イオンスラスタ

イオンスラスタ、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。イオンスラスタは、中性ガスをイオン化してその原子から電子を抽出し、正イオンの雲を生成します。次に、電気を使用してイオンを加速し、推力を生成します。イオンスラスタは、静電型と電磁型に分類されます。

静電スラスタのイオンは、クーロン力によって電場方向に沿って加速されます。一時的に蓄えられた電子は、静電グリッドを通過した後、イオン雲内の中和剤によって再注入されるため、ガスは再び中性になり、スラスタとのさらなる電気的相互作用なしに空間に自由に拡散できます。

対照的に、電磁スラスタ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（自由電子と正イオンと負イオン）を同じ方向に加速し、特にプラズマ推進エンジンと呼ばれ、電界は加速の方向にはありません。^{[1] [2]}

稼働中のイオンスラスタは、通常1～7kWの電力を消費し、排気速度は約20～50km/s（I _sp 2000～5000s  ）、推力は25～250mN、推進効率は65～80%である^{[3] [4]。}ただし、実験バージョンでは100kW（130hp）、5N（1.1lbf）を達成している_。 [ ^5]

イオンスラスタを搭載したディープ・スペース1宇宙船は、74kg（163ポンド）未満のキセノンを消費しながら、速度を4.3km/s（2.7マイル/秒）変化させました。ドーン宇宙船は、11.5km/s（7.1マイル/秒）の速度変化で記録を更新しましたが、効率は半分で、425kg（937ポンド）のキセノンしか必要としませんでした。^[6]

用途としては、軌道を周回する衛星の向きや位置の制御（衛星によっては数十基の低出力イオンスラスタを搭載している）、低質量ロボット宇宙船の主推進エンジンとしての使用（ディープ・スペース1やドーンなど）^{[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などがある。^[7]

イオンエンジンは、一般的に真空宇宙でのみ実用的です。エンジンの推力が極めて小さいため、根本的な設計変更なしには大きな空気抵抗を克服できないためです。この変更は、「大気呼吸電気推進」のコンセプトに見られます。マサチューセッツ工科大学 (MIT) は、超軽量素材と低抗力の翼を使用して、地上レベルで短距離を低速で飛行できる設計を生み出しました。イオンエンジンは通常、表面重力が大きい天体から最初の離陸を達成するのに十分な推力を生成できません。これらの理由から、宇宙船は、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って、最初の軌道に到達する必要があります。

このアイデアを公に紹介する論文を書いた最初の人物は、1911年のコンスタンチン・ツィオルコフスキーでした。 ^[8]この技術は高高度の真空に近い条件での使用が推奨されていましたが、大気圧でのイオン化された空気流で推力が実証されました。このアイデアはヘルマン・オーベルトの宇宙飛行への道（ 1929年）^[9]にも再び登場し、そこで彼は電気推進による質量削減についての考えを説明し、宇宙船の推進と姿勢制御への使用を予測し、帯電ガスの静電加速を提唱しました。^[10]

1959年、NASAグレン研究センター施設でハロルド・R・カウフマンがイオンスラスタを製作した。グリッド型静電イオンスラスタに似ており、推進剤として水銀を使用した。弾道試験は1960年代から1964年にかけて実施され、エンジンはスペース・エレクトリック・ロケット・テスト1号（SERT-1）に搭載されて弾道飛行に投入された。^{[11] [12]}予定通り31分間正常に動作した後、地球に落下した。^[13]この試験に続いて1970年に軌道試験SERT-2が行われた。^{[14] [15]}

1964年10月12日、ボスホート1号は宇宙船の外部に取り付けられたイオンスラスタのテストを実施した。^[16]

電気推進の代替形態であるホール効果スラスタは、1950年代から1960年代にかけて米国とソ連で独立して研究された。ホール効果スラスタは1972年から1990年代後半までソ連の衛星で稼働し、主に南北および東西方向の衛星の安定化に使用された。約100～200基のエンジンがソ連とロシアの衛星でミッションを完了した。^{[17]ソ連のスラスタ設計は、}弾道ミサイル防衛機構の支援を受けた電気推進の専門家チームがソ連の研究所を訪問した後、1992年に西側に紹介された。

