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宇宙船の電気推進（または単に電気推進）は、静電場または電磁場を使用して質量を高速に加速し、推力を発生させて軌道上の宇宙船の速度を変更する宇宙船推進技術の一種です。 [1]推進システムはパワーエレクトロニクスによって制御されます。
電気推進装置は、化学ロケットよりも排気速度が速い（比推力が高い）ため、通常、化学ロケットよりもはるかに少ない推進剤を使用します。 [1]電力が限られているため、推力は化学ロケットに比べてはるかに弱くなりますが、電気推進はより長い時間推力を提供できます。[2]
電気推進は1960年代に初めて実証され、現在では宇宙船で成熟し広く使用されている技術となっている。米国とロシアの衛星は数十年にわたって電気推進を使用している。[3] 2019年現在[アップデート]、太陽系全体で運用されている500機以上の宇宙船が、ステーションキーピング、軌道上昇、または主要推進に電気推進を使用している。 [4]将来的には、最先端の電気スラスタは100 km/s（62 mi/s）のデルタvを与えることができるようになるかもしれない。これは、宇宙船を太陽系の外惑星まで運ぶには十分であるが（原子力で）、恒星間旅行には不十分である。[1] [5]外部電源（太陽光発電パネルのレーザーを介して伝送可能）を備えた電気ロケットは、理論的には恒星間飛行の可能性がある。[6] [7]しかし、電気推進は推力が小さすぎるため、地球表面からの打ち上げには適していません。
火星への旅では、電気で動く宇宙船は当初の質量の70%を目的地まで運ぶことができるかもしれないが、化学ロケットは数%しか運べないだろう。[8]
歴史
宇宙船の電気推進のアイデアは、1911年にコンスタンチン・ツィオルコフスキーによって導入されました。[9] [10]それ以前に、ロバート・ゴダードは彼の個人的なノートにそのような可能性について記していました。[11]
1929年5月15日、ソ連の研究機関ガス力学研究所（GDL）は、電気ロケットエンジンの開発を開始しました。ヴァレンティン・グルシコ[12]が所長となり、1930年代初頭に世界初の電熱ロケットエンジンを開発しました。[13] [14] GDLによるこの初期の研究は着実に進められ、1960年代にはボスホート1号宇宙船やゾンド2号火星探査機に搭載されて電気ロケットエンジンが使用されました。[15]
電気推進の最初のテストは、1964年4月にソ連のゾンド1号宇宙船に搭載された実験的なイオンエンジンであったが、 [16]探査機の問題が原因で不安定な動作となった。[17]ゾンド2号宇宙船には、姿勢制御システムのアクチュエータとして機能する6つのパルスプラズマスラスタ（PPT）も搭載されていた。PPT推進システムは、1964年12月14日に宇宙船が地球から420万キロ離れたときに70分間テストされた。[18]
イオンエンジンの最初の成功した実証は、NASAの SERT-1（宇宙電気ロケット試験）宇宙船でした。[19] [20]この宇宙船は1964年7月20日に打ち上げられ、31分間稼働しました。[19] 1970年2月3日に打ち上げられた後継ミッションであるSERT-2では、2つのイオンスラスタが搭載され、1つは5か月以上、もう1つはほぼ3か月間稼働しました。[19] [21] [22]
1973年、トニー・マーティンは恒星間計画ダイダロスのために原子炉による電気推進を検討したが、推力プロファイル、核エネルギーを電気に変換するために必要な機器の重量、そして結果として小さな加速となり、目的の速度に達するまでに1世紀かかることから、このアプローチは却下された。[23]
2010年代初頭までに、多くの衛星メーカーが自社の衛星に電気推進オプション（主に軌道上の姿勢制御用）を提供し、一部の商用通信衛星事業者は従来の化学ロケットエンジンの代わりに静止軌道投入に電気推進を使い始めていました。[24]
種類
イオンおよびプラズマ駆動
これらのタイプのロケットのような反動エンジンは、推進剤から推力を得るために電気エネルギーを使用します。[25]
宇宙船の電気推進スラスタは、プラズマのイオンを加速するために使用される力の種類に基づいて、3 つのファミリーに分類できます。
静電気
加速が主にクーロン力によって発生する場合（つまり、加速の方向に 静電場が適用される場合）、デバイスは静電気型とみなされます。タイプ:
- グリッドイオンスラスタ
- NASA 太陽技術応用準備(NSTAR)
- ハイペップ
- 高周波イオンスラスタ
- ホール効果スラスタ、そのサブタイプである静止プラズマスラスタ（SPT）と陽極層付きスラスタ（TAL）を含む
- コロイドイオンスラスタ
- 電界放出電気推進
- ナノ粒子場抽出スラスタ
電熱式
電熱カテゴリには、電磁場を使用してプラズマを生成し、バルク推進剤の温度を上げるデバイスが含まれます。推進剤ガスに与えられた熱エネルギーは、固体材料または磁場のノズルによって運動エネルギーに変換されます。低分子量ガス (水素、ヘリウム、アンモニアなど) は、この種のシステムに適した推進剤です。
電熱エンジンはノズルを使用して熱を直線運動に変換するため、熱を生成するエネルギーが外部ソースから供給される場合でも、真のロケットです。
電熱システムの比推力（Isp）の性能は500秒から1000秒程度ですが、コールドガススラスタ、一液性ロケット、さらにはほとんどの二液性ロケットの性能を上回ります。ソ連では、電熱エンジンは1971年に使用され始めました。ソ連の「メテオール3」、「メテオール・プリローダ」、「レスールス-O」衛星シリーズ、およびロシアの「エレクトロ」衛星には電熱エンジンが搭載されています。[26]エアロジェット（MR-510）の電熱システムは現在、推進剤として ヒドラジンを使用するロッキード・マーティンA2100衛星で使用されています。
- レジストジェット
- アークジェット
- 電子レンジ
