プラズマ推進エンジン

試験発射中のスラスター
VASIMRプラズマエンジンのアーティストによる描写
電磁推進核融合プラズマスラスタの3Dスケッチ

プラズマ推進エンジンは、準中性プラズマから推力を発生させる電気推進の一種です。これは、プラズマ源からイオン電流を抽出し、陽極グリッドを用いて高速まで加速することで推力を発生させるイオンスラスタエンジンとは対照的です。イオンスラスタエンジンには様々な形態があります（電気推進を参照）。しかし、科学文献では、「プラズマスラスタ」という用語が、通常「イオンエンジン」と呼ばれるスラスタを包含する場合もあります。[ 1 ]

プラズマスラスタは通常、プラズマ内の荷電粒子を加速するために高電圧グリッドや陽極/陰極を使用せず、代わりに内部で生成される電流と電位を使用してイオンを加速します。その結果、高加速電圧がないため、排気速度は低くなります。

このタイプのスラスタには多くの利点がある。高電圧グリッドや陽極がないため、グリッドイオンの浸食による制限要素がなくなる。プラズマ排気は「準中性」であり、正イオンと電子が同数存在するため、排気中のイオンと電子の単純な再結合によって排気プルームを中和することができ、電子銃（ホローカソード）が不要になる。このようなスラスタは、多くの場合、外部アンテナを使用して、無線周波数またはマイクロ波エネルギーを使用してソースプラズマを生成します。この事実と、ホローカソード（希ガス以外のすべてに敏感）が存在しないことから、アルゴンから二酸化炭素の空気混合物、宇宙飛行士の尿まで、さまざまな推進剤にこのスラスタを使用できる可能性があります。[ 2 ]

プラズマエンジンは比推力が高いため、惑星間ミッションに適しています。 [ 3 ]

プラズマ推進システムは、欧州宇宙機関、イラン宇宙機関、オーストラリア国立大学など多くの宇宙機関によって開発され、オーストラリア国立大学は二重層スラスタを共同開発した。[ 4 ] [ 5 ]

歴史

プラズマエンジンは宇宙ミッションに使用されてきました。プラズマエンジンの最初の使用は、ソ連のゾンド2号宇宙探査機に搭載されたパルスプラズマスラスタでした。この探査機には姿勢制御システムのアクチュエーターとして機能する6個のPPTが搭載されていました。PPT推進システムは、1964年12月14日に地球から420万キロメートル離れた地点で70分間テストされました。[ 6 ]

2011年、NASAはブセク社と提携し、タクサット2号衛星に搭載して初のホール効果スラスタを打ち上げました。このスラスタは衛星の主推進システムでした。同社は同年、さらに1基のホール効果スラスタを打ち上げました。[ 7 ] 2020年には、武漢大学がプラズマジェットに関する研究を発表しました。[ 8 ] しかし、この研究で発表された推力推定値は、入力マイクロ波電力の100%が推力に変換されたとしても、理論上可能なレベルの約9倍であることが後に示されました。[ 9 ]

アド・アストラ・ロケット社は、可変比推力磁気プラズマロケット（VASIMR）を開発しています。カナダの企業Nautel社は、推進剤のイオン化に必要な200kWの高周波発電機を製造しています。一部のコンポーネント試験と「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行われています。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＝ディアス博士（CRC-USA）が主導しています。

コスタリカ航空宇宙同盟は、国際宇宙ステーション（ISS）の外部に設置するVASIMRの外部支持装置の開発を発表しました。VASIMRの宇宙での試験計画のこの段階は、2016年に実施される予定です。

利点

プラズマエンジンは、他のほとんどのロケット技術よりもはるかに高い比推力（I sp ）を有しています。VASIMRスラスタは12000秒を超える推力までスロットル制御が可能で、ホールスラスタは約2000秒に達しています。これは、比推力が約450秒である従来の化学ロケットの二液性推進剤燃料と比べて大幅な改善です。 [ 10 ]高い推力を持つプラズマスラスタは、長時間の加速で比較的高い速度に達することができます。元宇宙飛行士のチャン＝ディアス氏は、VASIMRスラスタはわずか39日でペイロードを火星に送り込むことができると主張しています。[ 11 ]

ミニヘリコンのようなプラズマスラスタは、そのシンプルさと効率性が高く評価されています。動作原理は比較的単純で、様々なガス、あるいはその組み合わせを使用できます。

これらの特性はプラズマスラスタが多くのミッションプロファイルにおいて価値があることを示唆している。[ 12 ]

欠点

プラズマ推進装置の実現可能性における最大の課題は、おそらくエネルギー要件である。[ 5 ]例えば、VX-200エンジンは、5Nの推力（40kW/N）を生成するために200kWの電力を必要とする。この電力要件は核分裂炉で満たせるかもしれないが、炉の質量（排熱システムを含む）が許容範囲を超える可能性がある。[ 13 ] [ 14 ]

もう一つの課題はプラズマ浸食です。作動中、プラズマはスラスタ空洞の壁と支持構造を熱的にアブレーションし、最終的にはシステムの故障につながる可能性があります。[ 15 ]