イオンスラスタは、運動量保存則に従って、イオンビーム（電荷を帯びた原子または分子）を使用して推力を生成します。イオンを加速する方法はさまざまですが、すべての設計でイオンの電荷/質量比が利用されます。この比は、比較的小さな電位差で高い排気速度を生み出すことができることを意味します。これにより、必要な反応質量または推進剤の量が減りますが、化学ロケットに比べて必要な比出力の量が増えます。そのため、イオンスラスタは高い比推力を実現できます。低推力の欠点は、電力ユニットの質量が電力量と直接相関するため、加速が低いことです。この低推力のため、イオンスラスタは宇宙船を軌道に乗せるのには適していませんが、長期間の宇宙空間での推進には効果的です。

イオンスラスタは静電型と電磁型に分類されます。主な違いはイオンを加速する方法です。

• 静電イオンスラスタはクーロン力を利用して、イオンを電界の方向に加速します。
• 電磁イオンスラスタはローレンツ力を利用して、電場に垂直な方向にイオンを加速します。

イオンスラスタの電力は通常、太陽電池パネルによって供給されます。しかし、太陽からの距離が十分に大きい場合は、原子力が使用されることもあります。いずれの場合も、電源の質量は供給可能なピーク電力に比例し、どちらもこの用途ではエネルギーにほとんど制限はありません。^[18]

電気スラスタは推力が低く、その結果加速度も低くなる傾向があります。地球の標準重力加速度を と定義し、であることに注目すると、これを分析できます。92 mN ^[19]の推力を生み出すNSTARスラスタは、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 ) 加速します。ただし、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、一度に数か月または数年間持続することができます。 ${\displaystyle 1g=9.81\;\mathrm {m/s^{2}} }$${\displaystyle F=ma\implies a=F/m}$    

$${\displaystyle F=2{\frac {\eta P}{gI_{\text{sp}}}}}$$ どこ：

• FはN単位の推力、
• ηは効率である
• Pはスラスタが使用する電力（W）であり、
• I _{sp は秒単位で表した}比推力です。

イオンスラスタは、最も将来が期待できるタイプの電動宇宙船推進装置ではありませんが、これまでで最も成功しているものです。^[4]イオンドライブでは、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。技術的な特性、特に推力は、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]}技術的な能力は、イオンによって生成される空間電荷によって制限されます。これにより、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]イオンスラスタは、従来の}化学ロケットと比較して小さな推力レベル（ディープスペース1の推力は、紙1枚の重量にほぼ等しい^[4]）を生成しますが、排気を高速に加速することにより、高い比推力、つまり推進剤の質量効率を実現します。排気に与えられる出力は排気速度の2乗で増加しますが、推力の増加は線形です。逆に、化学ロケットは高い推力を発揮しますが、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、総推力は制限されます。 ^{[20]適切な動力源の実際の重量を考えると、イオンスラスタからの加速度は}標準重力の1000分の1未満になることがよくあります。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、入力電力の大部分を運動排気電力に変換します。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スラスタの開発は1960年代に始まり^[21]、それ以来、商用衛星推進^{[22] [23] [24]}や科学ミッション^{[25] [26]}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。^[27]

イオン化プロセスは放電室で行われ、そこで推進剤に高エネルギー電子を衝突させることで、伝達されたエネルギーが推進剤ガスの原子から価電子を放出します。これらの電子は、熱陰極 フィラメントによって供給され、電位差によって陽極に向かって加速されます。あるいは、電子は、交流電磁石によって生成される振動誘導電界によって加速され、陰極なしで自立放電が発生します (無線周波数イオンスラスタ)。

正電荷を帯びたイオンは、2 つまたは 3 つの多孔グリッドで構成されるシステムによって抽出されます。プラズマ シース付近のグリッド システムに入った後、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ます) 間の電位差によって加速され、最終的にイオン エネルギー (通常 1～2 keV) に達して推力を生成します。

イオンスラスタは正電荷を帯びたイオンビームを放出する。宇宙船に電荷が蓄積しないようにするために、エンジンの近くに別の陰極を配置し、イオンビームに電子を放出して推進剤を電気的に中性に保つ。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、推力を相殺する。^[13]

グリッド型静電イオンスラスタの研究（過去/現在）：

• NASA太陽技術応用準備（NSTAR）、2.3kW、2つの成功したミッションで使用
• NASA の進化型キセノンスラスタ ( NEXT )、6.9 kW、飛行認定ハードウェアを構築、 DART ミッションで使用
• 原子力電気キセノンイオンシステム（NEXIS）
• 高出力電気推進（HiPEP）、25kW、地上で短時間のテスト例を構築して実行
• EADS 無線周波数イオンスラスタ (RIT)
• デュアルステージ4グリッド（DS4G）^{[28] [29]}

