イオンスラスタ

NASAがディープ・スペース1宇宙船用に開発した2.3kWの NSTARイオンスラスタ。ジェット推進研究所での高温燃焼試験中（1999年）
NEXISイオンエンジン試験（2005年）
NASAジェット推進研究所で試験中のキセノンイオンエンジンのプロトタイプ（2005年）

イオンスラスタ、イオンドライブ、またはイオンエンジンは、宇宙船の推進に用いられる電気推進の一種です。イオンスラスタは、中性ガスをイオン化して原子から電子を抽出し、正イオンの雲を生成します。このイオンを電気で加速することで推力を生み出します。イオンスラスタは、静電式と電磁式に分類されます。

静電スラスタのイオンは、クーロン力によって電界方向に沿って加速されます。一時的に蓄えられた電子は、静電グリッドを通過したイオン雲内の中和装置によって再注入されます。これにより、ガスは再び中性となり、スラスタとの電気的相互作用を一切受けることなく、空間に自由に拡散します。

対照的に、電磁スラスタイオンはローレンツ力によって加速され、電荷に関わらず全ての種（自由電子と正イオンと負イオン）を同じ方向に加速し、特にプラズマ推進エンジンと呼ばれ、電場は加速方向にはありません。[ 1 ] [ 2 ]

稼働中のイオンスラスタは通常1～  7kWの電力を消費し、排気速度は約20～50km/秒（12～30マイル/秒、I sp 2000～5000 秒）、推力は25～250mN、推進効率は65～80%である。[ 3 ] [ 4 ]実験的なイオンスラスタは100kW（130馬力）、5N（1.1lbf）を達成している。[ 5 ]

1998年のディープ・スペース1宇宙船はイオンスラスタで速度を4.3 km/s（2.7 mi/s）変化させ、73.4 kg（162 lb）のキセノンを消費した。[ 6 ] 2007年のドーン宇宙船は11.5 km/s（7.1 mi/s）の速度変化を達成したが、効率は低く、425 kg（937 lb）のキセノンを消費した。[ 7 ]

用途としては、軌道衛星の向きと位置の制御（一部の衛星には数十の低出力イオンスラスタが搭載されている）、低質量ロボット宇宙船の主推進エンジンとしての使用（ディープ・スペース1やドーンなど）[ 3 ] [ 4 ] 、有人宇宙船や宇宙ステーションの推進スラスタとしての使用（天宮など） [ 8 ]などがある。

イオンエンジンは、通常、宇宙空間の真空中でのみ実用的です。エンジンの推力が極めて小さいため、根本的な設計変更なしには大きな空気抵抗を克服できないためです。この変更は、「大気呼吸型電気推進」のコンセプトに見られるように、大きな設計変更を必要とします。マサチューセッツ工科大学 (MIT) は、超軽量素材と低抗力翼を使用して、地上レベルで短距離を低速で飛行できる設計を生み出しました。イオンエンジンは通常、表面重力が大きい天体から最初の離陸を達成するのに十分な推力を生成できません。[ 9 ]これらの理由から、宇宙船は、従来の化学ロケットやロケット以外の打ち上げ技術などの他の方法に頼って最初の軌道に到達する必要があります。

電気推進の一種であるイオンエンジンを、ドーンなどの宇宙船は使用している。イオンエンジンでは、電力を用いて推進剤（通常はキセノンガス）の荷電粒子を生成し、これを極めて高速に加速する。従来のロケットの排気速度は、燃料の分子結合に蓄えられた化学エネルギーによって約5 km/sに制限されている。ロケットは高い推力（約10 6 N）を生み出すが、比推力が低いため最高速度が制限される。対照的に、イオンエンジンの推力は小さいが、最高速度は原理的に宇宙船で利用できる電力と加速されるガスイオンによってのみ制限される。荷電粒子の排気速度は15 km/sから35 km/sの範囲である。[ 10 ]

起源

SERT-1宇宙船

コンスタンチン・ツィオルコフスキーは1911年にイオンスラスタの概念を初めて提唱した。[ 11 ]この技術は高高度の真空に近い条件での使用が推奨されたが、大気圧下のイオン化空気流で推力を発揮することが実証された。このアイデアはヘルマン・オーベルトの著書『宇宙飛行への道』（1929年）にも再び登場し、[ 12 ]オーベルトは電気推進による質量削減の考えを説明し、宇宙船の推進と姿勢制御への応用を予測し、帯電ガスの静電加速を提唱した。[ 13 ]

イオンスラスタ宇宙船の概念は、 1947年にアメリカ人のジャック・ウィリアムソンのSF小説で初めて普及しました。[ 14 ]その後、イオンスラスタ宇宙船はSF小説の定番となりました。

1959年、NASAグレン研究センター施設において、ハロルド・R・カウフマンによって実用的なイオンスラスタが製作されました。これはグリッド型静電イオンスラスタに類似しており、推進剤として水銀を使用していました。弾道試験は1960年代と1964年に実施され、このエンジンはスペース・エレクトリック・ロケット・テスト1号（SERT-1）に搭載されて弾道飛行に投入されました。[ 15 ] [ 16 ]エンジンは予定通り31分間動作し、その後地球に落下しました。[ 17 ]この試験に続き、1970年には軌道試験であるSERT-2が行われました。[ 18 ] [ 19 ]

