グリッドイオンスラスタ

グリッド型イオンスラスタは、高電圧グリッド電極を使用して静電気力でイオンを加速し、電力で動作する高効率の低推力宇宙船推進方法であるイオンスラスタの一般的な設計です。

歴史

イオンエンジンは、ドイツ生まれのNASA 科学者エルンスト・シュトゥーリンガーによって初めて実証され、^{[1] 1957年から1960年代初頭にかけて}NASAルイス（現グレン）研究センターのハロルド・R・カウフマンによって実用的な形で開発されました。

イオン推進システムの使用は、NASAのルイス宇宙電気ロケット試験（SERT） IとIIによって初めて宇宙で実証されました。^[2] これらのスラスタは、反応物質として水銀を使用しました。最初の試験は1964年7月20日に打ち上げられたSERT-1で、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。2番目の試験であるSERT-IIは1970年2月3日に打ち上げられ、^[3]^[4] 2つの水銀イオンエンジンが数千時間稼働することを確認しました。^[5] 1960年代と70年代に実証されたにもかかわらず、1990年代後半まではほとんど使用されませんでした。

NASA グレン宇宙センターは 1980 年代を通じて静電グリッドイオンスラスタの開発を続け、NASA 太陽技術応用準備(NSTAR) エンジンを開発しました。このエンジンは、電気推進を主な推進力として使用して惑星間軌道を飛行した最初のミッションであるディープスペース 1探査機で成功裏に使用されました。このエンジンは後にドーン小惑星ミッションでも使用されました。

ヒューズ・エアクラフト社（現L-3 ETI）は、静止衛星（100基以上のエンジンが稼働）の軌道維持を行うためのXIPS（キセノンイオン推進システム）を開発しました。 ^[要出典] NASAは現在^{[要説明]、} NSTARよりも効率、比推力が高く、寿命が長いHiPEPと呼ばれる20～ 50kWの静電イオンスラスタの開発に取り組んでいます。 ^[^要出典^]

2006年、エアロジェットはNEXTイオンスラスタのプロトタイプのテストを完了しました。^[6]

1970年代初頭、ギーセン大学とアリアングループで高周波イオンスラスタが開発されました。RIT-10エンジンはEURECAとARTEMISに搭載されています。キネティック（英国）はT5およびT6エンジン（カウフマン型）を開発し、GOCEミッション（T5）とベピコロンボミッション（T6）で使用されました。日本からは、マイクロ波を使用するμ10がはやぶさミッションで使用されました。 [^要出典]

2021年、DARTはNEXT-Cキセノンイオンスラスタを搭載して打ち上げられました。

2021年、ThrustMeはNPT30-I2ヨウ素イオンスラスタを使用して衛星軌道の変更を報告しました。^[7]^[8]^[9]

操作方法

推進剤原子は放電室に注入され、イオン化されてプラズマを形成します。

放電室用の静電イオンを生成する方法はいくつかあります。

中空陰極と陽極間の電位差による電子衝撃（カウフマン型）（NSTAR、NEXT、T5、T6スラスタ）
交流電磁石によって誘導される電界の無線周波数(RF) 振動。これにより自己持続放電が発生し、カソードが不要になります (RIT 10、RIT 22、μN-RIT スラスタ)
マイクロ波加熱（μ10、μ20）

静電イオン生成方法に関連して、カソードと電源要件が必要です。電子衝撃スラスタには、少なくともカソード、アノード、チャンバーへの電源が必要です。RF およびマイクロ波タイプでは、RF ジェネレータへの追加の電源が必要ですが、アノードまたはカソードへの電源は必要ありません。

正に帯電したイオンは、チャンバーの抽出システム (2 つまたは 3 つの多孔グリッド) に向かって拡散します。イオンがグリッドホールからプラズマシースに入ると、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ます。イオンは強力な電界によって抽出ホールを通って誘導されます。最終的なイオンエネルギーはプラズマの電位によって決まり、通常はスクリーングリッドの電圧よりわずかに大きくなります。

加速グリッドの負電圧は、スラスタ外部のビームプラズマの電子が放電プラズマに戻るのを防ぎます。これは、グリッドの負電位が不十分なために失敗する可能性があり、これはイオンスラスタの動作寿命の一般的な終わり方です。放出されたイオンは、ニュートンの第3法則に従って、宇宙船を反対方向に推進します。より低エネルギーの電子は、中和器と呼ばれる別のカソードからイオンビームに放出され、同量の正電荷と負電荷が放出されるようにします。中和は、宇宙船が正味の負電荷を獲得するのを防ぐために必要です。正味の負電荷は、イオンを宇宙船に引き戻し、推力をキャンセルします。

