ホール効果スラスタ

宇宙船の推進において、ホール効果スラスタ（HET）は、推進剤が電界によって加速されるイオンスラスタの一種です。ホール効果スラスタ（エドウィン・ホールの発見に基づく）は、ホールスラスタまたはホール電流スラスタと呼ばれることもあります。ホール効果スラスタは、磁場を使用して電子の軸方向の動きを制限し、それを使用し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生み出し、プルーム内のイオンを中和します。ホール効果スラスタは、中程度の比推力（1,600 s）の宇宙推進技術として分類され、1960年代以来、かなりの理論的および実験的研究の恩恵を受けています。^[1]

ホールスラスタはさまざまな推進剤で作動しますが、最も一般的な推進剤はキセノンとクリプトンです。その他の注目される推進剤には、アルゴン、ビスマス、ヨウ素、マグネシウム、亜鉛、アダマンタンなどがあります。

ホールスラスタは排気を10～80 km/s（比推力1,000～8,000 s）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。生成される推力は電力レベルによって異なります。1.35 kWで動作するデバイスは約83 mNの推力を生成します。高出力モデルは実験室で最大5.4 Nの推力を実証しました。^[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。

2009年現在^{[アップデート]}、ホール効果スラスタの入力電力レベルは1.35～10キロワット、排気速度は毎秒10～50キロメートル、推力は40～600ミリニュートン、効率は45～60パーセントの範囲であった。^[3] ホール効果スラスタの用途には、軌道を周回する衛星の向きと位置の制御や、中型ロボット宇宙船の主推進エンジンとしての使用などがある。^[3]

歴史

ホールスラスタは米国とソ連で独立して研究され、1960年代初頭に米国で初めて公に説明されました。^[4]^[5]^{[6]しかし、ホールスラスタが効率的な推進装置として最初に開発されたのはソ連でした。米国では、科学者は}グリッド型イオンスラスタの開発に重点を置きました。

ソビエトのデザイン

ソビエト連邦では 2 種類のホールスラスタが開発されました。

広い加速ゾーンを備えたスラスタ、SPT (ロシア語: СПД、стационарный плазменный двигатель ; 英語: SPT、静止プラズマスラスタ)設計局 Fakel
機械製造中央研究所(TsNIIMASH)の狭い加速ゾーンを備えたスラスタ、DAS (ロシア語: ДАС, двигатель с анодным слоем ; 英語: TAL、アノード層付きスラスタ) 。

SPTの設計は主にAIモロゾフによるものである。^[7]^[8]宇宙で運用された最初のSPTは、ソ連のミーティア宇宙船に搭載されたSPT-50で、1971年12月に打ち上げられた。これらは主に南北および東西方向の衛星安定化に使用された。それ以来1990年代後半までに118台のSPTエンジンがミッションを完了し、約50台が運用を継続した。第一世代のSPTエンジンであるSPT-50とSPT-60の推力は、それぞれ20mNと30mNであった。1982年には、推力がそれぞれ40mNと83mNのSPT-70とSPT-100が導入された。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と、低出力（500ワット未満）のSPT-35が導入されました。^[9]

ソ連とロシアのTAL型スラスタには、D-38、D-55、D-80、D-100などがある。^[9]

1980 年代以降、ソ連/ロシアの衛星には 200 台以上のホールスラスタが搭載されてきました。軌道上での故障は一度も発生していません。^[要出典]

非ソビエトのデザイン

ソ連製のスラスタは、1992年にNASA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弾道ミサイル防衛機構の支援を受けてロシアの研究所を訪問し、SPT-100（直径100 mmのSPTスラスタ）を実験的に評価した後、西側に導入されました。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ます。アメリカの商用衛星メーカーであるスペースシステムズ/ロラールは現在、フェイケルSPT-100をGEO通信宇宙船に搭載して飛行しています。