1964年10月12日、ボスホート1号は宇宙船の外部に取り付けられたイオンスラスタの試験を実施した。[ 20 ]

電気推進の代替形態であるホール効果スラスタは、1950年代から1960年代にかけて米国とソビエト連邦でそれぞれ独立して研究された。ホール効果スラスタは1972年から1990年代後半までソビエト連邦の衛星で稼働し、主に南北および東西方向の衛星の安定化に使用された。約100～200基のエンジンがソビエト連邦とロシアの衛星でミッションを完了した。[ 21 ]ソビエト連邦のスラスタ設計は、弾道ミサイル防衛機構の支援を受けた電気推進の専門家チームがソビエト連邦の研究所を訪問した1992年に西側諸国に紹介された。

一般的な動作原理

イオンスラスタは、運動量保存則に従って推力を生成するためにイオンビーム（電荷を帯びた原子または分子）を使用する。イオンを加速する方法はさまざまであるが、すべての設計はイオンの電荷/質量比を利用している。この比は、比較的小さな電位差で高い排気速度を生成できることを意味する。これにより、必要な反応質量または推進剤の量が削減されるが、化学ロケットに比べて必要な比出力の量は増加する。したがって、イオンスラスタは高い比推力を達成することができる。低推力の欠点は、電力ユニットの質量が電力量と直接相関するため、加速度が低いことである。この低推力のため、イオンスラスタは宇宙船を軌道に乗せるのには不向きであるが、長期間にわたる宇宙空間での推進には効果的である。

イオンスラスタは静電式と電磁式に分類されます。主な違いはイオンを加速する方法です。

  • 静電イオンスラスタはクーロン力を利用して、イオンを電界の方向に加速します。
  • 電磁イオンスラスタはローレンツ力を利用して、電場に垂直な方向にイオンを加速します。

イオンスラスタの電力は通常、太陽電池パネルによって供給されます。しかし、太陽からの距離が十分に離れている場合は、原子力エネルギーを使用することもできます。いずれの場合も、電源の質量は供給可能なピーク電力に比例し、この用途ではどちらもエネルギーにほとんど制限はありません。[ 22 ]

電気スラスタは推力が低く、結果として加速度も低くなる傾向があります。地球の標準重力加速度を と定義し、とすると、この現象を解析することができます。92 mN [ 23 ]の推力を生み出すNSTARスラスタは、質量1トンの衛星を0.092 N / 1000 kg = 9.2 × 10 −5 m/s 2（または9.38 × 10 −6 g）加速します。しかし、この加速は化学ロケットの非常に短い燃焼とは対照的に、一度に数ヶ月から数年にわたって持続することができます。 1グラム＝9.81メートル/s2{\displaystyle 1g=9.81\;\mathrm {m/s^{2}} }F＝メートル1つの⟹1つの＝F/メートル{\displaystyle F=ma\implies a=F/m}    

F＝2ηPグラム私sp{\displaystyle F=2{\frac {\eta P}{gI_{\text{sp}}}}} どこ：

  • FはN単位の推力、
  • ηは効率である
  • Pはスラスタが使用する電力（W）であり、
  • I spは秒単位で表した比推力です。

イオンスラスタは、最も将来が期待できる電気宇宙船推進装置ではないが、これまでで最も実際に成功している。[ 4 ]イオンドライブでは、真空中で自動車を高速道路の速度まで加速するのに2日かかる。技術的特性、特に推力は、文献に記載されているプロトタイプに比べて大幅に劣っており、[ 3 ] [ 4 ]技術能力は、イオンによって生成される空間電荷によって制限される。これにより、推力密度（エンジンの断面積あたりの力）が制限される。 [ 4 ]イオンスラスタは、従来の化学ロケットと比較すると、小さな推力レベル（ディープスペース1の推力は紙1枚の重量にほぼ等しい[ 4 ]）を生成するが、排気を高速に加速することによって、高い比推力、つまり推進剤の質量効率を実現する。排気に伝えられる力は排気速度の2乗で増加するが、推力の増加は直線的である。対照的に、化学ロケットは高い推力を発揮しますが、推進剤に化学的に蓄えられるエネルギー量が少ないため、総推力は制限されます。 [ 24 ]適切な動力源の実重量を考慮すると、イオンスラスタによる加速度は標準重力の1000分の1未満になることがよくあります。しかし、化学ロケットは電気（または静電）モーターとして動作するため、入力電力の大部分を運動エネルギーに変換します。化学ロケットは熱機関として動作し、カルノーの定理によって排気速度が制限されます。

静電スラスタ

グリッド型静電イオンスラスタ

グリッド型静電イオンエンジン（多極磁気カスプ型）の仕組みを示す図

グリッド型静電イオンスラスタの開発は1960年代に始まり[ 25 ]、それ以来、商用衛星推進[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]や科学ミッション[ 29 ] [ 30 ]に使用されてきました。その主な特徴は、推進剤のイオン化プロセスがイオン加速プロセスから物理的に分離されていることです。[ 31 ]

