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イオン推進器、イオンドライブ、またはイオンエンジンは、宇宙船の推進に使用される電気推進の一種です。イオン推進器は、中性ガスをイオン化して原子から電子を抽出し、正イオンの雲を生成します。生成されたイオンは電気によって加速され、推力が発生します。イオン推進器は、静電式と電磁式に分類されます。
静電推進器のイオンは、クーロン力によって電場の方向に沿って加速されます。一時的に蓄積された電子は、イオン雲が静電グリッドを通過した後、中和器によってイオン雲に再注入されるため、ガスは再び中性になり、推進器との電気的な相互作用なしに空間に自由に拡散することができます。
対照的に、電磁推進器のイオンはローレンツ力によって加速され、電荷に関係なくすべての種（自由電子、正イオン、負イオン）を同じ方向に加速します。これは特にプラズマ推進エンジンと呼ばれ、電場は加速方向とは一致しません。[ 1 ] [ 2 ]
稼働中のイオン推進器は通常、1～7 kWの電力を消費し、排気速度は約 20～50 km/s (12～30 mi/s、I sp 2000～5000 s) で、推力は 25～250 mN、推進効率は 65～80% です。[ 3 ] [ 4 ]実験用イオン推進器は100 kW (130 hp)、5 N (1.1 lb f )を達成しています。[ 5 ]
1998年のディープスペース1号探査機はイオン推進器で速度を4.3 km/s (2.7 mi/s)変化させ、73.4 kg ( 162 lb)のキセノンを消費した。[ 6 ] 2007年のドーン探査機は、効率は劣るものの、11.5 km/s (7.1 mi/s)の速度変化を達成し、 425 kg (937 lb)のキセノンを消費した。[ 7 ]
用途としては、軌道衛星の姿勢と位置の制御（一部の衛星には数十個の低出力イオンスラスタが搭載されている）、低質量ロボット宇宙船（ディープスペース1号やドーンなど）の主推進エンジンとしての使用[ 3 ] [ 4 ] 、有人宇宙船や宇宙ステーション（天宮など）の推進スラスタとしての使用[ 8 ]などがある。
イオンエンジンは、一般的に宇宙の真空中でのみ実用的です。エンジンの推力はごくわずかで、根本的な設計変更（「大気呼吸電気推進」コンセプトに見られるような）なしには、大きな空気抵抗を克服できないためです。マサチューセッツ工科大学（MIT）は、超軽量材料と低抗力翼を使用して、地上レベルで短距離を低速で飛行できる設計を作成しました。イオンエンジンは通常、表面重力が大きい天体からの初期離陸を達成するのに十分な推力を発生させることができません。[ 9 ]これらの理由から、宇宙船は初期軌道に到達するために、従来の化学ロケットやロケット以外の打ち上げ技術などの他の方法に頼る必要があります。
ロバート・H・ゴダードは1906年に電気推進の使用を初めて提案し、後にスミソニアン博物館向けの「さらなる開発に関する報告書」[ 10 ]という文書でそのアイデアを拡張し、1920年（US1363037、電気化されたガスジェットを生成する方法および手段）と1931年（US1809115、イオンを生成する装置）に2つの初期特許を提出した。1910年から1928年にかけて、彼は宇宙旅行のためのイオン推進の実現可能性を判断することを目的とした実験で電気装置を使用した断続的な作業を行った。イオンコレクターとイオン推進テストチューブは国立航空宇宙博物館に保存されている。1925年から1926年にかけて、彼は2人の学生をこのテーマで一緒に働かせ、独立した結果を得た。[ 11 ]この技術は高高度のほぼ真空の条件下で推奨されたが、大気圧下での電離空気流による推力も実証された。このアイデアはヘルマン・オーベルトの『宇宙船への道』 （1929年）[ 12 ]で再び登場し、彼は電気推進による質量削減に関する考えを説明し、宇宙船の推進と姿勢制御へのその使用を予測し、帯電ガスの静電加速を提唱した。[ 13 ]
イオン推進宇宙船の概念は、 1947年にアメリカのジャック・ウィリアムソンによるSF小説で初めて広く知られるようになった。[ 14 ]その後、SF小説の定番となった。
