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電界放出電気推進（FEEP ）は、イオンスラスタの一種で、液体金属（通常はセシウム、インジウム、水銀のいずれか）を推進剤として使用する先進的な静電宇宙推進コンセプトです。[1]
FEEP 装置は、エミッターと加速電極で構成されています。この 2 つの間に 10 kV 程度の電位差が加えられ、金属表面の先端に強い電界が発生します。電気力と液体金属の表面張力の相互作用により表面が不安定になり、液体表面にテイラー コーンが発生します。 [2]印加電界の値が十分に高い場合、イオンは電界蒸発または類似のメカニズムによってコーンの先端から抽出され、電気的に高速 (通常は 100 km/s 以上) に加速されます。イオンの排出速度は速いですが、質量が非常に小さいため、加速力は非常に弱くなります。その利点は、長時間にわたって加速力が持続することです。[3]
FEEPスラスタは推力が非常に低いため（マイクロニュートン（μN）からミリニュートン（mN）の範囲）、 ESA / NASAのLISAパスファインダー科学宇宙船などの宇宙船のマイクロラジアン、マイクロニュートン姿勢制御に主に使用されています。FEEPスラスタは重力場および定常海洋循環探査機にも搭載される予定でしたが、[4]グリッドイオンスラスタが代わりに使用されました。[5]宇宙で動作した最初のFEEPスラスタは、 2018年に低軌道 で正常に稼働したIFMナノスラスタでした。[6]
基本的な考え方
電界放出電気推進（FEEP）は、液体金属の電界イオン化とそれに続く強い電界によるイオンの加速に基づく静電推進法である。針などの鋭利な特徴は、この電界の強度を高めて集中させるために使用される。針は液体金属でコーティングされており、イオンの加速を最大化する。[7]
FEEPは現在、 μN未満からmNの推力範囲、ほぼ瞬時のスイッチオン/スイッチオフ機能、および連続モードとパルスモードの両方で正確な推力調整を可能にする高解像度のスロットル機能（104分の1未満）という独自の機能により、科学界で注目されています。[ 8 ]現在、抗力のない衛星に搭載された科学ミッションのベースラインであるこの推進システムは、商用の小型衛星やコンステレーションの姿勢制御や軌道維持にも提案されています。
宇宙船を電気的に中性に保つには、別の電子源が必要です。
液体金属推進剤
このタイプのスラスタは、多数の異なる液体金属または合金を加速することができます。最高の性能（推力効率と推力比の点で）は、セシウム（Cs、133 amu）やルビジウム（Rb、85.5 amu）などの高原子量のアルカリ金属を使用することで得られます。これらの推進剤は、イオン化ポテンシャルが低く（Csの場合は3.87 eV、Rbの場合は4.16 eV）、融点が低く（Csの場合は28.7 °C、Rbの場合は38.9 °C）、濡れ性が非常に優れています。[9]
これらの特徴により、イオン化と加熱による電力損失が少なくなり、供給目的で毛細管力を利用することができるため、加圧タンクもバルブも不要になります。さらに、アルカリ金属はイオン化された液滴や多価イオンを形成する姿勢が最も低いため、達成可能な最高の質量効率が得られます。実際の推力は、エミッターの先端での電界蒸発によって生成された、主に単一イオン化されたセシウムまたはルビジウム原子からなるビームを排出することによって生成されます。
加速電極 (加速器) は、エミッターのすぐ前に配置されます。この電極は、2 つの鋭い刃が機械加工された金属 (通常はステンレス鋼) プレートで構成されています。推力が必要な場合、エミッターと加速器の間に高電圧差を適用することで、強力な電界が生成されます。この状態では、静電力と表面張力の複合効果により、液体金属の自由表面が局所的に不安定な状態になります。こうして、一連の突出したカスプ、つまり「テイラー コーン」が作成されます。電界が 10 9 V/m のオーダーの値に達すると、カスプの先端にある原子が自発的にイオン化し、電界によってイオン ジェットが抽出され、電子は液体の大部分に排除されます。外部の電子源 (中和器) は、スラスター アセンブリ全体の電気的中性を維持するために負の電荷を提供します。
スリットエミッター
電界イオン化または電界蒸発に基づく液体金属イオン源（LMIS）は、1960年代後半に導入され、多くの用途に使用できるシンプルで安価なイオン源として急速に普及し、1972年に欧州宇宙機関は液体金属イオン源を使用した電界放出原理に基づく電気推進システムの開発を開始しました。[10]ガリウム、インジウム、アルカリ金属または合金で動作するLMISの使用は、1970年代から 二次イオン質量分析（SIMS）の標準的な方法でもあります。
ニードル型、毛細管型、スリット型など、さまざまな電界エミッタ構成がありますが、動作原理はすべてのケースで同じです。たとえば、スリットエミッタでは、液体金属推進剤が毛細管力によって狭いチャネルを通って供給されます。エミッタはステンレス鋼で作られた2つの同一の半分で構成され、クランプまたはネジで固定されています。[11]エミッタの半分の1つにスパッタ堆積されたニッケル層が、必要なチャネルの輪郭を描き、チャネルの高さ（別名スリット高さ、通常1～2 μm）とチャネルの幅（別名スリット長、1 mmから約7 cmの範囲）を決定します。[11]チャネルはエミッタの先端で終わります。エミッタの先端は鋭いエッジで形成され、負電極または加速電極の反対側にあり、エミッタの先端から小さなギャップ（約0.6 mm）で分離されています。2つの電極間には抽出電圧が印加されます。エミッタは正電位を持ち、加速器は負電位です。エミッターと加速器の間に生成される電界が液体金属推進剤に作用します。