ホール効果スラスタは、円筒形の陽極と陰極を形成する負に帯電したプラズマの間の電位を利用してイオンを加速します。推進剤の大部分 (通常はキセノン) は陽極の近くに導入され、そこでイオン化して陰極に向かって流れます。イオンは陽極に向かって加速し、陰極を通過して、ビームを中和して高速でスラスタから出るときに電子を拾います。

陽極は円筒形の管の一方の端にあります。中央にはスパイクが巻かれており、周囲の管との間に放射状の磁場を発生させます。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、陰極を形成するスパイクの端近くで生成された電子は磁場に捕らえられ、陽極に引き寄せられてその場に留まります。電子の一部はスパイクの周りをホール電流で循環しながら、陽極に向かって螺旋状に落ちていきます。電子が陽極に到達すると、電荷を帯びていない推進剤に衝突してイオン化し、最終的に陽極に到達して回路を完成します。^[30]

電界放出電気推進（FEEP）スラスタは、セシウムまたはインジウムの推進剤を使用します。設計は、液体金属を貯蔵する小さな推進剤リザーバ、液体が流れる細いチューブまたは平行板のシステム、チューブの端から約1ミリメートル先の加速器（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が使用されるのは、原子量が高く、イオン化ポテンシャルが低く、融点が低いためです。液体金属がチューブの端に到達すると、エミッターと加速器の間に電界が印加され、液体表面が一連の突出したカスプ、つまり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。^{[31] [32] [33]}次に、エミッターと加速器によって生成された電界が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流を中和し、宇宙船の帯電を防ぎます。

パルス誘導スラスタ（PIT）は、連続的な推力の代わりにパルスを使用し、メガワット（MW）レベル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取り囲む大きなコイルで構成されています。アンモニアは最も一般的に使用されるガスです。各パルスごとに、コイルの後ろにあるコンデンサーのグループ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。次に、電流は外向きの半径方向（Br）に磁場を作成し、放出されたばかりのガスに元の電流とは反対方向に電流を生成します。この逆の電流がアンモニアをイオン化します。正に帯電したイオンは、ローレンツ力により、磁場Brを横切る電界jθにより、エンジンから遠ざかるように加速されます。^[34]

磁気プラズマ力学(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、ほぼ同じアイデアを使用しています。LiLFA スラスタは MPD スラスタに基づいています。水素、アルゴン、アンモニア、窒素を推進剤として使用できます。特定の構成では、低地球軌道(LEO) の周囲のガスを推進剤として使用できます。ガスはメインチャンバーに入り、そこでアノードとカソード間の電界によってプラズマにイオン化されます。次に、このプラズマがアノードとカソード間で電気を伝導し、回路を閉じます。この新しい電流によってカソード周囲に磁場が生成され、それが電界と交差して、ローレンツ力によりプラズマが加速されます。

LiLFAスラスタはMPDスラスタと同じ基本的な考え方を採用しているが、2つの主な違いがある。第一に、LiLFAは固体として保存できるリチウム蒸気を使用する。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小さなカソードロッドに置き換えられていることである。MPDカソードはプラズマと常に接触しているため、腐食しやすい。LiLFAスラスタでは、リチウム蒸気が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ない。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る。^{[35] [36] [37]}

2013年、ロシアの化学自動設計局は長距離宇宙旅行用のMPDエンジンのベンチテストに成功しました。^[38]

無電極プラズマスラスタには、アノードとカソードの電極が不要であることと、エンジンのスロットル機能という2つのユニークな特徴がある。電極が不要になることで、他のイオンエンジンの寿命を制限する腐食がなくなる。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、そこで振動する電場と磁場（ポンデロモーティブフォースとも呼ばれる）によって加速される。イオン化段階と加速段階を分離することで、推進剤の流れを絞ることができ、推力の大きさと比推力の値が変化する。^[39]

ヘリコン二重層スラスタは、高速のイオン化ガスを噴射して推力を得るプラズマスラスタの一種である。この設計では、一端が開いた管状のチャンバー（ソースチューブ）にガスを注入する。高周波交流電力（プロトタイプ設計では13.56 MHz ）が、チャンバーの周囲に巻かれた特殊な形状のアンテナに結合される。アンテナから放射される電磁波により、ガスが分解してプラズマが形成される。次に、アンテナがプラズマ内にヘリコン波を励起し、プラズマをさらに加熱する。この装置は、ソースチューブ内にほぼ一定の磁場（プロトタイプではソレノイドによって供給）を有しているが、磁場はソース領域から離れるにつれて発散して大きさが急速に減少するため、一種の磁気ノズルと考えることができる。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、電位が急激に変化する。プラズマの特性はこの境界を越えて急速に変化します。これは電流のない電気二重層として知られています。電位は排気口よりもソース領域内の方がはるかに高く、これがほとんどの電子を閉じ込めるとともにイオンをソース領域から加速させる役割を果たします。十分な電子がソース領域から逃げて、排気口のプラズマが全体的に中性になるようにします。