1959年、NASAグレン研究センターの施設でハロルド・R・カウフマンによって実用的なイオン推進器が作られた。これはグリッド型静電イオン推進器に似ており、推進剤として水銀が使われていた。1960年代と1964年に準軌道試験が行われ、エンジンはスペース電気ロケット試験1号機（SERT-1）に搭載されて準軌道飛行に送られた。[ 15 ] [ 16 ]計画通り31分間正常に作動した後、地球に落下した。[ 17 ]この試験に続いて、1970年に軌道試験SERT-2が行われた。[ 18 ] [ 19 ]
1964年10月12日、ボスホート1号は宇宙船の外側に取り付けられたイオン推進器の試験を実施した。[ 20 ]
電気推進の別の形態であるホール効果スラスタは、1950年代と1960年代に米国とソビエト連邦で独自に研究されました。ホール効果スラスタは、1972年から1990年代後半までソビエト衛星で運用され、主に衛星の南北方向と東西方向の安定化に使用されました。約100～200基のエンジンがソビエトおよびロシアの衛星でミッションを完了しました。[ 21 ]ソビエトスラスタの設計は、弾道ミサイル防衛機構の支援を受けた電気推進専門家チームがソビエト研究所を訪問した後、1992年に西側に紹介されました。
イオン推進器は、運動量保存の法則に従って、イオン（電気的に帯電した原子または分子）のビームを用いて推力を発生させます。イオンの加速方法は様々ですが、いずれの設計もイオンの電荷／質量比を利用しています。この比率により、比較的小さな電位差でも高い排気速度が得られます。これにより、必要な反応質量または推進剤の量は減少しますが、化学ロケットに比べて必要な比推力は増加します。したがって、イオン推進器は高い比推力を実現できます。推力が低いことの欠点は、電気動力ユニットの質量が出力に直接比例するため、加速が低いことです。この推力の低さから、イオン推進器は宇宙船を軌道に投入するには不向きですが、長期間にわたる宇宙空間での推進には効果的です。
イオン推進器は、静電推進器と電磁推進器に分類される。主な違いは、イオンを加速する方法にある。
イオン推進器の電力は通常、太陽電池パネルによって供給されます。ただし、太陽から十分に離れた場所では、原子力発電が使用される場合があります。いずれの場合も、電源の質量は供給可能な最大電力に比例し、この用途においては、どちらの方式もエネルギーにほとんど制限がありません。[ 22 ]
電気推進器は推力が低い傾向があり、その結果、加速も低くなります。地球の標準重力加速度、そしてこれは分析できる。92 mNの推力を発生させるNSTARスラスタ[ 23 ]は、質量1トンの衛星を0.092 N / 1000 kg = 9.2 × 10 −5 m/s 2 (または9.38 × 10 −6 g )だけ加速する。しかし、この加速は化学ロケットの非常に短い燃焼とは対照的に、数ヶ月または数年間持続することができる。
どこ：
イオン推進器は、電気推進式の宇宙船推進装置の中で最も有望なタイプではありませんが、これまでのところ実用上最も成功しています。[ 4 ]イオン推進器では、真空中で自動車を高速道路の速度まで加速するのに2日かかります。特に推力などの技術的特性は、文献に記載されているプロトタイプに比べてかなり劣っています。[ 3 ] [ 4 ]技術的能力は、イオンによって生成される空間電荷によって制限され、推力密度（エンジンの断面積あたりの力）が制限されます。 [ 4 ]イオン推進器は、従来の化学ロケットに比べて推力レベルは小さいですが（たとえば、ディープスペース1の推力は紙1枚の重さにほぼ等しい） [ 4 ] 、排気を高速に加速することで、高い比推力（推進剤質量効率とも呼ばれる）を達成します。排気に与えられるパワーは排気速度の2乗に比例して増加しますが、推力の増加は線形です。逆に、化学ロケットは高い推力を提供するが、推進剤に化学的に蓄えられるエネルギー量が少ないため、総インパルスは制限される。 [ 24 ]適切な動力源の実際の重量を考慮すると、イオンスラスタからの加速度は、標準重力の1000分の1未満であることが多い。しかし、イオンスラスタは電気（または静電）モーターとして動作するため、入力電力のより大きな割合を運動エネルギーに変換します。化学ロケットは熱機関として動作し、カルノーの定理によって排気速度が制限されます。
グリッド型静電イオン推進器の開発は1960年代に始まり[ 25 ]、それ以来、商用衛星の推進[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]や科学ミッション[ 29 ] [ 30 ]に使用されてきました。その主な特徴は、推進剤のイオン化プロセスがイオン加速プロセスから物理的に分離されていることです[ 31 ] 。