- 可変比推力磁気プラズマロケット（VASIMR）
電磁
電磁スラスタは、ローレンツ力、または電場が加速方向ではない電磁場の効果によってイオンを加速します。タイプ:
非イオン駆動
フォトニック
フォトニックドライブは光子とのみ相互作用します。
電気力学的テザー
電気力学的テザーは、テザー衛星から展開されるような長い導電ワイヤであり、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電機として、または電気エネルギーを運動エネルギーに変換するモーターとして、電磁気的原理で動作することができる。 [27]導電性テザーは地球の磁場を通過することで電位が発生する。電気力学的テザーに使用される金属導体の選択は、電気伝導率や密度などの要因によって決定される。用途に応じた二次的な要因には、コスト、強度、融点などがある。
物議を醸す
提案されている推進方法の中には、現在理解されている物理法則に明らかに違反しているものもある。[28]
安定と不安定
電気推進システムは、定常（規定の持続時間にわたって連続的に点火）または非定常（所望のインパルスまで蓄積されるパルス点火）のいずれかに分類できます。これらの分類は、あらゆるタイプの推進エンジンに適用できます。
動的プロパティ
電気で動くロケットエンジンは、宇宙船で利用できる電力が限られているため、化学ロケットに比べて推力が数桁低い。 [2]化学ロケットは燃焼生成物にエネルギーを直接与えるが、電気システムでは数段階のステップが必要となる。しかし、同じ推力に対して消費される反応質量が少なく、速度が速いため、電気ロケットはより少ない燃料で作動することができる。これは、エンジンに多くの燃料が必要で、宇宙船が主に慣性軌道をたどる必要がある典型的な化学動力宇宙船とは異なる。惑星の近くにある場合、低推力の推進力では重力を相殺できない可能性がある。電気ロケットエンジンは、宇宙船を惑星の表面から持ち上げるのに十分な推力を提供できないが、低推力を長時間適用することで、宇宙船を惑星の近くで操縦することができる。
参照
- 磁気帆、太陽または任意の恒星からの太陽風で駆動する提案されたシステム
- 電気推進宇宙船の一覧、電気推進を使用した過去および提案中の宇宙船の一覧
- ロケット推進技術（曖昧さ回避）
参考文献
- ^ abc Choueiri, Edgar Y. (2009) 電気ロケットの新たな夜明けScientific American 300, 58–65 doi :10.1038/scientificamerican0209-58
- ^ ab 「電気推進と化学推進」。電気宇宙船推進。ESA 。 2007年2月17日閲覧。
- ^ 「基礎技術研究所における電気推進研究」。2011年8月16日。2011年8月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Lev, Dan; Myers, Roger M.; Lemmer, Kristina M.; Kolbeck, Jonathan; Koizumi, Hiroyuki; Polzin, Kurt (2019年6月). 「電気推進の技術的および商業的拡大」. Acta Astronautica . 159 : 213–227. Bibcode :2019AcAau.159..213L. doi :10.1016/j.actaastro.2019.03.058. S2CID 115682651.
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- ^ Palaszewski, Bryan. 「将来の宇宙ミッションのための電気推進（PowerPoint）」。将来の宇宙ミッションのための電気推進。NASAグレン研究センター。 2021年11月23日時点のオリジナル（PPT）からアーカイブ。 2011年12月31日閲覧。
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- ^ Choueiri, Edgar Y. (2004). 「電気推進の重要な歴史: 最初の50年間 (1906–1956)」. Journal of Propulsion and Power . 20 (2): 193–203. CiteSeerX 10.1.1.573.8519 . doi :10.2514/1.9245.
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- ^ NASA、宇宙におけるテザーハンドブック、MLコスモとECロレンツィーニ編、第3版1997年12月（2010年10月20日アクセス）；NASA MSFCのバージョンも参照；scribdで入手可能
- ^ 「なぜShawyerの『電磁相対性ドライブ』は詐欺なのか」(PDF)。2014年8月25日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
外部リンク
- NASAジェット推進研究所
- 電気推進の技術的および商業的拡大 - D. Lev 他 電気推進の技術的および商業的拡大
- 電気（イオン）推進、コロラド大学ボルダー校大気研究センター、2000 年。
- 電気推進のための分散型電力アーキテクチャ
- シュエイリ、エドガー Y. (2009)。電気ロケットの新たな夜明け
- ロバート・G・ヤーンとエドガー・Y・シュエイリ。電気推進
- コロラド州立大学電気推進・プラズマ工学（CEPPE）研究所
- 固定式プラズマスラスタ(PDF)
- 電気宇宙推進
- 公開された教訓エントリ: 0736
- 電気推進の批判的歴史：最初の 50 年間 (1906–1956) - AIAA-2004-3334
- Aerospace America、AIAA 出版物、2005 年 12 月、推進およびエネルギー セクション、pp. 54～55、著者: Mitchell Walker。