イオン化プロセスは放電室で行われ、高エネルギー電子が推進剤に衝突すると、伝達されたエネルギーによって推進剤ガスの原子から価電子が放出されます。これらの電子は熱陰極フィラメントから供給され、電位差によって陽極に向かって加速されます。あるいは、交流電磁石によって生成される振動誘導電場によって電子を加速することもできます。この場合、陰極なしで自立放電が発生します（高周波イオンスラスタ）。

正電荷を帯びたイオンは、2つまたは3つの多孔グリッドからなるシステムによって抽出されます。プラズマシース付近のグリッドシステムに入ったイオンは、第1グリッドと第2グリッド（それぞれスクリーングリッドと加速グリッドと呼ばれます）間の電位差によって加速され、最終的にイオンエネルギー（典型的には1～2keV）に達し、推力を生成します。

イオンスラスタは正電荷を帯びたイオンビームを放出します。宇宙船に電荷が蓄積するのを防ぐため、エンジンの近くに別の陰極が設置され、イオンビームに電子を放出することで推進剤を電気的に中性に保ちます。これにより、イオンビームが宇宙船に引き寄せられ（そして戻ってきて）推力が打ち消されるのを防ぎます。[ 17 ]

グリッド型静電イオンスラスタの研究（過去/現在）

ホール効果スラスタ

ホール効果スラスタの概略図

ホール効果スラスタは、円筒形の陽極と陰極を形成する負に帯電したプラズマとの間の電位差を利用してイオンを加速します。推進剤の大部分（通常はキセノン）は陽極付近に導入され、そこでイオン化して陰極に向かって流れます。イオンは陰極に向かって加速し、陰極を通過しながら電子を拾い上げてビームを中和し、高速でスラスタから排出されます。

陽極は円筒形の管の一端にあります。中央にはスパイクが巻かれており、周囲の管との間に放射状の磁場を発生させます。イオンは質量が大きすぎるため、磁場の影響をほとんど受けません。しかし、陰極を形成するスパイクの先端付近で生成された電子は磁場に捕捉され、陽極への引力によってその場に留まります。電子の一部はスパイクの周りをホール電流で循環しながら、陽極に向かって螺旋状に落下します。陽極に到達すると、電荷を持たない推進剤に衝突してイオン化し、最終的に陽極に到達して回路を完結します。[ 34 ]

電界放出電気推進

電界放出電気推進（FEEP）スラスタは、セシウムまたはインジウムの推進剤を使用します。設計は、液体金属を貯蔵する小さな推進剤リザーバ、液体が流れる細い管または平行板のシステム、および管の端から約1ミリメートル先の加速器（金属板のリングまたは細長い開口部）で構成されます。セシウムとインジウムが使用されるのは、原子量が高く、イオン化ポテンシャルが低く、融点が低いためです。液体金属が管の端に到達すると、エミッターと加速器の間に電界が印加され、液体の表面が一連の突出したカスプ、つまりテイラーコーンに変形します。十分に高い印加電圧で、正イオンがコーンの先端から抽出されます。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]エミッターと加速器によって生成された電界がイオンを加速します。外部の電子源が正に帯電したイオン流を中和し、宇宙船の帯電を防ぎます。

電磁スラスタ

パルス誘導スラスタ

パルス誘導スラスタ（PIT）は、連続的な推力ではなくパルスを使用し、メガワット（MW）オーダーの電力で動作することができます。PITは、推進ガスを放出する円錐状の管を取り囲む大型コイルで構成されています。最も一般的に使用されるガスはアンモニアです。各パルスごとに、コイルの背後にあるコンデンサ群に大きな電荷が蓄積され、その後放出されます。これにより、jθ方向に円運動する電流が発生します。この電流は、放射状外向きの磁場（Br）を発生させ、放出されたばかりのガス中に元の電流とは反対方向の電流を発生させます。この逆方向の電流はアンモニアをイオン化します。正に帯電したイオンは、ローレンツ力によって磁場Brと交差する電界jθによってエンジンから遠ざかるように加速されます。[ 38 ]

磁気プラズマ動力スラスター

磁気プラズマ力学（MPD）スラスタとリチウムローレンツ力加速器（LiLFA）スラスタは、ほぼ同じ考え方に基づいています。LiLFAスラスタはMPDスラスタをベースに構築されています。水素、アルゴン、アンモニア、窒素を推進剤として使用できます。特定の構成では、低地球軌道（LEO）の周囲のガスを推進剤として使用できます。ガスはメインチャンバーに入り、陽極と陰極間の電界によってプラズマにイオン化されます。このプラズマは陽極と陰極間で電気を伝導し、回路を閉じます。この新しい電流が陰極周囲に磁場を発生させ、それが電界と交差することで、ローレンツ力によってプラズマが加速されます。