イオン化プロセスは放電室で行われ、推進剤に高エネルギー電子を照射することで、伝達されたエネルギーによって推進剤ガスの原子から価電子が放出されます。これらの電子は、高温の陰極フィラメントから供給され、電位差によって陽極に向かって加速されます。あるいは、交流電磁石によって生成される振動誘導電場によって電子を加速することも可能で、この場合、陰極を用いずに自己持続放電が実現します（高周波イオン推進器）。
正に帯電したイオンは、2つまたは3つの多開口グリッドからなるシステムによって抽出される。プラズマシース付近でグリッドシステムに入ったイオンは、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る）間の電位差によって加速され、最終的に（通常）1～2keVのイオンエネルギーとなり 、推力が発生する。
イオン推進器は正に帯電したイオンのビームを放出します。宇宙船が電荷を蓄積しないように、エンジンの近くに別の陰極を配置してイオンビームに電子を放出し、推進剤を電気的に中性に保ちます。これにより、イオンビームが宇宙船に引き寄せられて戻ってくるのを防ぎ、推力の相殺を防ぎます。[ 17 ]
グリッド型静電イオン推進器の研究（過去／現在）：
ホール効果スラスタは、円筒形のアノードと負に帯電したプラズマ（カソード）との間の電位差を利用してイオンを加速します。推進剤（通常はキセノン）の大部分はアノード付近に導入され、そこでイオン化されてカソードに向かって流れます。イオンはカソードに向かって加速され、カソードを通過する際に電子を拾い上げてビームを中和し、高速でスラスタから放出されます。
陽極は円筒管の一端にあります。中央にはスパイクがあり、それが巻かれて周囲の管との間に放射状の磁場を生成します。イオンは質量が大きすぎるため、磁場の影響をほとんど受けません。しかし、スパイクの端付近で生成されて陰極を形成する電子は磁場に捕捉され、陽極への引力によってその場に留まります。一部の電子はホール電流でスパイクの周りを循環しながら陽極に向かって螺旋状に落下します。陽極に到達すると、電荷を帯びていない推進剤に衝突してイオン化させ、最終的に陽極に到達して回路を完成させます。[ 34 ]
電界放出型電気推進（FEEP）スラスタは、セシウムまたはインジウム推進剤を使用する場合があります。設計は、液体金属を貯蔵する小型推進剤リザーバー、液体が流れる細いチューブまたは平行板のシステム、およびチューブ端から約 1 ミリメートル先にある加速器（金属板のリングまたは細長い開口部）で構成されます。セシウムとインジウムは、原子量が大きく、イオン化ポテンシャルが低く、融点が低いため使用されます。液体金属がチューブの端に達すると、エミッタと加速器の間に印加された電界により、液体の表面が一連の突出した尖頭、またはテイラーコーンに変形します。十分に高い印加電圧で、正イオンがコーンの先端から抽出されます。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]エミッタと加速器によって生成された電界は、イオンを加速します。外部の電子源が正に帯電したイオンの流れを中和して、宇宙船の帯電を防ぎます。
パルス誘導スラスタ（PIT）は、連続推力ではなくパルスを使用し、メガワット（MW）オーダーの電力レベルで動作することができます。PITは、推進ガスを放出する円錐形のチューブを囲む大きなコイルで構成されています。最も一般的に使用されるガスはアンモニアです。各パルスごとに、コイルの後ろにあるコンデンサ群に大きな電荷が蓄積され、その後放出されます。これにより、jθの方向に円を描くように移動する電流が生成されます。この電流は、外向きの半径方向（Br）に磁場を生成し、放出されたばかりのガスに元の電流とは逆方向に電流を生成します。この逆方向の電流によってアンモニアがイオン化されます。正に帯電したイオンは、ローレンツ力によって磁場Brを横切る電場jθによってエンジンから遠ざかるように加速されます。[ 38 ]
磁気プラズマダイナミクス（MPD）スラスタとリチウムローレンツ力加速器（LiLFA）スラスタは、ほぼ同じ原理に基づいています。LiLFAスラスタはMPDスラスタをベースにしています。推進剤としては、水素、アルゴン、アンモニア、窒素などが使用できます。特定の構成では、低地球軌道（LEO）の周囲ガスを推進剤として使用することも可能です。ガスは主チャンバーに入り、陽極と陰極間の電場によってプラズマにイオン化されます。このプラズマは陽極と陰極の間で電流を流し、回路を閉じます。この新しい電流によって陰極の周囲に磁場が発生し、それが電場と交差することで、ローレンツ力によってプラズマが加速されます。
