可変比推力磁気プラズマロケット

VASIMRエンジンを搭載した宇宙船の想像図

可変比推力磁気プラズマロケット（VASIMR ）は、宇宙船の推進力として開発中の電熱スラスタです。電波を用いて不活性推進剤を電離・加熱し、プラズマを形成します。そして、磁場を用いて膨張するプラズマを閉じ込めて加速し、推力を生成します。VASIMRはプラズマ推進エンジンであり、宇宙船の電気推進システムの一つです。[ 1 ]

VASIMR法によるプラズマ加熱は、もともと核融合研究の過程で開発されました。VASIMRは、高推力・低比推力の化学ロケットと、低推力・高比推力の電気推進との間のギャップを埋めることを目的としていますが、高推力の実証はまだ行われていません。VASIMRのコンセプトは、1977年に元NASA宇宙飛行士のフランクリン・チャン＝ディアス氏によって考案され、それ以来、同氏はこの技術の開発に取り組んできました。[ 2 ]

設計と運用

電磁推進核融合プラズマスラスタの3Dスケッチ

VASIMRは、電熱プラズマスラスタ／電熱磁気プラズマスラスタの一種です。これらのエンジンでは、中性で不活性な推進剤を電波でイオン化・加熱します。生成されたプラズマは磁場によって加速され、推力を生成します。関連する電気駆動型宇宙船推進コンセプトとしては、無電極プラズマスラスタ、マイクロ波アークジェットロケット、パルス誘導スラスタなどがあります。

推進剤はアルゴンやキセノンなどの中性ガスで、電磁石で表面を覆われた中空シリンダーに注入される。エンジンに入ると、ガスはまずヘリコンRFアンテナ/カップラーによって「コールドプラズマ」に加熱され、 10～50MHzの周波数で電磁エネルギーがガスに照射され、[ 3 ]推進剤原子から電子が剥ぎ取られ、イオンと自由電子のプラズマが生成される。VASIMRはRF加熱エネルギーとプラズマの量を変化させることで、低推力・高比推力の排気、または比較的高推力・低比推力の排気を生成できるとされている。[ 4 ]エンジンの第2段階は、イオン化されたプラズマを導く強力なソレノイド構成の電磁石で、従来のロケットエンジンの物理的なノズルのような収束-発散ノズルとして動作する。

イオンサイクロトロン加熱（ICH）セクションと呼ばれる2つ目のカップラーは、エンジン内を移動するイオンと電子の軌道と共鳴する電磁波を放射します。共鳴は、エンジンのこの部分の磁場を減少させることで実現され、プラズマ粒子の軌道運動を遅くします。このセクションはさらにプラズマを1,000,000 K（1,000,000 °C、1,800,000 °F）以上に加熱します。これは太陽表面温度の約173倍に相当します。[ 5 ]

エンジン内を通過するイオンと電子の軌道は、エンジン壁と平行な線に近似しているが、実際には粒子はエンジン内を直線的に移動しながら、それらの線を周回している。エンジンの最終分岐部には、膨張する磁場が存在し、イオンと電子は最大50,000 m/s（180,000 km/h）の速度でエンジンから放出される。[ 4 ] [ 6 ]

利点

典型的なサイクロトロン共鳴加熱プロセスとは対照的に、VASIMRイオンは熱化分布に達する前に磁気ノズルから即座に放出されます。2004年にテキサス大学オースティン校のアレクセイ・V・アレフィエフとボリス・N・ブレイズマンが行った革新的な理論的研究に基づき、イオンサイクロトロン波のエネルギーのほぼ全てが、単一通過サイクロトロン吸収プロセスにおいて均一にイオン化プラズマに伝達されます。これにより、イオンは磁気ノズルから非常に狭いエネルギー分布で放出され、エンジン内の磁石配置を大幅に簡素化・コンパクト化できます。[ 4 ]

VASIMRは電極を使用せず、代わりに磁気的にプラズマをほとんどのハードウェア部品から遮蔽することで、イオンエンジンの摩耗の主な原因である電極の侵食を排除します。[ 7 ]非常に複雑な配管、高性能バルブ、アクチュエータ、ターボポンプを備えた従来のロケットエンジンと比較して、VASIMRには可動部品がほとんどなく（ガスバルブなどの小さな部品を除く）、長期的な耐久性を最大限に高めています。[ 8 ]