LiLFAスラスタはMPDスラスタと基本的な考え方は同じですが、2つの大きな違いがあります。第一に、LiLFAは固体として貯蔵できるリチウム蒸気を使用します。もう一つの違いは、単一のカソードが、中空カソードチューブに詰め込まれた複数の小さなカソードロッドに置き換えられていることです。MPDのカソードはプラズマと常に接触しているため、腐食しやすいです。LiLFAスラスタでは、リチウム蒸気は中空カソードに注入され、チューブから出るまでプラズマにイオン化されず、カソードロッドを腐食しません。その後、プラズマは同じローレンツ力を使用して加速されます。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

2013年、ロシアの化学自動設計局は、長距離宇宙旅行用のMPDエンジンのベンチテストに成功しました。[ 42 ]

無電極プラズマスラスタ

無電極プラズマスラスタには、陽極と陰極の電極が不要であることと、エンジンのスロットル制御機能という2つの独自の特徴があります。電極を不要にすることで、他のイオンエンジンの寿命を制限している侵食現象を回避できます。中性ガスはまず電磁波によってイオン化され、次に別のチャンバーに移送され、そこでポンデロモーティブ力とも呼ばれる振動する電場と磁場によって加速されます。イオン化段階と加速段階を分離することで、推進剤の流れを絞り込むことができ、推力の大きさと比推力を変化させることができます。[ 43 ]

ヘリコン二層スラスター

ヘリコン二重層スラスタは、高速のイオン化ガスを噴出して推力を得るプラズマスラスタの一種である。この設計では、一端が開いた管状のチャンバー（ソースチューブ）にガスが注入される。チャンバーの周りに巻かれた特殊な形状のアンテナに、無線周波数の交流電力（プロトタイプ設計では13.56 MHz ）が結合される。アンテナから放射される電磁波によりガスが分解されプラズマが形成される。次にアンテナはプラズマ内にヘリコン波を励起し、プラズマをさらに加熱する。この装置のソースチューブ内にはほぼ一定の磁場が存在する（プロトタイプではソレノイドにより供給）が、磁場はソース領域から離れるにつれて発散して急激に大きさが減少するため、一種の磁気ノズルと考えることができる。動作中は、ソース領域内の高密度プラズマと排気口の低密度プラズマが明確な境界で分離され、電位の急激な変化を伴います。この境界を越えるとプラズマの特性は急速に変化し、これは電流のない電気二重層として知られています。ソース領域内の電位は排気領域内よりもはるかに高く、これが電子の大部分を閉じ込めるとともに、イオンをソース領域から加速させる役割を果たします。十分な数の電子がソース領域から逃げることで、排気領域内のプラズマは全体的に中性になります。

可変比推力磁気プラズマロケット（VASIMR）

提案されている可変比推力磁気プラズマロケット（VASIMR）は、電波を使って推進剤をプラズマに電離し、磁場を使ってそのプラズマをロケットエンジンの後ろから加速して推力を発生させる仕組みです。VASIMRは現在、テキサス州ヒューストンに本社を置くAd Astra Rocket Companyが、推進剤を電離させる200kWのRFジェネレーターを製造しているカナダのNautelの協力を得て開発中です。一部のコンポーネントと「プラズマシュート」実験は、コスタリカのリベリアにある研究所でテストされています。このプロジェクトは、元NASA宇宙飛行士のフランクリン・チャン＝ディアス（CRC-USA）が主導しています。VASIMRを宇宙でテストする計画の一環として、国際宇宙ステーションの外部に取り付ける200kWのVASIMRテストエンジンが検討されていました。しかし、このISS搭載テストの計画は2015年にNASAによってキャンセルされ、代わりにAd Astraによる自由飛行VASIMRテストが議論されました。[ 44 ]構想されている200MWのエンジンは、地球から木星または土星への飛行期間を6年から14か月に、火星への飛行期間を7か月から39日に短縮することができます。[ 45 ]

マイクロ波電熱スラスタ

マイクロ波電熱スラスタ
スラスターコンポーネント
スラスターコンポーネント
放電室
放電室

1980年代から1990年代にかけてNASAルイス研究センターからの研究助成金を受けて、マーティン・C・ホーリーとジェス・アスムセンはエンジニアチームを率いてマイクロ波電熱スラスタ（MET）の開発に取り組みました。[ 46 ]

放電室では、マイクロ波（MW）エネルギーが高イオン濃度領域（I）を含む中心部に流れ込み、ガス状推進剤中の中性種をイオン化させます。励起された種は低イオン領域（II）から中性領域（III）へと流れ出し（FES）、そこでイオンは再結合を完了し、中性種（FNS）の流れが中心部へと移行します。一方、エネルギーは熱伝導と対流（HCC）および放射（Rad）によって室壁に失われます。ガス状推進剤に吸収された残りのエネルギーは推力に変換されます。

放射性同位元素スラスター

アルファ粒子（He2歳以上または4 2彼2歳以上放射性同位体から一方向に放出される電子（+2価のヘリウムイオンを示す）は、そのチャンバーの穴を通して放出される。中和電子銃は、アルファ粒子の相対論的速度が高いため、数百万秒オーダーの高い比推力を持つ微量の推力を生成する。[ 47 ]