LiLFAスラスタは、MPDスラスタと基本的な考え方は同じですが、2つの大きな違いがあります。まず、LiLFAは固体として貯蔵できるリチウム蒸気を使用します。もう1つの違いは、単一のカソードが、中空のカソードチューブに詰め込まれた複数のより小さなカソードロッドに置き換えられていることです。MPDカソードは、プラズマとの絶え間ない接触により容易に腐食します。LiLFAスラスタでは、リチウム蒸気は中空のカソードに注入され、チューブから出るまでプラズマ状にイオン化されず、カソードロッドを腐食しません。その後、プラズマは同じローレンツ力を使用して加速されます。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]
電極なしプラズマスラスタには、陽極と陰極電極の除去とエンジンのスロットル制御という2つの独自の機能があります。電極の除去により、他のイオンエンジンの寿命を制限する侵食がなくなります。中性ガスはまず電磁波によってイオン化され、次に別のチャンバーに移送され、そこでポンドロモーティブ力としても知られる振動する電場と磁場によって加速されます。このイオン化段階と加速段階の分離により、推進剤の流れをスロットル制御することができ、それによって推力の大きさと比推力値が変化し、
ヘリコン二重層スラスタは、高速の電離ガスを噴射して推力を得るプラズマスラスタの一種です。この設計では、ガスは片端が開いた管状のチャンバー（ソースチューブ）に注入されます。無線周波数交流電力（試作機では13.56MHz ）が、チャンバーを囲むように巻かれた特殊な形状のアンテナに結合されます。アンテナから放射される電磁波によってガスが破壊され、プラズマが生成されます。アンテナはプラズマ中にヘリコン波を励起し、プラズマをさらに加熱します。この装置はソースチューブ内にほぼ一定の磁場（試作機ではソレノイドによって供給）を持ちますが、磁場はソース領域から離れるにつれて発散し、急速に減衰するため、一種の磁気ノズルと考えることができます。動作中は、ソース領域内の高密度プラズマと排気口の低密度プラズマが鋭い境界で分離され、これは電位の急激な変化を伴います。この境界（電流のない電気二重層として知られる）を境にプラズマの特性は急速に変化する。発生源領域内部の電位は排気領域内部よりもはるかに高く、これによりほとんどの電子が閉じ込められ、イオンが発生源領域から加速される。十分な数の電子が発生源領域から脱出することで、排気領域のプラズマは全体として中性となる。
提案されている可変比推力マグネトプラズマロケット（VASIMR）は、電波を使用して推進剤をプラズマにイオン化し、磁場を使用してプラズマをロケットエンジンの後部から加速して推力を発生させることで機能します。VASIMRは現在、テキサス州ヒューストンに本社を置くAd Astra Rocket Companyによって開発されており、カナダに拠点を置くNautelが推進剤のイオン化用の200kW RFジェネレータを製造しています。コンポーネントの一部と「プラズマシュート」実験は、コスタリカのリベリアにある研究所でテストされています。このプロジェクトは、元NASA宇宙飛行士のFranklin Chang-Díaz（CRC-USA）が率いています。200kWのVASIMRテストエンジンは、宇宙でのVASIMRのテスト計画の一環として、国際宇宙ステーションの外部に取り付けることが検討されていました。しかし、このISSでの試験計画は2015年にNASAによって中止され、代わりにAd Astraが自由飛行VASIMR試験について検討している。[ 44 ]想定される200MWエンジンは、地球から木星または土星への飛行時間を6年から14ヶ月に、火星への飛行時間を7ヶ月から39日に短縮できる可能性がある。[ 45 ]
1980年代から1990年代にかけて、 NASAルイス研究センターからの研究助成金の下、マーティン・C・ホーレーとジェス・アスムッセンはエンジニアチームを率いてマイクロ波電気熱推進器（MET）の開発を行った。[ 46 ]