デメリット

2015年時点のAd Astraによれば、VX-200エンジンは5Nの推力を生み出すのに200kWの電力、つまり40kW/Nの電力を必要とする。[ 6 ]対照的に、従来のNEXTイオンスラスタはわずか7.7kWで0.327N、つまり24kW/Nの推力を生み出す。[ 6 ]電気的に言えば、NEXTはほぼ2倍の効率であり、2009年12月に48,000時間（5.5年）のテストに成功裏に完了した。[ 9 ] [ 10 ]

VASIMRでは、強力な磁場との相互作用や熱管理といった新たな問題も浮上している。VASIMRの非効率な動作により、大量の廃熱が発生するため、熱負荷や熱応力を発生させることなく、これを排出する必要がある。高温プラズマを封じ込めるために必要な超伝導電磁石はテスラ領域の磁場を発生させる[ 11 ]。この磁場は他の搭載機器に問題を引き起こしたり、磁気圏との相互作用によって不要なトルクを発生させたりする可能性がある。この後者の影響に対抗するため、2つのスラスタユニットを互いに反対方向に磁場を向けてパッケージ化し、正味ゼロトルクの磁気四重極を形成することができる[ 12 ]。

研究開発

VASIMR実験室実験概略図

最初のVASIMR実験は1983年にマサチューセッツ工科大学で実施されました。1990年代には重要な改良が導入され、当初構想されていたプラズマ銃とその電極に代わるヘリコンプラズマ源の使用により耐久性と長寿命化が図られました。[ 13 ]

2010年現在、 VASIMRの開発はAd Astra Rocket Company（AARC）が担当しており、2005年6月23日にVASIMR技術の民営化を目的とした最初の宇宙法協定に署名した。フランクリン・チャン＝ディアスがAd Astraの会長兼CEOを務め、同社はコスタリカのリベリアにある地球大学のキャンパス内に試験施設を保有していた。[ 14 ]

VX-10からVX-50

ジョンソン宇宙センター先進宇宙推進研究所のVX-10試験室

1998年、 ASPLで最初のヘリコンプラズマ実験が行われた。1998年のVASIMR実験10（VX-10）では最大10kWのヘリコンRFプラズマ放電が達成され、2002年のVX-25では最大25kWの放電が達成された。2005年までにASPLでは、50kW、0.5ニュートン（0.1lbf）推力のVX-50による完全かつ効率的なプラズマ生成とプラズマイオンの加速が実現された。[ 4 ] 50kW VX-50に関する公表データでは、90%の結合効率と65%のイオン速度ブースト効率に基づいて、電気効率が59%であることが示された。[ 15 ]

VX-100

100キロワットのVASIMR実験は2007年までに成功裏に稼働し、イオン化コストが100eV未満の効率的なプラズマ生成を実証しました 。[ 16 ] VX-100のプラズマ出力は、VX-50の以前の記録の3倍になりました。[ 16 ]

VX-100はイオン速度上昇効率が80%になると予想されていたが、直流電流から高周波電力への変換と超伝導磁石の補助機器による損失のため、この効率は達成できなかった。[ 15 ] [ 17 ]一方、2009年時点で最先端の実証済みイオンエンジン設計であるNASAの高出力電気推進（HiPEP）は、スラスタ/ PPUの全エネルギー効率80%で動作した。[ 18 ]

VX-200

VX-200プラズマエンジンは、両ステージをフル磁場で稼働させ、フルパワーで稼働している。

2008年10月24日、同社はプレスリリースで、 200kW出力VX-200エンジンのヘリコンプラズマ発生装置が運用段階に達したと発表した。この主要技術である固体DC-RF電力処理は98%の効率を達成した。ヘリコン放電は30kWの電波を用いてアルゴンガスをプラズマ化した。残りの170kWの電力は、イオンサイクロトロン共鳴加熱によるエンジン第2部におけるプラズマ加速に充てられた。[ 19 ]

VX-100の試験データに基づくと、[ 11 ]、常温超伝導体が発見されれば、VX-200エンジンのシステム効率は60～65%、推力は5Nに達すると予想された。低コストのアルゴン燃料を使用した場合、最適な比推力は約5,000秒と推定された。残された未検証の問題の一つは、高温プラズマが実際にロケットから分離するかどうかであった。もう一つの問題は廃熱管理であった。入力エネルギーの約60%が有用な運動エネルギーとなった。残りの40%の多くは、プラズマが磁力線を横切ることや排気の発散による二次電離である。その40%のかなりの部分が廃熱であった（エネルギー変換効率を参照）。この廃熱を管理し、除去することは極めて重要である。[ 20 ]