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、ロシアで多数の研究が行われてきました（世界中のさまざまな国で小規模な研究が多数行われています）。米国では、ホールスラスタの研究は、いくつかの政府研究所、大学、民間企業で行われています。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ります。大学には、米国空軍工科大学、^[10] 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ります。2023年には、オーリン工学部の学生が、学部生が設計した初の定常ホールスラスタを実証しました。^[11]日本のIHI株式会社、米国のAerojet社とBusek社、フランスのSNECMA社、ウクライナのLAJP社、イタリアのSITAEL社、韓国の Satrec Initiative社など、産業界ではかなりの開発が行われています。

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でした。

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宇宙船に搭載された西側の衛星で初めて実証されました。宇宙を飛んだ最初のアメリカのホールスラスタは、 TacSat-2技術実証宇宙船に搭載されたBusek BHT-200でした。アメリカのホールスラスタが実用ミッションで初めて飛行したのは、2010年8月に軍の先進超高周波静止通信衛星に搭載されて打ち上げられた Aerojet BPT -4000でした。4.5kWのBPT-4000は、宇宙で飛行した中で最も出力の高いホールスラスタでもあります。通常のステーションキーピングタスクの他に、BPT-4000は宇宙船に軌道上昇機能も提供します。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ています。^[12]世界中のいくつかの国が、ホールスラスタ技術を商業的に使用する資格を得るための取り組みを続けています。世界最大の衛星群であるSpaceX Starlink衛星群は、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衛星では価格が安く入手しやすいためアルゴンに変更されました。[ 13 ^]

ホールスラスタが地球の影響圏外で初めて展開されたのは、2023年に小惑星帯に向けて打ち上げられ、 16 Psycheを探査したPsyche宇宙船であった。^[14]

インドのデザイン

インドでは、研究は公的および民間の研究機関や企業によって行われています。

2010 年、ISRO はGSLV -D3に搭載されたGSAT-4でホール効果イオン推進スラスタを使用しました。GSLV-D3 には南北のステーションキーピング用に 4 つのキセノン駆動スラスタが搭載されていました。そのうち 2 つはロシア製で、残りの 2 つはインド製でした。インド製スラスタの定格は 13mN でした。しかし、GSLV-D3 は軌道に乗ることができませんでした。

2013年、ISROは別の種類の電気スラスタである磁気プラズマ動力学スラスタの開発に資金を提供しました。このプロジェクトではその後、推力25mNで比推力2500秒のアルゴン推進剤を使用した技術実証プロトタイプを開発しました。^[要出典]

翌年の2014年、ISROは将来の高出力通信衛星に搭載する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。^[15]

2021年までに300mNのスラスタの開発が完了しました。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ベースの低電力電気推進が追求されていました。^[16]^{[より良い情報源が必要]}

民間企業が宇宙分野に参入する中、ベラトリックス・エアロスペースは商業用ホール効果スラスタを開発した最初の民間企業となった。スラスタの現在の^モデル^は^、燃料としてキセノンを使用している。テストは、バンガロールのインド科学研究所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、ヒーターレスカソード技術が使用された。ベラトリックス・エアロスペースは、以前にも初の商業用マイクロ波電熱スラスタを開発しており、同社はISROから注文を受けた。^[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でテストに成功した。^[18]

動作原理

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使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、負の吸引電荷は、グリッドではなくスラスタの開放端にある電子プラズマによって提供されます。約 100～300 G (10～30 mT ) の放射状磁場を使用して電子を閉じ込めます。放射状磁場と軸方向の電界の組み合わせにより、電子が方位方向にドリフトし、デバイスの名前の由来となったホール電流が形成されます。

ホールスラスタの概略図を次の図に示します。陽極と陰極の間には 150 ～ 800 ボルトの電位が印加されます。

中央のスパイクは電磁石の 1 つの極を形成し、環状の空間に囲まれています。その周囲には電磁石のもう 1 つの極があり、その間に放射状の磁場が形成されています。

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ある陽極から供給されます。中性キセノン原子がスラスタのチャネルに拡散すると、循環する高エネルギー電子 (通常 10～40 eV、または放電電圧の約 10%) との衝突によってイオン化されます。キセノン原子のほとんどは +1 の正味電荷にイオン化されますが、顕著な割合 (約 20%) は +2 の正味電荷を持ちます。