放電室では、マイクロ波（MW）エネルギーが高濃度のイオンを含む中心部（I）に流入し、気体推進剤中のニュートラル種をイオン化します。励起されたニュートラル種は、低イオン領域（II）を通ってニュートラル領域（III）へと流出し（FES）、そこでイオンは再結合を完了し、ニュートラル種の流れ（FNS）によって中心部へと置き換えられます。一方、エネルギーは熱伝導と対流（HCC）および放射（Rad）によって放電室の壁に失われます。残りのエネルギーは気体推進剤に吸収され、推力に変換されます。
アルファ粒子（He 2+）に基づく理論的な推進システムが提案されている。または4 2 He 2+（+2の電荷を持つヘリウムイオンを示す）が放射性同位体からチャンバーの穴を通して一方向に放出される。中和電子銃は、アルファ粒子の相対論的速度が高いため、数百万秒オーダーの高い比推力を持つ微量の推力を生み出す。[ 47 ]
この方式の変形版では、グラファイトをベースとしたグリッドに静的な直流高電圧を印加することで推力を増加させます。これは、グラファイトが固体エミッターから適切な波長の短波長紫外線を照射すれば、アルファ粒子に対して高い透過性を示すためです。また、この方式では低エネルギーで半減期の長い線源を使用できるため、宇宙用途には有利です。さらに、電子の平均自由行程を長くする方法として、ヘリウムを充填することも提案されています。
イオン推進器は推力が低いため、特定のミッションに必要な速度変化（ Δv ）を達成するには、長時間の連続運転が必要となる。イオン推進器は、数週間から数年にわたる連続運転を可能にするように設計されている。
静電イオン推進器の寿命は、いくつかのプロセスによって制限される。
静電グリッド設計では、ビームイオンと中性ガス流によって生成された電荷交換イオンが負にバイアスされた加速器グリッドに向かって加速され、グリッドの侵食を引き起こす可能性があります。寿命は、グリッド構造が破損するか、グリッドの穴が大きくなりイオン抽出が著しく影響を受ける（例えば、電子の逆流が発生する）かのいずれかの時点で到来します。グリッドの侵食は避けられず、寿命を制限する主要因となります。グリッドの設計と材料選定を徹底的に行うことで、20,000時間以上の寿命を実現できます。
NASAの太陽技術応用準備（NSTAR）静電イオン推進器の試験では、最大出力で30,472時間（約3.5年）の連続推力が得られました。試験後の検査では、エンジンが故障に近づいていないことが示されました。[ 79 ] [ 3 ] [ 4 ] NSTARはドーン探査機で何年も稼働しました。
NASAの進化型キセノンスラスタ（NEXT）プロジェクトは、48,000時間以上連続運転されました。[ 80 ]この試験は高真空試験室で行われました。5年半以上続いたこの試験期間中、エンジンは約870キログラムのキセノン推進剤を消費しました。同様の用途でこのエンジンが生み出す総推力は、従来のロケット推進剤で10,000キログラム以上必要になります。
ホール効果スラスタは、高エネルギーイオンの衝突によりセラミック放電室が激しく侵食されるという問題があります。2010年に報告された試験では、 100時間の動作で約1mmの侵食が見られましたが、これは数千時間という軌道上での観測寿命とは矛盾しています。[ 81 ]
先進電気推進システム（AEPS）は、約5,000時間の累積が見込まれており、設計では少なくとも23,000時間の半減期[ 82 ]と約50,000時間の完全寿命[ 83 ]を提供する飛行モデルを実現することを目指している。
イオン化エネルギーは、イオンドライブを稼働させるのに必要なエネルギーの大部分を占める。したがって、理想的な推進剤はイオン化しやすく、質量/イオン化エネルギー比が高い。さらに、推進剤はスラスタを大きく侵食せず、長寿命を可能にし、機体を汚染しないことが求められる。[ 84 ]
多くの設計では、イオン化しやすく、原子番号が比較的高く、不活性で侵食が少ないキセノンガスが使用されています。しかし、キセノンは世界的に供給が不足しており、高価です（2021年時点で1kgあたり約3,000ドル）。 [ 85 ]
旧型のイオン推進器設計では水銀推進剤が使用されていた。しかし、水銀は有毒で、宇宙船を汚染する傾向があり、正確に供給するのが困難だった。現代の商用プロトタイプでは水銀をうまく使用している可能性があるが[ 86 ] 、2022年に水銀に関する水俣条約により水銀は推進剤として正式に禁止された[ 87 ]。
