨：本稿では、様々なナノサット電熱式プラズママイクロスラスタに焦点を当てる。0.1～10torrの低圧領域で作動するポケットロケットを例にとり、作動ガスとプルームにかかる低圧の違いによる特性を分析した。その結果、低圧を正確に制御することの重要性が明らかになった。プロペラの低圧精密制御の技術的課題に関して、本論文では具体的な実施方法を詳細に紹介し、評価試験 を行った。その結果、低圧制御の変動幅は±1% 以内に収まることが確認できた。最後に、本論文では、試験方法を最適化し、より実用的な本格的低圧精密制御の技術方式を提案する。

1.質問
近年、NanoSatの急速な発展に伴い、小型・軽量・低コスト・高効率のマイクロスラスタが急務となっている。そのため、スラスタのプラズマプルームの特性など物性の試験・評価を行う必要があります。プラズマプルームの特性は、作動ガスや環境圧力に大きく影響される。ここでは、外国製ポケットロケットのプルームの性能試験を例にとり、低圧の精密制御の必要性と重要性を分析する。
ナノサット応用の代表として、ポケットロケットはμNからmNのオーダーで推力を得ることができる電熱式高周波プラズマスラスタです。ポケットロケットは小型で、容量性高周波放電を利用するため、低電力条件で高密度のプラズマジェットを得ることができる。軽量、低コスト、低推力、比推力大で、また、アレイの形で動作することができ、特にマイクロアレイに適しており、長期間の電力供給が可能である。
図1に示すように、横型真空チャンバーは、ポケットロケットのプラズマプルームの特性を試験するための低圧環境を提供します。本真空室は、各種プラズマスラスタの性能試験・評価に必要な各種試験装置を集約した多機能な低圧環境模擬試験室である。図2に示すように、低圧環境を形成するために、真空チャンバーには、分子ポンプ、機械ポンプ、電離真空計、静電容量圧力計が装備されています。真空チャンバーは基準真空度0.93mPaに到達することが可能である。試験時のガス作動流体は、通常窒素とアルゴンを使用します。

RFパワー20W、周波数13.56MHzの条件下で、ポケットロケットのプルーム特性を異なる低圧で実験した。図3は、異なる作動ガスに異なる圧力で噴射されたプラズマプルームの実験写真である。図 a は約 1.5torr の低圧アルゴン、図 b は約 4.0torr の高圧アルゴン、図 c は約 1.0torr の低圧窒素、図 d は約 7.0torr の高圧窒素である。
図から、窒素とアルゴンのプルームは共に高圧では一定の円錐角で広がっていることがわかる。低圧ではビームが平行になっているが、これらの特徴が推力発生に与える影響は明らかでなく、さらなる検討が必要である。

結論から言うと、作動ガスや低圧の違いによって、プルームの特性に大きな影響を与えることになります。ポケットロケットのマイクロスラスタは、0.1〜10torrの低圧領域で動作します。この範囲でのプルーム特性の試験・評価には、低圧を正確に制御することが必要です。本稿では、低圧制御の具体的な実施方法を詳細に紹介し、実施方法の試験と評価を行う。最後に、実装方法を最適化し、低圧全領域の正確な制御技術方式を提案する。

2.低圧の精密制御方法と試験評価
いわゆる低圧とは、一般に標準大気圧1気圧より低い絶対圧を指し、その範囲は0.1～760torrです。低気圧を正確に測定するためには、静電容量式圧力計が一般的に使用されます。通常、10気圧と1000気圧の2種類の静電容量式圧力計を採用し、低圧領域全体の測定に対応しています。シミュレーション試験装置の真空チャンバーは、通常、吸気と排気によって低圧に制御する必要がある。空気の流れ方向から、一般的に吸気側を上流側、真空ポンプの排気側を下流側と定義している。制御精度については、10torrと1000torrという異なる範囲の低圧を正確に制御するために、上流と下流の2つの制御モードが一般的に使用されています。
図 4 に示すように，上流側の圧力と出口流量を維持し，入口流量を調整することで チャンバー圧力を制御する上流側モード．下流側は，図 5 のように上流側の圧力と入口流量を維持し，排気流量を調整することでチャンバ圧を制御するモードである。

