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宇宙船の推進において、ホール効果スラスタ（HET、ホールスラスタまたはホール電流スラスタとも呼ばれる）は、推進剤を電場によって加速するイオンスラスタの一種である。エドウィン・ホールの発見に基づき、ホール効果スラスタは磁場を用いて電子の軸方向の動きを制限し、それを用いて推進剤をイオン化し、イオンを効率的に加速して推力を発生させ、噴流中のイオンを中和する。ホール効果スラスタは、中程度の比推力（1,600秒）の宇宙推進技術に分類され、1960年代以降、かなりの理論的および実験的研究の恩恵を受けてきた。[ 1 ]
ホールスラスタは様々な推進剤で動作するが、最も一般的なのはキセノンとクリプトンである。その他、アルゴン、ビスマス、ヨウ素、マグネシウム、亜鉛、アダマンタンなども注目すべき推進剤である。
ホールスラスタは、排気を10～80 km/s（比推力1,000～8,000秒）の速度まで加速することができ、ほとんどのモデルは15～30 km/sで動作します。発生する推力は電力レベルに依存します。1.35 kWで動作するデバイスは約83 mNの推力を発生させます。高出力モデルは、実験室で最大5.4 Nを実証しています。 [ 2 ]キセノンホールスラスタでは、最大100 kWの電力レベルが実証されています。[ 3 ]
2009年現在、ホール効果スラスタは、入力電力レベルが1.35～10キロワット、排気速度が毎秒10～50キロメートル、推力が40～600ミリニュートン、効率が45～60パーセントの範囲であった。[ 4 ] ホール効果スラスタの用途には、軌道衛星の姿勢と位置の制御、中型ロボット宇宙機の主推進エンジンとしての使用などがある。[ 4 ]
ホールスラスタは、米国とソビエト連邦でそれぞれ独自に研究された。米国では、1960年代初頭に初めて公に説明された。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]しかし、ホールスラスタが最初に効率的な推進装置として開発されたのはソビエト連邦であった。米国では、科学者たちはグリッド型イオンスラスタの開発に注力した。
ソビエト連邦では、2種類のホールスラスタが開発された。
SPT の設計は主に A.I. モロゾフの功績である。[ 8 ] [ 9 ]宇宙で運用された最初の SPT は、ソ連のメテオ宇宙船に搭載された SPT-50 で、1971 年 12 月に打ち上げられた。これらは主に衛星の南北方向と東西方向の安定化に使用された。それ以来 1990 年代後半までに 118 基の SPT エンジンが任務を完了し、約 50 基が運用を継続した。第 1 世代の SPT エンジン、SPT-50 と SPT-60 の推力は それぞれ 20 mN と 30 mN であった。1982 年に SPT-70 とSPT-100が導入され、その推力は それぞれ 40 mN と 83 mN であった。ソ連崩壊後のロシアでは、高出力（数キロワット）のSPT-140、SPT-160、SPT-200、T-160、および低出力（500W未満）のSPT-35が導入された。[ 10 ]
ソ連およびロシアのTAL型スラスタには、D-38、D-55、D-80、D-100などがある。[ 10 ]
ソ連製のスラスタが西側諸国に導入されたのは1992年のことで、弾道ミサイル防衛機構の支援を受けたNASAのジェット推進研究所、グレン研究センター、空軍研究所の電気推進専門家チームがロシアの研究所を訪れ、SPT-100（直径100mmのSPTスラスタ）を実験的に評価したことがきっかけだった。ホールスラスタはロシアの宇宙船で引き続き使用されており、ヨーロッパやアメリカの宇宙船にも搭載されている。 アメリカの商業衛星メーカーであるスペース・システムズ/ローラル社は現在、静止軌道通信衛星にファケルSPT-100を搭載している。