2018年から2023年にかけて、スターリンクインターネット衛星に搭載されたホール効果スラスタの燃料としてクリプトンが使用されました。これは、従来のキセノン推進剤よりもコストが低いことが一因です。[ 88 ]その後、スターリンクV2ミニ衛星はアルゴンホール効果スラスタに切り替え、比推力が向上しました。[ 89 ]
ビスマスやヨウ素などの他の推進剤は、ホール効果スラスタ[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]のようなグリッドレス設計とグリッド付きイオンスラスタ[ 90 ]の両方で有望である。
ヨウ素は、2020年11月に打ち上げられた北航空宇宙1号ミッションに搭載されたThrustMe社のNPT30-I2グリッドイオンスラスタで、宇宙空間で初めて推進剤として使用され、[ 91 ] [ 92 ] [ 93 ] 1年後にNature誌に詳細なレポートが掲載された。[ 94 ]火星電離層研究衛星アレイ（MARS-CAT）ミッションで使用されるCubeSat両極性スラスタ（CAT）も、貯蔵量を最小限に抑えるために固体ヨウ素を推進剤として使用することを提案している。[ 74 ] [ 75 ]
VASIMR設計（およびその他のプラズマエンジン）は、理論的にはほぼあらゆる材料を推進剤として使用できる。しかし、試験結果によると、最も実用的な推進剤はアルゴンであり、これは比較的豊富で安価である。
イオン推進器の効率は、1秒間に放出される排気ジェットの運動エネルギーを、装置に入力される電力で割った値である。
システム全体のエネルギー効率は推進効率によって決まり、推進効率は機体速度と排気速度に依存します。一部のスラスタは動作中に排気速度を変化させることができますが、すべてのスラスタは異なる排気速度で設計できます。比推力I spが低い場合、イオン化に消費されるエネルギーの割合が大きくなるため、全体の効率が低下します。一方、比推力が高い場合、推進効率が低下します。
あらゆる任務において、総コストを最小限に抑えるための最適な効率と排気速度を計算することができる。
イオン推進器は、宇宙空間における推進用途に数多く利用されています。最も効果的な用途は、大きな推力を必要としないミッション期間を有効活用することです。例えば、軌道遷移、姿勢制御、低地球軌道における抗力補正、科学ミッションにおける微調整、化学燃料などの推進剤貯蔵庫間の貨物輸送などが挙げられます。イオン推進器は、加速率が重要ではない惑星間ミッションや深宇宙ミッションにも使用できます。これらのミッションでは、速度変化は大きいものの、急速な加速は必要ないため、イオン推進器は最適なソリューションと考えられています。長時間にわたる連続的な推力によって、従来の化学ロケットよりもはるかに少ない推進剤で高速に到達できます。
イオン推進システムは、NASA ルイス(現在のグレン研究センター) の宇宙電気ロケット試験 (SERT)-1および SERT-2A ミッションによって初めて宇宙で実証されました。[ 29 ] SERT -1準軌道飛行は 1964 年 7 月 20 日に打ち上げられ、この技術が宇宙で予測どおりに動作することを成功裏に証明しました。これらは、反応物質として水銀とセシウムを使用する静電イオン推進器でした。1970 年 2 月 4 日に打ち上げられた SERT-2A [ 18 ] [ 95 ]は、2 基の水銀イオンエンジンが数千時間にわたって動作することを検証しました。[ 18 ]
イオン推進器は、静止軌道上の商用および軍事通信衛星の軌道維持に日常的に使用されている。この分野の先駆者はソビエト連邦であり、1970年代初頭から衛星に固定式プラズマ推進器（SPT）を搭載して運用を開始した。
2機の静止衛星（ESAのアルテミス、 2001～2003年[ 96 ]と米国軍のAEHF-1、2010～2012年[ 97 ]）は、化学推進エンジンが故障した後、イオン推進器を使用して軌道を変更した。ボーイング[ 98 ]は1997年に軌道維持にイオン推進器の使用を開始し、2013～2014年には化学エンジンがなく、軌道上昇にイオン推進器を使用する702プラットフォームの派生型を提供する計画を立てた。これにより、衛星の能力に応じて打ち上げ質量を大幅に削減できる。AEHF -2は化学エンジンを使用して近地点を16,330 km（10,150マイル）まで上昇させ、電気推進を使用して静止軌道に進んだ。[ 99 ]
