研究内容

地上試験では宇宙空間を模擬すべく，100万分の1気圧程度の高真空を作り出します．しかしその真空度も実際の宇宙環境には及びません．その圧力差が微小推力ノズルの性能に影響を及ぼし，地上試験と宇宙作動でギャップが現れます．本研究ではそのギャップを定量的に明らかにし，地上試験と宇宙性能を結ぶ補正則の構築を目指します．本研究は実験と数値計算の両手法を用いて進めています．

代表的実績

• K. Nishii, "Numerical Study of Facility Pressure Effects on Micronozzles for Space Propulsion," AIAA Journal, 63(1), pp. 344-353, 2024.

• K. Nishii, H. Koizumi, and K. Komurasaki, “Background Pressure Effect on Thrust Efficiency of Low-Reynolds-Number Nozzles,” Journal of Propulsion and Power, 38 (6), pp. 1042-1050, 2022.

競争的資金

• 2023年10月 –  2025年3月 : 日本学術振興会, 科学研究費助成金 研究活動スタート支援, "宇宙機の精密位置制御に資するマイクロガスジェット推進機の宇宙性能補正則の確立," 23K19099

ハイブリッドロケットは安全・低コストな推進機であり，小型宇宙推進機としての利用も検討されています．金属を燃料に添加することでマイクロ波による放電着火を可能にすることができると考え，研究を進めています．また，金属添加によって推力や密度比推力の向上を行うことができるため，小型ながら高性能な化学推進機を実現できます．本研究課題は，各務研究室と共同で行っています．

代表的実績

• K. Nishii, T. Kanda, A. Kakami, "Fundamental Experiments on Metalized Fuel Hybrid Rockets for Spacecraft with Microwave Repetitive Ignition," Twenty-first International Conference on Flow Dynamics, November, Sendai, Japan, OS4-14, 2024

競争的資金

• 2024年4月   –  2026年3月 : 日本学術振興会, 科学研究費助成金 若手研究, "マイクロ波により繰り返し点火可能な金属を主燃料とする宇宙機用ハイブリッドロケット," 24K17447

水・空気・二酸化炭素等の身近なガスは，近年プラズマ推進機の推進剤としても期待されています。しかし従来用いられてきたホローカソードはこれらの酸化性ガスに対応できないため，1 A 級の電子を放出できる電子源は存在しません．本研究では，RFカソードを用いて代替推進剤電子源の実現を目指します．本研究課題は，各務研究室と共同で行っています．

代表的実績

• R. Tanno, K. Nishii, A. Kakami, "Radio Frequency Plasma Cathode for Hall Thruster Using Water Propellant," 38th International Electric Propulsion Conference, June, Toulouse, France, IEPC-2024-343, 2024

競争的資金

• 2025年4月   –  2026年3月 : 公益財団法人JKA, 機械振興補助事業 個別研究, "あらゆる推進剤に適用可能な宇宙推進機用電子源の実現," 2025M-360

ホールスラスタは，大電力から小電力まで，現在世界各国で主要に研究される電気推進機の一種です．代替推進剤を用いた際の磁場設計について実験的研究を行っており，高効率なアルゴンホールスラスタの製作に成功しました．また小型高性能化を目指して，水を用いたアノードレイヤ型ホールスラスタ（TAL），ダブルチャネルTALの研究も実施しています．本研究課題は，各務研究室と共同で行っています．

代表的実績

• T. Nakajima, K. Nishii, A. Kakami, "Performance of Double-Channel TAL-type Hall Thruster," 38th International Electric Propulsion Conference, June, Toulouse, France, IEPC-2024-455, 2024

• F. Matsuo, T. Nakajima, K. Nishii, A. Kakami, "Evaluation of TAL-type Hall Thruster Using Water Propellant," 38th International Electric Propulsion Conference, June, Toulouse, France, IEPC-2024-296, 2024

電気推進機の一種であるイオンスラスタは電気推進機の中でも1000-10000 sという高い比推力が特徴です．イオンスラスタに関してもファシリティエフェクトが問題となっており，①高い背景圧によるCEXイオンの生成，②０Vの地上試験装置によるイオンプルーム中和過程の変化，③放出されたイオンビームによるバックスパッタがあげられます．地上でのイオンスラスタの作動をシミュレーションし，地上で起こる現象の理解，宇宙との差の定量化を目指します．本研究は米国イリノイ大学と共同で行いました．

代表的業績

• K. Nishii and D. Levin, “Three-Dimensional Kinetic Simulations of Carbon Backsputtering in Vacuum Chambers from Ion Thruster Plumes,” Journal of Propulsion and Power, 40 (1), pp. 123-137, 2024.