スリット幅が狭いため、毛細管供給が可能になるだけでなく、加速器の真向かいの鋭いチャネル エッジと組み合わせると、スリット出口付近で高い電界強度が得られるようになります。液体金属柱は、この電界にさらされると変形し始め、液体の表面から突き出たカスプ (テイラー コーン) を形成します。液体カスプが電界の作用によりさらに鋭いコーンを形成するにつれて、これらのカスプ付近の局所的な電界強度が強まります。局所的な電界強度が約 10 9 V/m に達すると、電子が金属原子から剥ぎ取られます。これらの電子は、チャネル壁によって液体金属柱を通して収集され、正イオンは、それらを生成したのと同じ電界によって、負の加速器電極のギャップを通って液体から加速されます。
スリット エミッターは、スラスターの放出面積を拡大してより高い推力レベルを実現し、単一エミッターで見られる不規則な動作を回避するために開発されました。スリット エミッターがスタック ニードルより優れている点は、動作パラメータに従って液体金属表面上の放出部位の形成と再分配を制御する自己調整メカニズムにあります。一方、スタック ニードル アレイでは、テイラー コーンは固定された先端にのみ存在し、特定の動作条件にのみ一致する幾何学的配置が事前に構成されます。
その他のデザイン
さまざまなスリット幅のスリットエミッターが製造されており、現在はスリット幅が 2 mm から 7 cm のデバイスが利用可能です。これらのデバイスの推力範囲は 0.1 μNから2 mNで、セシウムまたはルビジウムで動作します。
標準的なCubeSatシャーシに収まる、王冠型エミッターを備えた小型FEEPモジュール設計が2017年に報告されました。
0.5 mNのシングルエミッタFEEP設計は市販されており[12]、そのアレイバージョンの開発は2018年に完了に近づいています。[13]
参考文献
- ^ Massotti, L. (2021).次世代重力ミッションとインジウム供給mN-FEEPスラスタの適格性評価。CEAS Space Journal。p. 2。
- ^ Basu, Sourav (2010).宇宙衛星の電気推進システムに関する分析レビュー。INCAS。p. 7。
- ^ DeFelice, David (2004年12月7日). 「NASA - イオン推進：より遠く、より速く、より安く」www.nasa.gov。2020年11月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年2月3日閲覧。
- ^ FEEP実現可能性報告書(PDF)。欧州宇宙機関 (ESA) (報告書)。 2004年3月14日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2018年9月26日閲覧。
- ^ 「重力場と定常海洋循環探査機（GOCE）」（PDF）。欧州宇宙機関（ESA） 。 2004年3月14日時点のオリジナル（PDF）よりアーカイブ。2018年9月26日閲覧。
- ^ Krejci, David. 低軌道におけるIFMナノFEEPスラスタの実証。ResearchGate（レポート） 。 2019年3月27日閲覧。
- ^ Massotti, L. (2021).次世代重力ミッションとインジウム供給mN-FEEPスラスタの適格性評価。CEAS Space Journal。p. 7。
- ^ Marcuccio, S.; Genovese, A.; Andrenucci, M. (1998年9月～10月). 「電界放出型マイクロスラスタの実験的性能」(PDF) . Journal of Propulsion and Power . 14 (5): 774–781. doi :10.2514/2.5340. 2013年5月20日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
- ^ Kramida, A.; Ralchenko, Yu.; Reader, J.; および NIST ASD チーム (2023 年 2 月 5 日)。「NIST 原子スペクトル データベース (バージョン 5.10)、[オンライン]」。NIST 原子スペクトル データベース。2023 年2 月 5 日閲覧。
- ^ ミッテラウアー、J. (1987)。電気空間推進用のスラスターとしての液体金属イオン源。 Journal de Physique Colloques。 p. 173.
- ^ ab Mitterauer、J. (1987)。電気空間推進用のスラスターとしての液体金属イオン源。 Journal de Physique Colloques。 p. 172.
- ^ 「キューブサット用IFMナノスラスタ 30,000ユーロ」。キューブサットショップ。
- ^ 「IFM 350 ナノスラスタ - IOD」。欧州宇宙機関 (ESA)。
外部リンク
- 「FEEP – 電界放出電気推進」。Alta SpA。2011年7月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- 「FEEPスラスタ」。非平衡ガスおよびプラズマダイナミクスグループ。ミシガン大学。2009年2月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。