提案されている可変比推力磁気プラズマロケット（VASIMR）は、電波を使用して推進剤をプラズマにイオン化し、次に磁場を使用してロケットエンジンの後ろからプラズマを加速して推力を発生させるという仕組みです。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、推進剤をイオン化する200kWのRFジェネレーターを製造しているカナダのNautelの協力を得て開発されています。一部のコンポーネントと「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宇宙飛行士のフランクリン・チャンディアス（CRC-USA）が主導しています。200kWのVASIMRテストエンジンは、VASIMRを宇宙でテストする計画の一環として、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でのテスト計画は2015年にNASAによってキャンセルされ、代わりにAd Astraによって自由飛行のVASIMRテストが議論されました。^[40]構想されている200MWのエンジンは、地球から木星または土星への飛行期間を6年から14か月に、火星への飛行期間を7か月から39日に短縮することができます。^[41]

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を受けて、マーティン・C・ホーリーとジェス・アスムセンはエンジニアチームを率いてマイクロ波電熱スラスタ（MET）の開発に取り組みました。^[42]

放電チャンバーでは、マイクロ波(MW) エネルギーが高レベルのイオン(I)を含む中心部に流れ込み、ガス状推進剤中の中性種をイオン化します。励起された種は低イオン領域 (II) から中性領域 (III) に流れ出ます (FES)。ここでイオンは再結合を完了し、中性種 (FNS) の流れが中心に向かいます。一方、エネルギーは熱伝導と対流(HCC) および放射(Rad) によってチャンバーの壁に失われます。ガス状推進剤に吸収された残りのエネルギーは推力に変換されます。

アルファ粒子（He^2歳以上
または⁴
₂彼^2歳以上
電子銃は、放射性同位元素からそのチャンバーの穴を通して一方向に放出される電子（+2の電荷を持つヘリウムイオンを示す）を中和する。中和電子銃は、アルファ粒子の相対速度が高いため、数百万秒オーダーの高い比推力で微量の推力を生成する。^[43]

このバリエーションでは、グラファイトベースのグリッドに静的DC高電圧を使用して推力を増加させます。グラファイトは、固体エミッターから適切な波長の短波UV 光も照射するとアルファ粒子に対して高い透過性を持つためです。また、エネルギーが低く半減期が長いソースも可能になり、宇宙用途に有利です。ヘリウムのバックフィルも、電子の平均自由行程を増やす方法として提案されています。

イオンスラスタの推力が低いため、特定のミッションに必要な速度変化 (デルタ v )を達成するには、長時間の連続動作が必要です。イオンスラスタは、数週間から数年の間隔で連続動作できるように設計されています。

静電イオンスラスタの寿命はいくつかのプロセスによって制限されます。

静電グリッド設計では、中性ガス流によるビームイオン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グリッドに向かって加速され、グリッドの腐食を引き起こす可能性があります。グリッド構造が故障するか、グリッドの穴が大きくなり、電子の逆流が発生するなどしてイオン抽出が著しく影響を受けると、寿命が尽きます。グリッドの腐食は避けられず、寿命を制限する主な要因です。徹底したグリッド設計と材料の選択により、20,000 時間以上の寿命が実現します。

NASA太陽技術応用準備（NSTAR）静電イオンスラスタのテストでは、最大出力で30,472時間（約3.5年）の連続推進が得られました。テスト後の検査では、エンジンが故障に近づいていないことが示されました。^{[75] [3] [4] NSTARは}ドーン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。^[76]テストは高真空テストチャンバーで実施されました。5年半以上続いたテスト中に、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。生成される総インパルスには、同様の用途で10,000キログラムを超える従来のロケット推進剤が必要になります。

ホール効果スラスタは、高エネルギーイオンの衝撃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を抱えています。2010年に報告されたテスト^[77]では、100時間の運転あたり約1mmの侵食が見られましたが、これは軌道上での寿命が数千時間であることと矛盾しています。

