大気呼吸電気推進

大気呼吸型電気推進、または空気呼吸型電気推進、略してABEP ^[1]は、宇宙船の推進技術であり、大気中の残留ガスを推進剤として使用することで、機内推進剤を必要とせずに低軌道での推力生成を可能にします。大気呼吸型電気推進は、新しい種類の長期低軌道ミッションの実現を可能にする可能性があります。

このコンセプトは現在、欧州宇宙機関（ESA）^[2] 、ピサのサンタナ高等研究院でのEU資金によるBREATHEプロジェクト、およびEU資金によるDISCOVERERプロジェクト^[3]によって調査されています。現在の最先端の従来の電気スラスタは、推進剤の貯蔵と生成される推力の量の制限により宇宙船の軌道が減衰するため、約2年以上低高度での飛行を維持することができません[ ^4]。ESAは2018年3月にRAM-EPプロトタイプの最初の地上デモンストレーションに成功したことを公式に発表しました。^[5]

ABEPは、インテークと電気スラスタで構成されており、低軌道（LEO）と超低軌道（VLEO）での抗力の原因となる希薄ガスが推進剤として使用されます。^{[6] [7]}この技術により、S/Cは、搭載燃料を必要とせずに超低高度（地球の周り400 km未満）で軌道に乗ることができ、大気圏の高度の新しいセクションでより長時間のミッションが可能になります。この利点により、この技術は、科学ミッション、軍事および民間の監視サービス、およびStarlinkよりもさらに低遅延の低軌道通信サービスにとって興味深いものとなっています。

ガス分子を集めてスラスタに導くために、特別な吸気口が使用されます。分子はスラスタによってイオン化され、加速ステージから非常に高速で排出され、推力を生成します。必要な電力は、実際の電気推進システム用に開発されたものと同じ電力サブシステムによって供給できます。おそらく太陽電池とバッテリーの組み合わせですが、他の種類の電力サブシステムも検討できます。ABEP は、運用中の大気抵抗を補正することで、LEO および VLEO の衛星の寿命を延ばすことができます。地球周回軌道上の ABEP の高度は、120～250 km の間で最適化できます。^{[8]この技術は、スラスタが他の推進剤を処理でき、}火星や金星のように太陽電池パネルに十分な太陽光照射など、必要な電力を電源が供給できる場合、大気のあるあらゆる惑星で利用できます。 そうでない場合は、例えばタイタン周辺のミッションのために、宇宙原子炉や放射性同位体熱電発電機（RTG）などの他の電力サブシステムを実装する必要があります。

上層大気を収集して電気推進機の推進剤として利用するという最初の研究は、1959年にSTデメトリアデスの推進流体アキュムレータに関する研究ですでに行われていました。 ^{[9] [10] [11] [12]}

大気呼吸イオンエンジンの開発において、チャイルドの法則の注目すべき拡張により、1995年にABEPコンセプトに実装されました。^{[13] [14]}もともと、チャイルドの法則は、イオンの初期速度がゼロであるという仮定のもと、陽極と陰極間の電荷の流れをモデル化していました。しかし、この仮定は、周囲のガスが高速でイオン化室に入る低地球軌道で動作するイオンスラスタには適用できません。

ビュフォード・レイ・コンリーは、イオンの非ゼロ初期速度を考慮したチャイルドの法則の一般化を提示しました。この適応は、特に低地球軌道の希薄な条件で動作するイオン推進システムの理論的モデリングにとって重要です。

チャイルドの法則の一般化は、大気呼吸イオンスラスタの設計と効率に影響を及ぼします。低地球軌道でイオン化チャンバーに入る高速の周囲ガスを考慮することにより、修正された法則はより正確な理論モデル化を可能にします。チャンバー内で周囲ガスがイオン化されると、排気口から電磁的に加速され、宇宙船の推進力に寄与します。

ESAのRAM-EPはイタリアのSITAELによって設計・開発され、2017年5月に初めて実験室でテストされました。^{[15] [16] [17]}

シュトゥットガルト大学宇宙システム研究所は、インテークとスラスタを開発しています。後者はRFヘリコンベースのプラズマスラスタ（IPT）^{[18] [19]}で、2020年3月に初めて点火されました（IRS Uni Stuttgartプレスリリースを参照）。このようなデバイスの主な利点は、プラズマと直接接触する部品がないことであり、これにより、VLEOの原子状酸素などの攻撃的な推進剤による侵食による時間の経過による性能低下が最小限に抑えられ、中和剤も必要ありません。インテークとスラスタは、DISCOVERER EU H2020プロジェクト内で開発されています。

複数の研究でインテークの設計が進められており、自由分子流条件とガス表面相互作用モデルに基づいている。インテーク材料の鏡面反射特性に基づき、望遠鏡のような設計を使用することで理論的には高い効率を達成できる。完全な拡散反射特性では、効率は一般的に低くなるが、トラッピング機構によりスラスタ前面の圧力分布も向上させることができる。^[20]

英国を拠点とする新興企業ニューオービット・スペースは、2021年から空気呼吸電気推進システムの開発に取り組んでおり、その過程でいくつかのマイルストーンを達成している。特に、ニューオービットは真空チャンバー内で大気の空気だけでイオンエンジンを作動させ、中和することに業界で初めて成功した。初期のテスト結果では、エンジンが流入する空気を時速20万キロを超える速度まで加速し、比推力は6,380秒であることが示された。この画期的な進歩により、推進システムは超低軌道で大気抵抗を克服するのに十分な推力を生成できるようになり、高度200キロ未満の宇宙船の持続可能な運用が可能になった。^{[21] [22]}

米国のBusek Co. Inc.は、2004年にエアブリージングホール効果スラスタ（ABHET）のコンセプトの特許を取得し、^[23] NASA先端概念研究所の資金提供を受けて、2011年に火星（Mars-ABHETまたはMABHET）に適用される実現可能性調査を開始しました。このシステムは大気中の二酸化炭素を呼吸してイオン化するものです。^[24] MABHETのコンセプトは、JAXAのエアブリージングイオンエンジン（ABIE）やESAのRAM-EPと同じ基本原理に基づいています。^[25]

• イオン推進航空機
• 推進流体アキュムレーター – 自己充填式軌道ロケット燃料貯蔵庫

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