この手法の派生として、グラファイトベースのグリッドに静的直流高電圧を印加し、推力を増加させる手法があります。グラファイトはアルファ粒子に対して高い透過性を持つため、固体エミッターから適切な波長の短波紫外線を照射することで、この手法を応用できます。また、この手法ではエネルギーが低く、半減期が長い光源も使用可能であり、宇宙用途に有利です。電子の平均自由行程を増加させる方法として、ヘリウムのバックフィルも提案されています。

比較

いくつかのイオンスラスタのテストデータ
スラスター 推進剤 入力電力（kW） 比推力（秒） 推力（mN） スラスター質量（kg） 注記
NSTARキセノン2.3 1700年～3300 [ 48 ]最大92 [ 23 ]8.33 [ 49 ]ディープ・スペース1号およびドーンの宇宙探査機で使用されました。
PPS-1350ホール効果キセノン1.51660905.3
次へ[ 23 ]キセノン 6.9 [ 50 ]4190 [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]最大236 [ 23 ] [ 52 ]<13.5 [ 53 ]DARTミッションで使用されます。
X3 [ 54 ]ホール効果 キセノンまたはクリプトン[ 55 ]102 [ 54 ]1800–2650 [ 56 ]5400 [ 54 ]230 [ 56 ] [ 54 ]
ネクシス[ 57 ]キセノン 20.5
RIT 22 [ 58 ]キセノン 5
BHT-8000 [ 59 ]キセノン 8 2210449 25
ホール効果 キセノン 75
フィープ 液体セシウム6×10 −5 –0.06 6000～10000 [ 36 ]​0.001～1 [ 36 ]
NPT30-I2ヨウ素0.034～0.066 [ 60 ]1000年～2500 [ 60 ]0.5～1.5 [ 60 ]1.2
Starlink Gen1ホール効果[ 61 ]クリプトン[ 61 ]1667年頃 約70.83
スターリンクGen2ホール効果[ 61 ]アルゴン[ 61 ]4.2 [ 61 ]2500 [ 61 ]170 [ 61 ]2.1 [ 61 ]Starlink V2 ミニ衛星に使用されます。
AEPS [ 62 ]キセノン 13.3 2900 600 25 Lunar Gateway PPE モジュールで使用されます。
キネティックT6 キセノン 4.6 4300 145 欧州日系共同ベピコロンボ計画で使用された。[ 63 ] [ 64 ]
実験用スラスタ（現在までミッションなし）
スラスター 推進剤 入力電力（kW） 比推力（秒） 推力（mN） スラスター質量（kg） 注記
ホール効果 ビスマス1.9 [ 65 ]1520（陽極）[ 65 ]143（退院）[ 65 ]
ホール効果 ビスマス 25
ホール効果 ビスマス 140
ホール効果 ヨウ素0.2 [ 66 ]1510（陽極）[ 66 ]12.1（排出）[ 66 ]
ホール効果 ヨウ素 7 [ 67 ]1950年[ 67 ]413 [ 67 ]
ハイペップキセノン 20～50 [ 68 ]6000～9000 [ 68 ]460–670 [ 68 ]
MPDT水素1500年[ 69 ]4900 [ 69 ]26 300
MPDT水素 3750 [ 69 ]3500 [ 69 ]88 500
MPDT水素 750060006万
リルファ リチウム蒸気 500 407712,000​
フィープ 液体セシウム 6×10 −5 –0.06 6000～10000 [ 36 ]​0.001～1 [ 36 ]
ヴァシムルアルゴン200 3000～12,000​約5000 [ 70 ]620 [ 71 ]
猫[ 72 ]キセノン、ヨウ素、水[ 73 ]0.01 690 [ 74 ] [ 75 ]1.1–2（73 mN/kW）[ 73 ]<1 [ 73 ]
DS4Gキセノン 250 19,300​最大 25005
クリムトクリプトン0.5 [ 76 ]4 [ 76 ]
ID-500 キセノン[ 77 ]32～35 7140 375–750 [ 78 ]34.8 TEMで使用する

一生

イオンスラスタの推力が低いため、特定のミッションに必要な速度変化（デルタV ）を達成するには、長時間の連続運転が必要です。イオンスラスタは、数週間から数年にわたる連続運転が可能なように設計されています。

静電イオンスラスタの寿命はいくつかのプロセスによって制限されます。

グリッドスラスターの寿命

静電グリッド設計では、ビームイオンと中性ガス流によって生成された電荷交換イオンが、負バイアスの加速グリッドに向かって加速され、グリッドの侵食を引き起こす可能性があります。グリッド構造が破損するか、グリッドの穴が大きくなりイオン抽出に重大な影響を与える（例えば、電子の逆流が発生する）と、寿命に達します。グリッドの侵食は避けられず、寿命を制限する主要な要因です。徹底したグリッド設計と材料選定により、20,000時間以上の寿命を実現できます。

NASA太陽技術応用準備（NSTAR）静電イオンスラスタの試験では、最大出力で30,472時間（約3年半）連続推進を達成しました。試験後の検査では、エンジンが故障に近づいていないことが示されました。[ 79 ] [ 3 ] [ 4 ] NSTARはドーンで長年にわたり運用されました。