中国の天宮宇宙ステーションにはイオン推進器が搭載されている。天河コアモジュールは化学推進器と4基のホール効果推進器によって推進され、これらは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。 [ 100 ]ホール効果推進器の開発は中国ではデリケートな話題とみなされており、科学者たちは「注目を集めることなく技術の向上に取り組んでいる」。ホール効果推進器は、加速されたイオン粒子による侵食や損傷を防ぐ努力とともに、有人ミッションの安全性を念頭に置いて作られている。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、推進器の完全性を維持するために作られた。中国科学院によると、天宮で使用されているイオン推進器は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る。[ 101 ]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推進器である。[ 8 ]
SpaceXのStarlink衛星コンステレーションは、クリプトンまたはアルゴンを動力源とするホール効果スラスタを使用して、軌道を上昇させ、軌道修正を行い、使用終了時には軌道から離脱します。[ 102 ]
欧州宇宙機関（ ESA ）の重力場・定常海洋循環探査機（GOCE）は、2009年3月16日に打ち上げられた。高度255キロメートルの低軌道で発生する空気抵抗に対抗するため、20ヶ月間のミッションを通してイオン推進を使用し、2013年11月11日に意図的に軌道離脱した。
NASAは1990年代後半から惑星間科学ミッションで使用するためにNSTARイオンエンジンを開発しました。これは1998年に打ち上げられた宇宙探査機ディープスペース1号で宇宙試験が行われました。これは科学ミッションで惑星間推進システムとして電気推進が初めて使用された例です。[ 29 ] NASAの設計基準に基づいて、ヒューズ研究所は静止衛星のステーションキーピングを行うためのキセノンイオン推進システム（XIPS）を開発しました。[ 103 ]ヒューズ（EDD）は宇宙船で使用されるNSTARスラスタを製造しました。
宇宙航空研究開発機構（JAXA）の宇宙探査機「はやぶさ」は2003年に打ち上げられ、小惑星25143イトカワとランデブーした。はやぶさは、マイクロ波電子サイクロトロン共鳴を用いて推進剤をイオン化し、耐侵食性の炭素／炭素複合材料を加速グリッドに用いた4基のキセノンイオンエンジンによって推進された。 [ 104 ]はやぶさのイオンエンジンは技術的な問題に見舞われたものの、飛行中の再構成により4基のうち1基が修理され、ミッションは無事に地球に帰還することができた。[ 105 ]
2014年に打ち上げられたはやぶさ2は、はやぶさをベースにしていた。イオン推進器も使用していた。[ 106 ]
欧州宇宙機関（ESA）の衛星SMART-1は、2003年にスネクマ社製PPS-1350 -Gホールスラスタを使用して静止トランスファ軌道（GTO）から月周回軌道へ到達するために打ち上げられました。この衛星は、軌道変更を経て月面への制御された衝突により、2006年9月3日にミッションを完了しました。この衝突によって月の可視面にできた直径3メートルのクレーターを科学者が観測できるように配慮されていました。
ドーンは2007年9月27日に打ち上げられ、小惑星ベスタと準惑星ケレスを探査した。ディープスペース1の継承キセノンイオン推進器3基（1基ずつ噴射）を使用した。ドーンのイオン推進器は、4日間連続噴射することで時速0kmから97km （60mph ）まで加速できる。 [ 107 ]ミッションは、姿勢制御用推進器のヒドラジン化学推進剤が尽きた2018年11月1日に終了した。 [ 108 ]
LISA Pathfinderは、2015年に打ち上げられたESAの宇宙機で、太陽・地球のL1点を周回する軌道に投入されました。主推進システムとしてイオン推進器は使用せず、コロイド推進器とFEEP（自由エネルギー推進）を用いて精密な姿勢制御を行っています。これらの推進装置の推力が低いため、宇宙機を段階的に正確に移動させることが可能です。LISA Pathfinderは、 LISAミッションの試験機として運用されました。ミッションは2017年12月30日に終了しました。
ESAのベピコロンボミッションは2018年10月20日に水星に向けて打ち上げられた。 [ 109 ]イオン推進器とスイングバイを組み合わせて水星に到達し、そこで化学ロケットが軌道投入を完了する。