1990年代初頭以来、ホールスラスタは米国、インド、フランス、イタリア、日本、ロシアで数多くの研究の対象となっており（世界中のさまざまな国で小規模な取り組みも多数行われている）、米国では、政府研究所、大学、民間企業でホールスラスタの研究が行われている。政府および政府資金によるセンターには、NASAのジェット推進研究所、NASAのグレン研究センター、空軍研究所（カリフォルニア州エドワーズ空軍基地）、エアロスペース・コーポレーションなどがある。大学には、米国空軍技術研究所[ 11 ] 、ミシガン大学、スタンフォード大学、マサチューセッツ工科大学、プリンストン大学、ミシガン工科大学、ジョージア工科大学などがある。2023年には、オリン工科大学の学生が学部生が設計した初の定常ホールスラスタを実証した。[ 12 ]日本のIHI株式会社、米国のエアロジェットとブセック、フランスのサフラン宇宙推進、ウクライナのLAJP 、イタリアのSITAEL、韓国のサトレック・イニシアティブ など、産業界では相当量の開発が行われている。
月周回軌道上でホールスラスタが初めて使用されたのは、2003年の欧州宇宙機関（ESA）の月探査ミッションSMART-1であった。
ホールスラスタは、ロシアのD-55を搭載した海軍研究所（NRL）のSTEX宇宙船で西側衛星に初めて搭載されて実証されました。宇宙空間を飛行した最初のアメリカ製ホールスラスタは、 TacSat-2技術実証宇宙船に搭載されたBusek BHT-200でした。運用ミッションでアメリカ製ホールスラスタが初めて飛行したのは、2010年8月に軍事用Advanced Extremely High Frequency GEO通信衛星に搭載されて打ち上げられたAerojet BPT-4000です。4.5 kWのBPT-4000は、宇宙空間を飛行したホールスラスタの中で最高出力でもあります。通常の軌道維持タスクに加えて、BPT-4000は宇宙船に軌道上昇機能も提供しています。X -37Bは、AEHF衛星シリーズのホールスラスタのテストベッドとして使用されました。[ 13 ]世界中のいくつかの国が、ホールスラスタ技術を商業用途向けに認定するための取り組みを続けています。世界最大の衛星コンステレーションであるSpaceXのStarlinkコンステレーションは、ホール効果スラスタを使用しています。Starlinkは当初クリプトンガスを使用していましたが、V2衛星ではより安価で広く入手可能なアルゴンに切り替えられました。[ 14 ]
地球の重力圏外へのホールスラスタの最初の展開は、2023年に小惑星帯に向けて打ち上げられ、 16プシケを探査するプシケ宇宙船であった。[ 15 ]
インドにおける研究は、公的機関と民間の研究機関および企業の両方によって行われている。
2010年、ISROはGSLV -D3ロケットに搭載されたGSAT-4衛星にホール効果イオン推進スラスタを採用した。GSAT-4には南北方向の姿勢保持用に4基のキセノン推進スラスタが搭載されていた。そのうち2基はロシア製、残りの2基はインド製だった。インド製のスラスタの推力は13mNだった。しかし、GSLV-D3は軌道投入に成功しなかった。
翌年の2014年、ISROは将来の高出力通信衛星で使用する75mN および250mNのSPTスラスタの開発を進めていた。75mNスラスタはGSAT-9通信衛星に搭載されて使用された。[ 16 ]
2021年までに、300mNのスラスタの開発 が完了した。それと並行して、RF駆動の10kW プラズマエンジンとクリプトンをベースとした低出力電気推進システムの開発も進められていた。
民間企業が宇宙分野に参入する中、Bellatrix Aerospace は商用ホール効果スラスタを発売した最初の企業となった。現在のスラスタモデルは推進剤としてキセノンを使用している。試験はインド科学大学ベンガルール校の宇宙船推進研究室で行われた。システムの寿命と冗長性を高めるためにヒーターレス陰極技術が使用された。Bellatrix Aerospace は以前に商用利用可能な最初のマイクロ波電気熱スラスタを開発しており、ISRO から受注を受けている。[ 17 ] HET の ARKA シリーズはPSLV-C55ミッションで打ち上げられた。POEM -2で試験に成功した。[ 18 ]
ホールスラスタの基本的な動作原理は、静電ポテンシャルを利用してイオンを高速まで加速することです。ホールスラスタでは、グリッドではなく、スラスタの開口端にある電子プラズマによって引力的な負電荷が供給されます。約100～300G （10～30mT ）の半径方向磁場を用いて電子を閉じ込めます。半径方向磁場と軸方向電場の組み合わせにより、電子は方位角方向にドリフトし、ホール電流が発生します。このホール電流が、この装置の名前の由来となっています。