NASAの進化型キセノンスラスタ（NEXT）プロジェクトは、48,000時間以上連続運転されました。[ 80 ]この試験は高真空試験室で実施されました。5年半以上続いた試験期間中、エンジンは約870キログラムのキセノン推進剤を消費しました。同様の用途で発生する推力の総量は、従来のロケット推進剤では10,000キログラム以上必要となります。

ホール効果スラスタの寿命

ホール効果スラスタは、高エネルギーイオンの衝撃によりセラミック放電室が激しく侵食される。2010年に報告された試験では、100時間の運転につき約1mmの侵食が見られたが、これは数千時間という軌道上寿命の観測結果とは矛盾している。[ 81 ]

先進電気推進システム（AEPS）は約5,000時間の稼働が見込まれており、設計では少なくとも23,000時間の半減期[ 82 ]と約50,000時間の完全寿命を提供する飛行モデルの実現を目指しています。[ 83 ]

推進剤

イオン化エネルギーは、イオン推進装置を動作させるために必要なエネルギーの大部分を占めます。したがって、理想的な推進剤はイオン化しやすく、質量／イオン化エネルギー比が高いものです。さらに、長寿命を実現するために、推進剤はスラスタを大きく侵食せず、また機体を汚染しないものでなければなりません。[ 84 ]

現在の多くの設計では、キセノンガスが使用されています。これは、キセノンガスがイオン化しやすく、原子番号が比較的高く、不活性で、侵食が少ないためです。しかし、キセノンは世界的に供給不足で高価です（2021年時点で1kgあたり約3,000ドル）。[ 85 ]

旧式のイオンスラスタ設計では、水銀推進剤が使用されていました。しかし、水銀は有毒であり、宇宙船を汚染する傾向があり、正確な供給が困難でした。現代の商用プロトタイプでは水銀が効果的に使用されている可能性があります[ 86 ] 。しかし、水銀は2022年に水銀に関する水俣条約により推進剤としての使用が正式に禁止されました[ 87 ]。

2018年から2023年にかけて、クリプトンが従来のキセノン推進剤よりも低コストであることから、スターリンクインターネット衛星に搭載されたホール効果スラスタの燃料として使用されました。[ 88 ]スターリンクV2ミニ衛星はその後、より高い比推力を提供するアルゴンホール効果スラスタに切り替えました。 [ 89 ]

ビスマスやヨウ素などの他の推進剤は、ホール効果スラスタなどのグリッドレス設計とグリッド付きイオンスラスタの両方に有望である。[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 90 ]

ヨウ素は、2020年11月に打ち上げられた北極宇宙船1号ミッションに搭載されたThrustMe社のNPT30-I2グリッドイオンスラスタで初めて宇宙で推進剤として使用されました。[ 91 ] [ 92 ] [ 93 ]詳細なレポートは1年後にNature誌に掲載されました。[ 94 ] CubeSat Ambipolar Thruster (CAT)は、CubeSat Ambipolar Thruster (CUBESat Ambipolar Thruster)を使用した火星電離層研究衛星アレイ(MARS-CAT)ミッションでも、貯蔵容積を最小限に抑えるために推進剤として固体ヨウ素を使用することを提案しています。[ 74 ] [ 75 ]

VASIMR設計（および他のプラズマベースのエンジン）は、理論上は実質的にあらゆる物質を推進剤として使用できます。しかし、現在の試験では、比較的豊富で安価な アルゴンが最も実用的な推進剤となっています。

エネルギー効率

プロットの 瞬間推進効率と 停止状態から加速する車両の総合効率を、エンジン効率に対するパーセンテージで表したものです。車両の最高効率は排気速度の約1.6倍で発生することに注意してください。

イオンスラスタの効率は、1 秒あたりに放出される排気ジェットの運動エネルギーを装置に投入される電力で割った値です。

システム全体のエネルギー効率は推進効率によって決まり、推進効率は機体速度と排気速度に依存します。一部のスラスタは動作中に排気速度を変化させることができますが、すべてのスラスタは異なる排気速度で設計可能です。比推力I spが低い場合、イオン化に占めるエネルギーの割合が大きくなるため、システム全体の効率は低下し、高い場合、推進効率は低下します。

特定のミッションに対する最適な効率と排気速度を計算して、全体的なコストを最小限に抑えることができます。

ミッション

イオンスラスタは宇宙空間での推進用途において多くの用途があります。最適な用途としては、大きな推力を必要としない長いミッション間隔を活用することが挙げられます。例えば、軌道転換、姿勢調整、低地球軌道における抗力補正、科学ミッションの微調整、化学燃料などの推進剤貯蔵庫間の貨物輸送などが挙げられます。イオンスラスタは、加速率が重要ではない惑星間ミッションや深宇宙ミッションにも使用できます。イオンスラスタは、大きな速度変化を必要としながらも急加速を必要としないため、これらのミッションに最適なソリューションと考えられています。長時間にわたる連続的な推進により、従来の化学ロケットよりもはるかに少ない推進剤消費量で高速に到達できます。