平均して、プラズマエンジンは最大約2ポンドの推力を提供します。[ 10 ]大気圏内での作動中は推力がほぼゼロに減少するため、プラズマエンジンは地球軌道への打ち上げには適していません。

エンジンの種類

ヘリコンプラズマスラスタ

ヘリコン・プラズマスラスタは、静磁場にさらされたプラズマ内部に存在する低周波電磁波（ヘリコン波）を利用する。ガス室を囲むRFアンテナが波動を発生させ、ガスを励起することでプラズマを生成する。プラズマは高速で噴出され、理想的な位相の電界と磁界の様々な組み合わせを必要とする加速戦略によって推力を生み出す。これらは無電極スラスタに分類される。これらのスラスタは複数の推進剤に対応しているため、長時間のミッションに適している。ガラス製のソーダボトルなど、シンプルな材料で製作できる。[ 12 ]

磁気プラズマ動力学スラスター

磁気プラズマ動力学スラスタ（MPD）は、ローレンツ力（磁場と電流の相互作用によって生じる力）を利用して推力を発生させます。磁場の存在下でプラズマを流れる電荷は、プラズマを加速させます。ローレンツ力は、ほとんどのパルスプラズマスラスタの動作にも不可欠です。

パルス誘導スラスタ

パルス誘導スラスタ（PIT）もローレンツ力を利用して推力を発生させますが、電極を使用しないため、侵食の問題を解決します。プラズマ中のイオン化と電流は、急速に変化する磁場によって誘導されます。

無電極プラズマスラスタ

無電極プラズマスラスタは、強力な電磁エネルギー密度勾配の影響下にあるプラズマまたは荷電粒子に作用するポンデロモーティブ力 を使用して、プラズマ電子とイオンを同じ方向に加速し、中和装置なしで動作します。

ヴァシムル

ヴァシムル

VASIMR（可変比推力磁気プラズマロケット）は、電波を用いて推進剤をプラズマにイオン化します。その後、磁場によってプラズマがエンジンから加速され、推力が発生します。200メガワットのVASIMRエンジンは、地球から木星または土星への移動時間を6年から14か月に、地球から火星への移動時間を6か月から39日に短縮する可能性があります。[ 7 ]

参照

参考文献

  1. ^ Mazouffre, Stéphane (2016年6月1日). 「衛星および宇宙船のための電気推進：確立された技術と新たなアプローチ」(PDF) .プラズマ源科学技術. 25 (3) 033002. Bibcode : 2016PSST...25c3002M . doi : 10.1088/0963-0252/25/3/033002 . S2CID  41287361. 2025年5月1日閲覧.
  2. ^ 「オーストラリア国立大学、ヘリコンプラズマスラスターを開発」 Dvice 、 2010年1月。 2012年6月8日閲覧。
  3. ^ 「NS社、プラズマロケットの建造を支援」 cbcnews 2010年1月2012年7月24日閲覧。
  4. ^ 「プラズマエンジンが初期テストに合格」 BBCニュース、2005年12月14日。
  5. ^ a b「地上から宇宙まで行けるプラズマジェットエンジン」ニューサイエンティスト誌。2017年7月29日閲覧。
  6. ^ Shchepetilov, VA (2018年12月). 「クルチャトフ原子力研究所における電気ジェットエンジンの開発」 .原子核物理学. 81 (7): 988– 999. Bibcode : 2018PAN....81..988S . doi : 10.1134/S1063778818070104 . 2024年2月28日閲覧。
  7. ^ a b「TacSat-2」 . Busek.com . 2017年7月29日閲覧。
  8. ^ 「中国のプラズマ推進でグリーンな空の旅が実現するか？」サウスチャイナ・モーニング・ポスト、2020年5月8日。
  9. ^ Wright, Peter; Samples, Stephen; Uchizono, Nolan; Wirz, Richard (2020年9月15日). 「大気圏におけるマイクロ波空気プラズマによるジェット推進」[AIP Adv. 10, 05002 (2020)]へのコメント」 . AIP Advances . 10 (9): 099101. Bibcode : 2020AIPA...10i9101W . doi : 10.1063/5.0013575 . S2CID 224859826 . 
  10. ^ a b「プラズマスラスタによる宇宙旅行：過去、現在、そして未来」dsiac.dtic.mil .
  11. ^ 「反物質からイオン推進へ：NASAの深宇宙推進計画」コスモスマガジン。 2017年7月29日閲覧。
  12. ^ a b「ロケットは宇宙でのより安価なナッジを目指し、プラズマスラスタは小型で安価なガスで稼働」マサチューセッツ工科大学。 2009年3月5日。 2025年5月1日閲覧– ScienceDaily経由。
  13. ^ 「技術情報」 AdastraRocket.com 2020年6月1日閲覧。
  14. ^ 「時速123,000マイルのプラズマエンジン、ついに宇宙飛行士を火星へ連れて行ける」『ポピュラーサイエンス』2017年7月29日閲覧。
  15. ^ 「不滅のプラズマロケットで火星へ旅する」2017年7月29日閲覧。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=プラズマ推進エンジン&oldid =1314705388」より取得