上記2つの制御モードについて，1torrと1000torrの2つの静電容量式圧力計と24bit高精度圧力コントローラを用いて評価試験を行った。試験装置を図6，図7に示す．


アップストリームモードのテストプロセスでは，まず真空 ポンプをオンにしてから全速力で排気し，約68Paでコントローラの PIDパラメータをセルフチューニングした。セルフチューニング終了後，12, 27, 40, 53, 67, 80, 93, 107Pa の 8 点の設定値をそれぞれ制御している。全制御過程での空気圧の変化を図8に示す．
ダウンストリームモードのテスト工程では、まず真空ポンプをONにして全速力で排気し、吸気バルブをマイクロインテークの位置に調整した後、約300TorrでコントローラのPIDパラメータをセルフチューニングした。オートチューニング終了後、70, 200, 300, 450, 600Torrの5つの設定値をそれぞれ制御しています。図9に制御中の空気圧の変化を示す．

異なる低圧定点での上記制御効果を変動率で表すと，図10，図11に示す全領域での変動率分布が得られる．変動率分布図から，低圧全域で±1% の範囲で変動率を精度よく制御できており，12Pa での大きな変動は 68Pa でのセルフチューニングで得られた PID パラメータによるものであることが分かる．不合理であり，別途 PID パラメータのセルフチュー ニングが必要である．

3.本格的な低圧精密制御の実現
上記の空気圧精密制御方法から、実際のニーズに応じて異なる制御モードを選択することができることがわかる。例えば、10torr以下の低風圧制御には上流モードを選択し、10～1000torrの範囲の高風圧制御には下流モードを選択することが可能です。
多くの低圧環境シミュレーション試験装置、特にスラスタの性能試験では、低圧領域全体で空気圧の精密制御と自動化を達成する必要があり、上流と下流の制御モードだけを使用したり切り替えたりするのは最良の選択とは言えません。
低圧全領域での自動精密制御を達成するために、上流モードと下流モードを統合し、双方向制御モードの技術方式を提案した。全体のスキームレイアウトを図12に示す。

低圧の本格的な制御工程では、測定範囲の異なる2台の静電容量式真空計で本格的な低圧域をカバーする必要がある。また、連続式静電容量式真空計と連続式電離真空計を使用することで、より広い低圧域をカバーすることも可能です。電子ニードルバルブの詳細については、以下をご覧ください。 https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

双方向制御モードの技術的スキームでは、コントローラーと電子ニードルバルブに高い要求が出され、それは主に次の側面に反映されています。
(1) 2つの真空センサを同時に接続し、低圧測定値に応じて2つの真空センサを切り替えることで、低圧を時間的に正確に測定・制御できる機能が必要である。
(2) コントローラは、異なる真空計の測定精度の要求を満たし、真空計の測定能力を十分に発揮させるため、24ビットA/Dサンプリング精度などの高い測定精度が必要であること。
(3) 双方向制御モードの場合、真空圧力コントローラは正逆制御機能、すなわち上流の電子ニードル弁を逆制御、下流の電子ボール弁を逆制御する機能も要求される。
(4）双方向制御モードでは、電子ニードルバルブと電子ボールバルブは、上流と下流のガスの流れの調整を担当している交互に動作する必要があるので、これらの電子ニードルバルブは、可能な限り速い応答速度を持っている必要があります。真空チャンバーが小さいほど、空気圧の慣性が小さいほど、高速応答速度が要求され、一般的な要件は、バルブの全閉から全開までの時間が2秒以内、あるいはそれ以下であることです。
結論として、上記の双方向モードの低圧制御方式を採用することで、特に新型の高性能真空圧力コントローラーと高速電子ニードルバルブを採用した後は、低圧フルレンジの精密制御に到達することができるのです。