デモ車両

サート

イオン推進システムは、NASAルイス（現グレン研究センター）の宇宙電気ロケット試験（SERT）-1とSERT-2Aミッションによって初めて宇宙で実証されました。[ 29 ] SERT -1弾道飛行は1964年7月20日に打ち上げられ、この技術が宇宙で予測通りに動作することが実証されました。これらは、反応物質として水銀とセシウムを用いた静電イオン推進装置でした。1970年2月4日に打ち上げられたSERT-2Aは、[ 18 ] [ 95 ] 2基の水銀イオンエンジンの数千時間にわたる動作を検証しました。[ 18 ]

作戦任務

イオンスラスタは、静止軌道上の商用および軍事用通信衛星の軌道維持に日常的に使用されています。ソビエト連邦はこの分野の先駆者であり、1970年代初頭から衛星に 静止プラズマスラスタ（SPT）を搭載していました。

2基の静止衛星（ESAのアルテミス計画（2001～2003年） [ 96 ]とアメリカ軍のAEHF-1計画（ 2010～2012年[ 97 ]））は、化学推進エンジンの故障後に軌道変更にイオンスラスタを使用した。ボーイング[ 98 ]は1997年にイオンスラスタを軌道維持に使用し始め、2013～2014年には702プラットフォームの派生版を提供する計画だった。この派生版では化学エンジンがなく、軌道上昇用のイオンスラスタは不要であった。これにより、与えられた衛星能力に対して、打ち上げ質量を大幅に低減することが可能となった。AEHF -2は化学エンジンを使用して近地点を16,330 km（10,150 mi）まで上昇させ、電気推進を使用して静止軌道に進んだ[ 99 ]。

地球軌道上

天宮宇宙ステーション

中国の天宮宇宙ステーションにはイオンスラスタが搭載されている。天河コアモジュールは、化学スラスタと4基のホール効果スラスタ[ 100 ]の両方によって推進されており、ステーションの軌道調整と維持に使用されている。ホール効果スラスタの開発は中国ではデリケートな問題とされており、科学者たちは「注目を集めることなく技術の向上に取り組んでいる」。ホール効果スラスタは、加速されたイオン粒子による侵食や損傷を防ぐよう、有人ミッションの安全性を考慮して開発されている。有害な粒子を撃退し、スラスタの完全性を維持するために、磁場と特別に設計されたセラミックシールドが構築されている。中国科学院によると、天宮で使用されているイオン推進装置は、8,240時間連続して故障なく燃焼しており、中国の宇宙ステーションに指定された15年の寿命に適していることを示している。[ 101 ]これは有人ミッションに使用された世界初のホールスラスタである。[ 8 ]

SpaceXのStarlink衛星群は、クリプトンまたはアルゴンを動力源とするホール効果スラスタを使用して、軌道を上げ、操作を行い、使用終了時に軌道から離脱します。[ 102 ]

ゴセ

ESAの重力場および定常海洋循環探査機（GOCE）は、2009年3月16日に打ち上げられました。GOCEは、2013年11月11日に意図的に軌道から外れるまで、20か月のミッションを通じてイオン推進を使用して、低軌道（高度255キロメートル）で経験した空気抵抗に対抗しました。

深宇宙で

ディープ・スペース1

NASAは1990年代後半から惑星間科学ミッションに使用するため、NSTARイオンエンジンを開発しました。このエンジンは1998年に打ち上げられた宇宙探査機ディープ・スペース1号で宇宙試験されました。これは、科学ミッションにおける惑星間推進システムとして電気推進が初めて使用された例です。[ 29 ] NASAの設計基準に基づき、ヒューズ研究所は静止衛星の軌道維持を行うためのキセノンイオン推進システム（XIPS）を開発しました。[ 103 ]ヒューズ研究所（EDD）は、この宇宙船に使用されたNSTARスラスタを製造しました。

はやぶさとはやぶさ2

宇宙航空研究開発機構（JAXA）の 探査機「はやぶさ」は2003年に打ち上げられ、小惑星イトカワに着陸した。はやぶさは4基のキセノンイオンエンジンを搭載しており、マイクロ波電子サイクロトロン共鳴法を用いて推進剤をイオン化し、加速グリッドには耐侵食性炭素複合材料を使用した。[ 104 ]はやぶさのイオンエンジンは技術的な問題に遭遇したが、飛行中の再設定により4基のうち1基を修理し、ミッションは無事に地球に帰還した。[ 105 ]

2014年に打ち上げられたはやぶさ2は、はやぶさをベースにした探査機で、イオンスラスタも搭載していました。[ 106 ]

スマート1

欧州宇宙機関（ESA）の衛星SMART-1は、2003年にスネクマ社製PPS-1350 -Gホールスラスタを使用して打ち上げられ、 GTOから月周回軌道に到達しました。この衛星は2006年9月3日、月面に制御された衝突によってミッションを完了しました。衝突によって月の可視側にできた3メートルのクレーターを科学者が観察できるように、軌道を逸脱しました。