パフォーマンス

長寿

イオン光学系は少量の二次イオンによって絶えず攻撃され、侵食されたり磨耗したりするため、エンジンの効率と寿命が低下します。侵食を減らすためにいくつかの技術が使用されましたが、最も注目すべきは別の推進剤への切り替えでした。 1960年代と1970年代のテストでは水銀またはセシウム原子が推進剤として使用されましたが、これらの推進剤はグリッドに付着して侵食しました。一方、キセノン原子ははるかに腐食性が低く、事実上すべてのイオンスラスタタイプの推進剤として選ばれました。NASAは、NSTARスラスタの連続運転を16,000時間以上（1.8年）、NEXTスラスタの連続運転を48,000時間以上（5.5年）実証しました。^[10]^[11]

抽出グリッドシステムでは、グリッドの形状と使用される材料にわずかな違いが生じます。これは、グリッドシステムの運用寿命に影響を及ぼす可能性があります。

比推力

静電イオンスラスタは、他のほとんどのイオンスラスタタイプよりも優れた、30～100 kN·s/kg、または3,000～10,000 sの比推力も達成しています。静電イオンスラスタは、イオンを100 km/sに達する速度まで加速します。

4つのグリッドの利点

2006 年 1 月、欧州宇宙機関はオーストラリア国立大学と共同で、改良型静電イオンエンジンであるデュアルステージ 4 グリッド(DS4G) の試験に成功したと発表しました。このエンジンでは、排気速度が 210 km/sに達し、これは従来の 4 倍の速度とされ、比推力も 4 倍に向上しました。従来の静電イオンスラスタは、イオン抽出と加速の両方の機能を果たすグリッドを高電圧グリッドと低電圧グリッドの 2 つしか備えていません。しかし、これらのグリッド間の電荷差が約 5 kV に達すると、チャンバーから抽出された粒子の一部が低電圧グリッドに衝突し、低電圧グリッドを侵食してエンジンの寿命を縮めます。この制限は、2 組のグリッドを使用することで回避されます。最初のペアは高電圧で動作し、それらの間の電圧差は約 3 kV です。このグリッドペアは、ガスチャンバーから帯電した推進剤粒子を抽出する役割を果たします。 2 つ目のペアは低電圧で作動し、粒子を外側に加速する電界を提供し、推力を生み出します。新しいエンジンのその他の利点としては、よりコンパクトな設計でより高い推力までスケールアップできること、排気煙が 3 度と狭く、発散が少ないことなどが挙げられます。これは、従来の 5 倍の狭さと言われています。これにより、推力ベクトル方向のわずかな不確実性により宇宙船の向きを修正するために必要な推進剤が削減されます。^[12]

参照

電気駆動宇宙船の推進
- ホール効果スラスタ
イオンスラスタ、HET等との比較表あり
- デュアルステージ4グリッド

さらに読む

Rafalskyi, D.; Martínez, JM; Habl, L.; et al. (2021). 「ヨウ素電気推進システムの軌道上実証」. Nature . 599 (7885): 411–415. doi : 10.1038/s41586-021-04015-y . ISSN 1476-4687. PMC 8599014 .パフォーマンスに影響する設計の詳細をカバー

参考文献

^ エルンスト・シュトゥリンガー『宇宙飛行のためのイオン推進』（McGraw-Hill、ニューヨーク、1964年）。
^ JS Sovey、VK Rawlin、MJ Patterson、「米国におけるイオン推進開発プロジェクト：スペース電気ロケットテスト1からディープスペース1まで」、Journal of Propulsion and Power、第17巻、第3号、2001年5月～6月、517～526ページ。
^ NASA Glenn、「SPACE ELECTRIC ROCKET TEST II (SERT II)」Wayback Machineで 2011-09-27 にアーカイブ(2010 年 7 月 1 日にアクセス)
^ SERT 2010-10-25 にアーカイブAstronautix のWayback Machineページ (2010 年 7 月 1 日にアクセス)
^ 「宇宙電気ロケットテスト」。2011年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年7月1日閲覧。
^ エアロジェット、NASAのNEXTイオンエンジン開発プログラムの製造とシステム統合のマイルストーンを無事完了アーカイブ：2006年5月30日、Wayback Machine
^ 「宇宙で初めて、科学者がヨウ素を動力とするイオンスラスタをテスト」。
^ ラファルスキー、ドミトロ;マルティネス・マルティネス、ハビエル。ハブル、ルイ。ゾルゾリ・ロッシ、エレナ。プロイノフ、プラメン。ボレ、アントワーヌ。バレット、トーマス。ポイエ、アントワーヌ。ラフルール、トレバー。ドゥディン、スタニスラフ。アネスランド、アネ（2021年11月17日）。「ヨウ素電気推進システムの軌道上デモンストレーション」。自然。599 (7885): 411–415。Bibcode :2021Natur.599..411R。土井：10.1038/s41586-021-04015-y。PMC 8599014。PMID 34789903。原子および分子のヨウ素イオンは両方とも高電圧グリッドによって加速されて推力を発生させ、かなりのヨウ素解離を伴う高度に平行化されたビームを生成することができます。
^ 「ヨウ素スラスタを使用して、史上初めて小型衛星の軌道を変更」www.esa.int。欧州宇宙機関。2021年1月22日。 2021年11月29日閲覧。史上初めて、通信衛星がヨウ素推進剤を使用して地球の周りの軌道を変更しました。この小規模だが潜在的に破壊的なイノベーションは、小型衛星がミッションの終了時に大気圏に突入して燃え尽きることで、安価かつ簡単に自爆できるようにすることで、空から宇宙ゴミを除去するのに役立つ可能性があります。
^ 管理者、NASA (2013-06-27)。「NASAのスラスタが5年以上の運用で世界記録を達成」NASA 。 2022年10月29日閲覧。
^ 「NASAのNEXTイオンスラスタが5年半ノンストップで稼働し新記録を樹立」New Atlas . 2013年6月27日. 2022年10月29日閲覧。
^ ESA ポータル – ESA と ANU が宇宙推進技術のブレークスルーを達成