ホールスラスタの概略図を隣の画像に示す。陽極と陰極の間には150～800ボルトの電位差が印加される。
中央の突起は電磁石の一方の極を形成し、環状の空間に囲まれており、その周囲に電磁石のもう一方の極があり、その間に放射状の磁場が存在する。
キセノンガスなどの推進剤は、ガス分配器として機能する多数の小さな穴が開いた陽極を通して供給されます。中性のキセノン原子がスラスタの流路に拡散すると、循環する高エネルギー電子（通常10～40 eV、放電電圧の約10%）との衝突によってイオン化されます。ほとんどのキセノン原子は正味電荷が+1にイオン化されますが、かなりの割合（約20%）が正味電荷+2になります。
キセノンイオンは、陽極と陰極間の電場 によって加速される。放電電圧が300Vの場合、イオンは1,500秒（15kN・s/kg）の比推力で約15km /s（9.3マイル/秒）の速度に達する。しかし、イオンが放出される際、同数の電子を引きずり込むため、正味電荷を持たないプラズマプルームが生成される。
放射状磁場は、低質量電子を大きく偏向させるのに十分な強さを持つように設計されているが、ジャイロ半径がはるかに大きい高質量イオンはほとんど影響を受けない。そのため、大部分の電子は、スラスタ出口面付近の高放射状磁場領域で軌道運動を続け、E × B（軸方向電場と放射状磁場）に閉じ込められる。この電子の軌道回転は循環するホール電流であり、ホールスラスタはその名に由来する。他の粒子や壁との衝突、およびプラズマ不安定性によって、一部の電子は磁場から解放され、陽極に向かってドリフトする。
放電電流の約20～30%は電子電流であり、推力を発生させないため、スラスタのエネルギー効率を制限します。残りの70～80%はイオンです。電子の大部分はホール電流に捕捉されるため、スラスタ内部での滞留時間が長く、キセノン推進剤のほぼすべてをイオン化することができ、質量利用率は90～99%に達します。したがって、スラスタの質量利用効率は約90%、放電電流効率は約70%となり、スラスタ全体の効率は約63%（= 90% × 70%）となります。最新のホールスラスタは、高度な設計により75%もの効率を達成しています。
化学ロケットと比較すると、推力は非常に小さく、300V、1.5kW で動作する一般的なスラスタの場合、約83mN程度です。比較のために、米国の25セント硬貨や20セントユーロ硬貨の重さは約60mNです。あらゆる形態の電気推進宇宙船と同様に、推力は利用可能な電力、効率、および比推力によって制限されます。
しかしながら、ホールスラスタは電気推進に典型的な高い比推力で動作します。グリッド型イオンスラスタと比較した場合、ホールスラスタの特筆すべき利点の1つは、イオンの生成と加速が準中性プラズマ中で行われるため、推力密度に対するチャイルド・ラングミュア電荷（空間電荷）飽和電流の制限がないことです。これにより、グリッド型イオンスラスタに比べてはるかに小型のスラスタを実現できます。
もう一つの利点は、これらのスラスタは陽極に供給される推進剤の種類が幅広く、酸素も使用できることであるが、陰極には容易にイオン化される物質が必要である。[ 19 ]
ホール効果スラスタにおける荷電粒子の運動は、ローレンツ力によって支配される。
どこは粒子電荷であり、電場は、は粒子の速度であり、は磁場です。従来の環状ホールスラスタでは、支配的な電場はほぼ軸方向で、磁場はほぼ半径方向です。[ 20 ]交差する電場と磁場により、磁化された電子は方位角方向のE-クロスBドリフトを起こします。
このドリフトによって循環するホール電流が発生し、これがスラスタの名前の由来となっている。電子の磁化の度合いは、しばしばホールパラメータによって特徴づけられる。
どこは電子サイクロトロン周波数であり、は有効電子衝突周波数です。イオンは主に軸方向の電場によって加速されます。質量 のイオンの場合および電荷状態有効ビーム電圧によって加速されるエネルギー保存則によれば、次のようになる。