NASAの二重小惑星軌道変更試験（DART）は2021年に打ち上げられ、NEXT-Cキセノンイオン推進器を約1000時間稼働させ、2022年9月28日に目標の小惑星に到達した。
NASAの探査機「プシケ」は2023年に打ち上げられ、 2029年8月に小惑星16プシケに到達するため、SPT-140キセノンイオン推進器を稼働させている。
CNSAの天問2号は2025年5月に打ち上げられ、[ 110 ]地球近傍小惑星469219カモオアレワと活動的な小惑星311P/PanSTARRSを探査し、カモオアレワのレゴリスのサンプルを採取した。[ 111 ]
MARS-CAT（CubeSatアンビポーラスラスタを使用した火星電離層研究衛星アレイ）ミッションは、火星の電離層を研究するための2つの6U CubeSatコンセプトミッションです。このミッションでは、過渡的なプラズマ構造、磁場構造、磁気活動、太陽風駆動との相関など、プラズマと磁気構造を調査します。[ 74 ] CATスラスタは現在RFスラスタと呼ばれ、Phase Four社によって製造されています。[ 75 ]
ジェフリー・A・ランディスは、宇宙レーザーで駆動するイオンスラスタをライトセイルと組み合わせて、星間探査機を推進することを提案した。[ 112 ] [ 113 ]
2011年3月現在 将来的に国際宇宙ステーション（ISS）で試験するために、Ad Astra VF-200 200 kW VASIMR電磁スラスタを打ち上げることが検討されていた。 [ 114 ] [ 115 ]しかし、2015年にNASAはVF-200をISSに飛ばす計画を中止した。NASAの広報担当者は、ISSは「エンジンの望ましい性能レベルにとって理想的な実証プラットフォームではなかった」と述べた。Ad Astraは、将来の宇宙での実証の後、ISSでのVASIMRスラスタの試験は選択肢として残ると述べた。[ 44 ]
VF-200はVX-200の飛行バージョンとなるはずだった。[ 116 ] [ 117 ] ISSから利用可能な電力は200kW未満であるため 、ISS VASIMRには15分間の推力パルスを可能にする微弱充電バッテリーシステムが含まれるはずだった。ISSは比較的低い高度で周回し、かなり高いレベルの大気抵抗を受けるため、定期的な高度ブーストが必要となる。ステーションキーピング用の高効率エンジン（高比推力）は価値があるだろう。理論的には、VASIMRの再ブーストにより、燃料費を現在の年間2億1000万米ドルから20分の1に削減できる可能性がある。[ 114 ] VASIMRは理論上、7500 kgの化学燃料の 代わりにわずか300 kgのアルゴンガスでISSの位置を維持できる可能性がある。排気速度が高い（比推力が高い）ため、排気速度が低い化学推進よりも少ない推進剤で同じ加速が得られる。[ 118 ]水素はISSで副産物として生成され、宇宙空間に放出される。
NASAは以前、 ISS用の50kWホール効果スラスタの開発に取り組んでいたが、2005年に開発は中止された。[ 118 ]
電力推進モジュール（PPE）は、月周回軌道ゲートウェイに搭載されるモジュールで、発電と推進機能を提供する。当初は2027年以降にファルコンヘビーで打ち上げられる予定だった。[ 119 ]おそらくNASAグレン研究センターとエアロジェット・ロケットダインが開発中の50kW先進電気推進システム（AEPS） を使用する予定だった。[ 82 ]しかし、NASAは2026年にゲートウェイ計画を中止し、代わりに月面基地の建設に注力することにしたため、スラスタの将来は不透明になった。[ 120 ]
飛行中、IPSは16,265時間の稼働時間を蓄積し、Δv = 4.3 km/s で73.4 kgのXeを消費した。
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{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)この記事には、パブリックドメインにあるこの情報源からのテキストが含まれています。高電圧グリッドによって加速され、推力を発生させ、ヨウ素の解離が相当量起こることで、高度にコリメートされたビームを生成することができる。
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