外部リンク

Aerojet (米国ワシントン州レドモンド) – グリッドイオンスラスタベンダー
NSTARイオンエンジン
イオン推進システムの改善技術 (PDF)
電動スラスターシステム (PDF)
ハイペップ
ESAとANUが宇宙推進技術で画期的な成果を達成

[1] エルンスト・シュトゥリンガー『宇宙飛行のためのイオン推進』（McGraw-Hill、ニューヨーク、1964年）。

[Sovey-2] JS Sovey、VK Rawlin、MJ Patterson、「米国におけるイオン推進開発プロジェクト：スペース電気ロケットテスト1からディープスペース1まで」、Journal of Propulsion and Power、第17巻、第3号、2001年5月～6月、517～526ページ。

[3] NASA Glenn、「SPACE ELECTRIC ROCKET TEST II (SERT II)」Wayback Machineで 2011-09-27 にアーカイブ(2010 年 7 月 1 日にアクセス)

[4] SERT 2010-10-25 にアーカイブAstronautix のWayback Machineページ (2010 年 7 月 1 日にアクセス)

[5] 「宇宙電気ロケットテスト」。2011年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年7月1日閲覧。

[NEXT-6] エアロジェット、NASAのNEXTイオンエンジン開発プログラムの製造とシステム統合のマイルストーンを無事完了アーカイブ：2006年5月30日、Wayback Machine

[7] 「宇宙で初めて、科学者がヨウ素を動力とするイオンスラスタをテスト」。

[ThrustMe1-8] ラファルスキー、ドミトロ;マルティネス・マルティネス、ハビエル。ハブル、ルイ。ゾルゾリ・ロッシ、エレナ。プロイノフ、プラメン。ボレ、アントワーヌ。バレット、トーマス。ポイエ、アントワーヌ。ラフルール、トレバー。ドゥディン、スタニスラフ。アネスランド、アネ（2021年11月17日）。「ヨウ素電気推進システムの軌道上デモンストレーション」。自然。599 (7885): 411–415。Bibcode :2021Natur.599..411R。土井：10.1038/s41586-021-04015-y。PMC 8599014。PMID 34789903。原子および分子のヨウ素イオンは両方とも高電圧グリッドによって加速されて推力を発生させ、かなりのヨウ素解離を伴う高度に平行化されたビームを生成することができます。

[ThrustMe2-9] 「ヨウ素スラスタを使用して、史上初めて小型衛星の軌道を変更」www.esa.int。欧州宇宙機関。2021年1月22日。 2021年11月29日閲覧。史上初めて、通信衛星がヨウ素推進剤を使用して地球の周りの軌道を変更しました。この小規模だが潜在的に破壊的なイノベーションは、小型衛星がミッションの終了時に大気圏に突入して燃え尽きることで、安価かつ簡単に自爆できるようにすることで、空から宇宙ゴミを除去するのに役立つ可能性があります。

[10] 管理者、NASA (2013-06-27)。「NASAのスラスタが5年以上の運用で世界記録を達成」NASA 。 2022年10月29日閲覧。

[11] 「NASAのNEXTイオンスラスタが5年半ノンストップで稼働し新記録を樹立」New Atlas . 2013年6月27日. 2022年10月29日閲覧。

[12] ESA ポータル – ESA と ANU が宇宙推進技術のブレークスルーを達成