キセノンイオンは、その後、陽極と陰極の間の電界によって加速されます。放電電圧が 300 V の場合、イオンは 1,500 秒 (15 kN·s/kg) の比推力で約 15 km/s (9.3 mi/s) の速度に達します。ただし、イオンは放出時に同数の電子を引き寄せ、正味電荷のないプラズマプルームを形成します。

径方向の磁場は、低質量電子を大幅に偏向させるのに十分な強さになるよう設計されているが、高質量イオンは偏向させない。高質量イオンはジャイロ半径がはるかに大きく、ほとんど妨げられない。したがって、電子の大部分は、スラスタ出口面近くの高径方向磁場領域で軌道を回ったままになり、E × B (軸方向の電場と径方向の磁場) に閉じ込められる。この電子の軌道回転が循環ホール電流であり、ホールスラスタの名前の由来となっている。他の粒子や壁との衝突、およびプラズマの不安定性により、一部の電子が磁場から解放され、陽極に向かって漂う。

放電電流の約 20～30% は電子電流で、これは推力を生成しないため、スラスタのエネルギー効率を制限します。電流の残り 70～80% はイオンです。電子の大部分はホール電流に閉じ込められるため、スラスタ内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、質量使用率は 90～99% になります。したがって、スラスタの質量使用効率は約 90% で、放電電流効率は約 70% であり、合計スラスタ効率は約 63% (= 90% × 70%) になります。最新のホールスラスタは、高度な設計により 75% という高い効率を実現しています。

化学ロケットと比較すると、推力は非常に小さく、300 V および 1.5 kW で動作する一般的なスラスタの場合、83 mN 程度です。比較すると、米国の 25 セント硬貨や 20 セントユーロ硬貨などの硬貨の重さは約 60 mN です。電気で駆動する宇宙船の推進力のあらゆる形態と同様に、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、ホールスラスタは、電気推進に典型的な高い比推力で作動します。グリッド型イオンスラスタと比較したホールスラスタの特別な利点の 1 つは、イオンの生成と加速が準中性プラズマ内で行われるため、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と比較して、はるかに小型のスラスタが可能になります。

もう一つの利点は、これらのスラスタは、陰極では容易にイオン化されるものが必要であるものの、陽極に供給されるより多様な推進剤、酸素さえも使用できることである。^[19]

推進剤

キセノン

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いる。^{[20]キセノン推進剤は、その高い}原子量と低いイオン化ポテンシャルのために使用される。キセノンは比較的貯蔵が容易であり、ビスマスなどの金属推進剤とは異なり、宇宙船の動作温度ではガスであるため、使用前に気化させる必要がない。キセノンの原子量が高いということは、質量単位あたりのイオン化に費や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る。^[21]

クリプトン

ホールスラスタの推進剤としては、クリプトンも選択肢の1つです。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。^[22]つまり、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、効率が低下します。さらに、クリプトンはより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に比べてさらに小さくなります。ただし、キセノンは1キログラムあたりクリトンの10倍以上も高価になる可能性があるため、 SpaceXのStarlink V1のような衛星群を構築するには、クリプトンのほうが経済的な選択肢となります。Starlink V1の元々のホールスラスタはクリプトンで燃料が供給されていました。^[20]^[23]

アルゴン

SpaceXは、Starlink V2 miniの推進剤としてアルゴンを使用する新しいスラスタを開発した。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と比較して、推力は2.4倍、比推力は1.5倍であった。^[13]アルゴンはクリプトンの約100倍、キセノンの約1000倍安価である。^[24]

希ガスの比較

バリエーション

前述のソビエトの SPT および TAL タイプの他に、次のタイプがあります。

円筒形ホールスラスタ

従来の（環状）ホールスラスタはキロワットの電力領域では効率的ですが、小型化すると非効率になります。これは、チャネルサイズを縮小し、印加磁場強度を増加させながら、性能スケーリングパラメータを一定に保つことに関連する困難によるものです。これが円筒形ホールスラスタの設計につながりました。円筒形ホールスラスタは、その非従来型の放電室形状と関連する磁場プロファイルにより、より小さなサイズに簡単に縮小できます。^[26]^[27]^[28]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のが難しいことです。^[29]