イオンビームに関連する理想的な推力、 どこはイオン質量流量です。実際には、ビームの発散、推進剤の不完全な利用、多重荷電イオン、壁損失、および推力に寄与せずに陽極に到達する電子電流などの損失によって推力は減少します。[ 21 ]
ホールスラスタでは、化学的に不活性で圧縮ガスとして貯蔵でき、使用前に気化させる必要がないため、一般的に希ガス推進剤が使用されます。キセノンは、その高い原子量と比較的低いイオン化エネルギーによりイオン化損失が低減され、効率的な推力生成をサポートするため、従来から好まれてきました。クリプトンやアルゴンなどの低コストの代替品は、推進剤の価格と供給がスラスタの最大効率と同じくらい重要になる大規模な衛星コンステレーションにとって魅力的になっています。水銀も、キセノンやクリプトンよりも重く、安価で、液体の形で貯蔵するのに効率的であるため、実験的に使用されています。[ 22 ] [ 23 ]
キセノンは、ホールスラスタを含む多くの電気推進システムの推進剤として一般的に選ばれてきました。[ 24 ]キセノン推進剤は、原子量が大きくイオン化ポテンシャルが低いため使用されています。キセノンは比較的容易に貯蔵でき、宇宙船の動作温度ではガスであるため、ビスマスなどの金属推進剤とは異なり、使用前に気化させる必要がありません。キセノンの原子量が大きいということは、質量単位あたりのイオン化に消費されるエネルギーの比率が低いことを意味し、より効率的なスラスタにつながります。[ 25 ]
クリプトンはホールスラスタの推進剤のもう1つの選択肢です。キセノンのイオン化ポテンシャルは12.1298 eVですが、クリプトンのイオン化ポテンシャルは13.996 eVです。[ 26 ]これは、クリプトンを使用するスラスタはイオン化するためにモルあたりわずかに高いエネルギーを消費する必要があり、効率が低下することを意味します。さらに、クリプトンは軽いイオンであるため、イオン化エネルギーあたりの単位質量はキセノンと比較してさらに減少します。しかし、キセノンは1キログラムあたりクリプトンの10倍以上高価になる可能性があるため、クリプトンは、元々ホールスラスタにクリプトンを使用していたSpaceXのStarlink V1のような衛星コンステレーションを構築するのに経済的な選択肢となります。[ 24 ] [ 27 ]
SpaceXは、 Starlink V2 miniの推進剤としてアルゴンを使用した新しいスラスタを開発しました。この新しいスラスタは、 SpaceXの以前のクリプトンを使用したスラスタの2.4倍の推力と1.5倍の比推力を持っています。 [ 14 ]アルゴンはクリプトンより約100倍、キセノンより1000倍安価です。[ 28 ]
上記で述べたソ連製のSPT型とTAL型に加えて、以下の種類がある。
従来の（環状）ホールスラスタはキロワット級の電力領域では効率的ですが、小型化すると効率が低下します。これは、チャネルサイズを小さくし、印加磁場強度を大きくしながら、性能スケーリングパラメータを一定に保つことが困難であるためです。このため、円筒形ホールスラスタが設計されました。円筒形ホールスラスタは、非従来型の放電室形状とそれに伴う磁場プロファイルにより、より容易に小型化できます。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]円筒形ホールスラスタは、従来の（環状）ホールスラスタよりも小型化と低電力動作に適しています。円筒形ホールスラスタの主な理由は、約 1kWから約100Wまでの広い範囲で動作し 、45～55%の効率を維持する通常のホールスラスタを実現することが困難であるためです。[ 33 ]
磁気回路を保護する放電チャネル壁とポールピースのスパッタリング侵食により、スラスタの動作が停止します。そのため、環状および円筒形のホールスラスタの寿命は限られています。磁気シールドにより放電チャネル壁の侵食が大幅に減少することが示されていますが、ポールピースの侵食は依然として懸念事項です。[ 34 ]代替案として、 外部放電ホールスラスタまたは外部放電プラズマスラスタ（XPT）と呼ばれる非従来型のホールスラスタ設計が導入されています。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]外部放電ホールスラスタには、放電チャネル壁やポールピースがありません。プラズマ放電はスラスタ構造の外側の開放空間で完全に生成および維持されるため、侵食のない動作が実現されます。