夜明け

ドーンは2007年9月27日に打ち上げられ、小惑星ベスタと準惑星ケレスの探査に使用された。ディープ・スペース1で使用されたキセノンイオンスラスタを3基（1基ずつ噴射）搭載した。ドーンのイオン推進システムは、4日間の連続噴射で時速0キロメートル（60マイル）まで加速することができる。 [ 107 ]ミッションは2018年11月1日に終了した。この時、宇宙船の姿勢制御スラスタ用のヒドラジン化学推進剤が枯渇した。 [ 108 ]

LISAパスファインダー

LISAパスファインダーは、 2015年に打ち上げられたESA（欧州宇宙機関）の宇宙船で、太陽地球間L1点を周回します。主推進システムとしてイオンスラスタは使用せず、コロイドスラスタとFEEP（超低圧噴射装置）を併用することで精密な姿勢制御を実現しています。これらの推進装置の低推力により、宇宙船の正確な移動が可能になります。これはLISAミッションのテストであり、ミッションは2017年12月30日に終了しました。

ベピコロンボ

ESAのベピコロンボミッションは、2018年10月20日に水星に向けて打ち上げられました。 [ 109 ]イオンスラスタとスイングバイを組み合わせて水星に到達し、そこで化学ロケットが軌道投入を完了します。

二重小惑星リダイレクトテスト

NASAの二重小惑星リダイレクトテスト（DART）は2021年に打ち上げられ、NEXT-Cキセノンイオンスラスタを約1,000時間稼働させ、2022年9月28日に目標の小惑星に到達した。

プシュケ

NASAのプシケ宇宙船は2023年に打ち上げられ、 2029年8月に小惑星プシケ16号に到達するためにSPT-140キセノンイオンスラスタを運用している。

天文-2

CNSAの天問2号は2025年5月に打ち上げられ、[ 110 ]地球近傍小惑星469219カモオアレワと活動小惑星311P/パンスターズの探査とカモオアレワの表土のサンプル採取を目的としている。[ 111 ]

提案されたミッション

月のゲートウェイ

電力推進要素（PPE）は、ルナ・ゲートウェイに搭載される発電および推進機能を提供するモジュールです。2027年以降にファルコン・ヘビーで打ち上げられる予定です。[ 112 ] NASAグレン研究センターとエアロジェット・ロケットダインが開発中の50kW先進電気推進システム（AEPS）が使用される可能性が高いと考えられます。[ 82 ]

マーズキャット

MARS-CAT（CubeSat両極性スラスタを用いた火星電離層研究衛星アレイ）ミッションは、火星の電離層を調査するための6Uキューブサット2機搭載のコンセプトミッションです。このミッションでは、過渡的なプラズマ構造、磁場構造、磁気活動、太陽風駆動源との相関など、火星のプラズマと磁気構造を調査します。[ 74 ] CATスラスタは現在RFスラスタと呼ばれ、フェーズフォー社によって製造されています。[ 75 ]

恒星間ミッション

ジェフリー・A・ランディスは、宇宙ベースのレーザーで駆動するイオンスラスタと光帆を組み合わせて星間探査機を推進することを提案した。[ 113 ] [ 114 ]

中止されたミッション

国際宇宙ステーション

2011年3月時点では、アド・アストラ社製のVF-200 （200kW VASIMR電磁スラスタ）を国際宇宙ステーション（ISS）で試験するために将来的に打ち上げることが検討されていました。[ 115 ] [ 116 ]しかし、2015年にNASAはVF-200をISSに打ち上げる計画を中止しました。NASAの広報担当者は、ISSは「エンジンの望ましい性能レベルを実証するための理想的なプラットフォームではなかった」と述べました。アド・アストラ社は、ISSでのVASIMRスラスタの試験は、将来の宇宙実証後も選択肢として残されると発表しました。[ 44 ]

VF-200はVX-200の飛行型となる予定だった。[ 117 ] [ 118 ] ISSから得られる電力は200kW未満であるため、ISSのVASIMRには15分間の推力パルスを可能にするトリクル充電式バッテリーシステムが搭載される予定だった。ISSは比較的低い高度を周回しており、大気抵抗がかなり大きいため、定期的な高度ブーストが必要となる。そのため、ステーションキーピングには高効率エンジン（高比推力）が不可欠となる。理論的には、VASIMRの再ブーストによって燃料費を現在の年間2億1000万ドルから20分の1に削減できる可能性がある。[ 115 ] VASIMRは理論上、ISSのステーションキーピングに7500kgの化学燃料の代わりにわずか300kgのアルゴンガスしか使用できない。排気速度が高い（比推力が高い）ため、排気速度が低いためにより多くの燃料を必要とする化学推進と比較して、より少ない量の推進剤で同じ加速を達成できる。[ 119 ]水素はISSによって副産物として生成され、宇宙に放出される。

NASAは以前、ISS用の50kWホール効果スラスタの開発に取り組んでいたが、2005年に中止された。[ 119 ]

参照

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参考文献

ウィキメディア コモンズには、イオン推進に関連するメディアがあります。

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