• K. Nishii and D. Levin, "Kinetic Simulation of Ion Thruster Plume Neutralization in a Vacuum Chamber," Plasma Sources Science and Technology, 32, p. 115009, 2023.

小型推進機は相乗り打ち上げ・ISS放出など安全性が特に求められます．安全な推進剤・機構を用いることが前提となっています．そのため化学反応を用いる化学推進はほとんど利用されていません．金属ー水のハイブリッドロケットを代表として，搭載時は非常に安全だが使用時には大きな推進力を生み出せる推進機を模索しています．金属火炎は3000 Kもの高い温度に到達しますが，酸化金属の沸点はそれ以上で，すぐに「凝縮燃焼生成物：CCP」が生成してしまいます．CCPが火炎内でどのように生成するか，どのように移動するのかを調査することが金属燃料推進機を実現するうえで重要です．

代表的業績

• K. Nishii and H. Koizumi, "Temperature Measurement on Condensed Combustion Products of Magnesium with Oxygen and Water Vapor,"  Combustion and Flame, 262 p. 113362, 2024.

• K. Nishii, et al., “Combustion of Magnesium Wires with Oxygen and Water Vapor,” Combustion Science and Technology, 195, pp. 2364-2380, 2023.

競争的資金

• 2019年4月   –  2022年3月 : 日本学術振興会, 科学研究費補助金 特別研究員(DC1), "超小型衛星用多機能推進機の実現," 19J21437

超小型宇宙機の推進剤として、「水」が注目を集めています。水はその安全性と、低圧で液体であることから、搭載に必要な構造質量が抑えられ、結果として小型であるほど従来推進剤を上回る性能が期待されます。液体で貯蔵された水は蒸発ののち気体状態で放出されますが、低圧(~1 kPa)の蒸気圧であることと、沸点に近い状態であることから、ノズルにおける超音速流れは理想化された予測式に従いません。実験的に推力測定を行うことと、凝縮を含めた一次元CFD計算によって、超音速流れによって発生している現象を理解し、水スラスタの性能予測・向上に貢献します。

代表的業績

• K. Nishii, et al., “Experimental Characterization of Nozzle Performance at Low Reynolds Numbers for Water Microthrusters,” Journal of Propulsion and Power, 37, pp. 595-603, 2021.

競争的資金

• 2019年4月   –  2022年3月 : 日本学術振興会, 科学研究費補助金 特別研究員(DC1), "超小型衛星用多機能推進機の実現," 19J21437

上述の通り水は超小型宇宙機の推進剤として注目されているだけでなく、人間の生活との親和性から、将来的な有人宇宙活動の推進剤としても有望です。ガスジェット推進だけでなく、様々な化学・電気推進への利用も考えられています。一方、宇宙の特に微小重力環境は水の蒸発に影響を与え、流量コントロール、特に適切に蒸気と液体を分離できるかという点に与える影響は重要です。急に低圧環境にされされる液滴は、核沸騰形態によって蒸発し、蒸発室内で飛散します。表面張力が顕在化する微小重力環境では、液滴の飛散が液体と蒸発室壁面との接触を増加させることで、蒸発を促進させる効果も存在することがあきらかになりました。

代表的業績

• K. Nishii, et al., “Low-pressure-vaporization of water droplets on wall under normal and microgravity conditions,” Acta Astronautica, 186, pp. 508-516, 2021.

競争的資金

• 2019年4月   –  2022年3月 : 日本学術振興会, 科学研究費補助金 特別研究員(DC1), "超小型衛星用多機能推進機の実現," 19J21437

NASA Altemis-1計画の一環で放出されたCubeSatのうちの一つである、”EQUULEUS”に搭載された水推進系”AQUARIUS”を開発しました。地上試験にて安定した作動およびミッション要求に対応する性能を得られること確認しています。本推進機は「気化室」と呼ばれる空間を持ち周期的に水を噴射ー蒸発させることで、非常に信頼性の高い気液分離機構を持ちます。本推進機は2022年10月に打ち上げられ、宇宙作動が確認されました。

代表的業績

• K. Nishii, et al., “Flight Model Development and Ground Demonstration of Water Resistojet Propulsion System for CubeSats,” Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, 63, pp. 141-150, 2020.

• R. Funase, et al., “Mission to Earth–Moon Lagrange Point by a 6U CubeSat: EQUULEUS,” IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 35, pp. 30-44, 2020.

競争的資金

• 2019年4月   –  2022年3月 : 日本学術振興会, 科学研究費補助金 特別研究員(DC1), "超小型衛星用多機能推進機の実現," 19J21437