ホールスラスタは、1971年12月にソビエト連邦がメテオ衛星にSPT-50を搭載して打ち上げて以来、宇宙で飛行している。[ 38 ]それ以来、240以上のスラスタが宇宙で飛行し、成功率は100%である。[ 39 ]ホールスラスタは現在、商用LEOおよびGEO通信衛星に日常的に搭載されており、軌道投入および位置保持に使用されている。
西側衛星に搭載された最初のホールスラスタは、ロシアのTsNIIMASH社が製造したD-55で、NROのSTEX宇宙船に搭載され、1998年10月3日に打ち上げられた。[ 40 ]
欧州宇宙機関のSMART-1宇宙船の太陽光発電推進システムには、スネクマPPS-1350-Gホールスラスタが使用されました。[ 41 ] SMART - 1は、月を周回する技術実証ミッションでした。2003年9月28日に開始されたこのPPS-1350-Gの使用は、静止地球軌道（GEO）外でのホールスラスタの最初の使用でした。商用アプリケーションで使用されるほとんどのホールスラスタ推進システムと同様に、SMART-1のホールスラスタは、出力、比推力、推力の範囲でスロットル調整が可能でした。[ 42 ]放電出力範囲は0.46～1.19kW 、比推力は1,100～1,600秒、推力は30～70mNです。
SpaceX Starlink衛星群の初期の小型衛星は、位置保持と軌道離脱にクリプトンホールスラスタを使用していたが[ 27 ]、後のStarlink衛星はアルゴンホールスラスタを使用していた[ 14 ] 。
天宮宇宙ステーションにはホール効果スラスタが搭載されています。天河コアモジュールは化学スラスタと4基のイオンスラスタによって推進され、[ 43 ]ステーションの軌道を調整および維持するために使用されます。ホール効果スラスタは、加速されたイオン粒子による侵食や損傷を防ぐ努力により、有人ミッションの安全性を考慮して設計されています。磁場と特別に設計されたセラミックシールドは、損傷を与える粒子をはじき、スラスタの完全性を維持するために作られました。中国科学院によると、天宮で使用されているイオンドライブは、8,240時間連続して故障なく燃焼しており、中国の宇宙ステーションの指定された15年の寿命に適していることを示しています。[ 44 ]これは、有人ミッションで使用されている世界初のホールスラスタです。[ 45 ]
ジェット推進研究所（JPL）は、マイク・キャシディが率いるアポロ・フュージョン社に、同社の磁気シールド小型（MaSMi）ホールスラスタ技術の独占的な商業ライセンスを付与した。[ 46 ] 2021年1月、アポロ・フュージョン社は、ヨーク・スペース・システムズ社から「アポロ・コンステレーション・エンジン」と呼ばれる最新版の受注契約を獲得したと発表した。[ 47 ]
NASAの小惑星プシケ探査ミッションでは、キセノンガスホールスラスタが使用されている。[ 48 ]電力は探査機の75平方メートルのソーラーパネルから供給される。[ 49 ]
NASA初の有人ミッション用ホールスラスタは、Busek 社製の6kWホールスラスタと、L3Harris Technologies社の子会社であるAerojet Rocketdyne社製のNASA先進電気推進システム（AEPS）12.5kWホールスラスタの組み合わせとなる予定だった。 [ 50 ]これらは、NASAのアルテミス計画で中止された月軌道ゲートウェイ用のMaxar社の電力推進要素（PPE）の主推進装置として使用される予定だった。[ 51 ]ホールスラスタの高い比推力により、月軌道ゲートウェイの極軌道近直線ハロー軌道の効率的な軌道上昇と軌道維持が可能になるはずだった。
開発中のホール効果スラスタの中で最高出力（2021年現在））は、ミシガン大学の 100 kW X3 ネストチャネルホールスラスタです。スラスタの 直径は約 80 cm、重量は 230 kg で、5.4 N の推力を実証しています。 [ 52 ]
その他の高出力スラスタとしては、NASAの40kW先進電気推進システム（AEPS）があり 、これは深宇宙での大規模な科学ミッションや貨物輸送を推進することを目的としている。[ 53 ]