外部放電ホールスラスタ

磁気回路を保護する放電チャネル壁と磁極片のスパッタリング侵食は、スラスタの動作不良の原因となる。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る。磁気シールドは放電チャネル壁の侵食を大幅に削減することが示されているが、磁極片の侵食は依然として懸念事項である。^[30]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た。^[31]^[32]^[33]外部放電ホールスラスタには、放電チャネル壁や磁極片がない。プラズマ放電はスラスタ構造の外側のオープンスペースで完全に生成され持続されるため、侵食のない動作が実現される。

アプリケーション

ホールスラスタは、1971年12月にソ連がメテオ衛星にSPT-50を搭載して打ち上げて以来、宇宙を飛行しています。^[34]それ以来、240台以上のスラスタが宇宙を飛行しており、成功率は100%です。^[35]ホールスラスタは現在、商用のLEOおよびGEO通信衛星に定期的に搭載されており、軌道投入や軌道維持に使用されています。

西側の衛星に搭載された最初の^{[検証に失敗した]}ホールスラスタは、1998年10月3日に打ち上げられたNROのSTEX宇宙船に搭載されたTsNIIMASH製のロシアのD-55でした。 ^[36]

欧州宇宙機関のSMART-1宇宙船の太陽電気推進システムには、スネクマPPS-1350-Gホールスラスタが使用されました。[ 37 ] SMART ^{- 1は、}月を周回した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初めての使用でした。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、電力、比推力、および推力の範囲でスロットルできます。^[38]放電電力範囲は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維持と軌道離脱にクリプトン燃料のホールスラスタを使用していましたが^[23]、その後のStarlink衛星はアルゴン燃料のホールスラスタを使用しました^{[13] 。}

天宮宇宙ステーションにはホール効果スラスタが装備されている。天河コアモジュールは化学スラスタと4つのイオンスラスタの両方によって推進され、^[39]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る。ホール効果スラスタは、加速されたイオン粒子によって引き起こされる浸食や損傷を防ぐために、有人ミッションの安全性を考慮して作られている。有害な粒子を撃退し、スラスタの完全性を維持するために、磁場と特別に設計されたセラミックシールドが作られた。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に指定された15年の寿命に適していることを示している。^[40]これは、有人ミッションでの世界初のホールスラスタである。^[41]

ジェット推進研究所（JPL）は、マイク・キャシディ率いるアポロ・フュージョンに、磁気シールド小型（MaSMi）ホールスラスタ技術の独占商用ライセンスを付与した。^[42] 2021年1月、アポロ・フュージョンは、ヨーク・スペース・システムズと契約を結び、同社の最新版である「アポロ・コンステレーション・エンジン」を受注したと発表した。^[43]

NASAの小惑星プシケへのミッションではキセノンガスホールスラスタが利用されている。^[44]電力は宇宙船の75平方メートルのソーラーパネルから供給される。^[45]

NASAの有人ミッションにおける最初のホールスラスタは、ブセック社製の6kWホールスラスタとNASA先進電気推進システム（AEPS）ホールスラスタの組み合わせとなる。これらは、NASAのアルテミス計画の下で、ルナゲートウェイ用のマクサー社の動力推進要素（PPE）の主推進力として機能する。^{[46]ホールスラスタの高い比推力により、ルナゲートウェイの極}直線ハロー軌道の効率的な軌道上昇と軌道維持が可能となる。

開発中

開発中の最高出力ホール効果スラスタ（2021年現在）は、ミシガン大学の100kW X3ネストチャネルホールスラスタである。このスラスタは直径約80cm、重量230kgで、5.4Nの推力を実証している。^[47]

その他の高出力スラスタには、NASAの40kW先進電気推進システム（AEPS）があり、大規模な科学ミッションや深宇宙での貨物輸送を推進することを目的としています。^[48]

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外部リンク

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歴史