2009年4月から9月にかけて、2テスラの超伝導磁石を搭載したVX-200プロトタイプで200kWのテストが実施されました。この磁石は別々に電源が供給されており、「効率」計算には考慮されていませんでした。[ 21 ] 2010年11月には、長時間の全出力点火テストが実施され、25秒間の定常動作に達し、基本的な設計特性が検証されました。[ 22 ]

2011年1月に発表された結果では、VX-200の最適効率設計点は排気速度50 km/s、またはI sp 5000  sであることが確認されました。200 kWのVX-200は、 2013年までにアルゴン燃料をフルパワーで使用し、10,000回以上のエンジン点火を実施し、RF入力電力に対するスラスタ効率が70%を超えることを実証しました。[ 23 ]

VX-200SS

2015年3月、アド・アストラは、VASIMRエンジンの次期バージョンであるVX-200SSの技術準備を進め、深宇宙ミッションのニーズに対応するため、NASAから1000万ドルの助成金を受けたと発表しました。[ 24 ]名称のSSは「定常状態」の略で、この長期試験の目的は熱定常状態での連続運転を実証することです。[ 25 ]

2016年8月、アド・アストラはNASAとの3年間の契約の初年度のマイルストーンを完了したと発表した。これにより、エンジンの高出力プラズマ燃焼が初めて可能となり、 2018年半ばまでに100時間、100kWに到達するという目標が掲げられた。[ 26 ] 2017年8月、同社はVASIMR電気プラズマロケットエンジンの2年目のマイルストーンを完了したと報告した。NASAは、VX-200SSエンジンの100kWでの10時間累積試験の完了を審査した後、アド・アストラが3年目に進むことを 承認した。プレスリリースには記載されていない理由により、計画されていた200kW設計が100kWで稼働しているようだ。[ 27 ]

2019年8月、Ad Astra社は、カナダのAethera Technologies Ltd.社が製造したVASIMRエンジン用の新世代の無線周波数（RF ）電力処理ユニット（PPU）のテストが成功したと発表した。 [ 28 ] Ad Astra社は、 120kWの出力と97%を超える電気からRFへの電力効率を宣言し、新しいRF PPUは52kgで、競合する電気スラスタのPPUの約10分の1の軽量（電力重量比：2.31kW/kg） である。

2021年7月、アド・アストラ社は、このエンジンを82.5kWの出力レベルで28時間稼働させるという記録破りのテストを完了したと発表した 。[ 29 ] 7月12日から16日にかけて実施された2回目のテストでは、エンジンを80kWの出力レベルで88時間稼働させることに成功した 。[ 30 ] アド・アストラ社は、2023年に100kWの出力レベルのテストを実施する予定である。 [ 31 ]

潜在的な用途

VASIMR は推力対重量比が比較的低く、周囲真空を必要とします。

VASIMRの提案されている用途、例えば火星への人類の迅速な輸送には、原子炉（原子力電気ロケット参照）の10倍の効率を誇る、非常に高出力で低質量のエネルギー源が必要となる。2010年、NASA長官チャールズ・ボールデンは、VASIMR技術は火星ミッションにおける移動時間を2.5年から5ヶ月に短縮する画期的な技術となる可能性があると述べた。[ 32 ]しかし、この主張は過去10年間繰り返されていない。

2008年8月、アド・アストラの開発責任者であるティム・グローバーは、VASIMRエンジンの最初の想定される用途は「低地球軌道から低月軌道への物（人間以外の貨物）の運搬」であり、NASAの月への再挑戦を支援することであると公に述べた。[ 33 ]

39日後の火星

39日間で火星への有人旅行を実現するために、[ 34 ] VASIMRは非常に高い電力レベルを必要とするだろう。

さらに、いかなる発電技術も廃熱を生じます。必要な200メガワットの原子炉は「1キログラムあたり1,000ワットの電力密度」を備えており、「サッカー場ほどの大きさのラジエーター」を必要としないため、極めて効率的なラジエーターが必要となります。[ 35 ]

参照

電気推進

宇宙核分裂炉

参考文献

  1. ^ Ad Astra Rocket Company. 「VASIMR」 . Ad Astra Rocket Company. 2019年7月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年7月9日閲覧。
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  35. ^ビデオ: VASIMR 討論/VASIMR の偽情報 – ロバート・ズブリン博士 – 第 14 回国際火星協会大会、タイムインデックス 14:30

さらに読む

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NASAの文書

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