先進電気推進システム（AEPS）は約5,000時間の稼働が見込まれており、設計では少なくとも23,000時間の半減期^[78]と約50,000時間の完全寿命を提供する飛行モデルの実現を目指しています。^[79]

イオン化エネルギーはイオン駆動に必要なエネルギーの大部分を占める。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、推進剤は長寿命を実現するために推進装置をあまり侵食せず、車両を汚染しないものでなければならない。^[80]

現在の多くの設計では、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ことから、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不足で高価です（2021年には1kgあたり約3,000ドル）。 ^[81]

いくつかの古いイオンスラスタの設計では水銀推進剤が使用されていました。しかし、水銀は有毒であり、宇宙船を汚染する傾向があり、正確に供給するのが困難でした。現代の商用プロトタイプは水銀をうまく使用している可能性があります^{[82]が、水銀は2022年に}水銀に関する水俣条約により推進剤として正式に禁止されました。^[83]

2018年から2023年にかけて、従来のキセノン推進剤よりもコストが低いこともあり、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。 ^[84]スターリンクV2ミニ衛星はその後、より高い比推力を提供するアルゴンホール効果スラスタに切り替えました。 ^[85]

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などのグリッドレス設計とグリッド付きイオンスラスタの両方に有望である。^{[61] [62] [63 ]}

ヨウ素は、2020年11月に打ち上げられた北極宇宙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初めて宇宙で推進剤として使用され、^{[87] [88] [89] 1年後に}Nature誌に詳細なレポートが掲載されました。^[90] CubeSat Ambipolar Thruster (CAT) を使用したMars Array of Ionospheric Research Satellites Using the CubeSat Ambipolar Thruster (MARS-CAT)ミッションでも、固体ヨウ素を推進剤として使用することが提案されています。^{[70] [71]}

VASIMR設計 (および他のプラズマベースのエンジン) では、理論的には実質的にあらゆる材料を推進剤として使用できます。ただし、現在のテストでは、最も実用的な推進剤は、比較的豊富で安価なアルゴンです。

イオンスラスタの効率は、1 秒あたりに放出される排気ジェットの運動エネルギーを装置に投入される電力で割った値です。

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、推進効率は車両の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えることができますが、すべて異なる排気速度で設計できます。比推力I _spの下限では、イオン化がより大きな割合のエネルギーを占めるため、全体の効率は低下し、上限では推進効率が低下します。

特定のミッションに対する最適な効率と排気速度を計算して、全体的なコストを最小限に抑えることができます。

イオンスラスタには、宇宙での推進用途が数多くあります。最適な用途は、大きな推力が必要ない場合の長いミッション間隔を利用することです。この例としては、軌道転換、姿勢調整、低地球軌道の抗力補正、科学ミッションの微調整、化学燃料などの推進剤貯蔵所間の貨物輸送などがあります。イオンスラスタは、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。イオンスラスタは、速度の大きな変化を必要としますが、急加速は必要ないため、これらのミッションに最適なソリューションと見なされています。長時間にわたる連続的な推力により、従来の化学ロケットよりもはるかに少ない推進剤の消費で高速に到達できます。

イオン推進システムは、NASAルイス（現グレン研究センター）の宇宙電気ロケット試験（SERT）-1とSERT-2Aミッションによって初めて宇宙で実証されました。^[25] SERT -1弾道飛行は1964年7月20日に打ち上げられ、この技術が宇宙で予測通りに機能することが実証されました。これらは、反応物質として水銀とセシウムを使用した静電イオン推進装置でした。1970年2月4日に打ち上げられたSERT-2A ^{[14] [91]}は、 2つの水銀イオンエンジンの数千時間の運転を検証しました。^[14]

イオン スラスタは、静止軌道上の商用および軍事用通信衛星の位置維持に日常的に使用されています。ソビエト連邦は、1970 年代初頭から衛星に 固定プラズマ スラスタ(SPT) を使用して、この分野の先駆者となりました。

2機の静止衛星（2001～2003年のESAのアルテミス^[92]と2010～2012年の米軍のAEHF-1 ^[93]）は、化学推進エンジンが故障した後、イオンスラスタを使用して軌道を変更した。ボーイング^[94]は1997年にイオンスラスタを軌道維持に使用し始め、2013～2014年には702プラットフォームの派生版を提供する予定だったが、これは化学エンジンがなく、軌道上昇用のイオンスラスタを備えていなかった。これにより、与えられた衛星能力に対して、打ち上げ質量を大幅に低減できる。AEHF -2は化学エンジンを使用して近地点を16,330 km（10,150 mi）まで上昇させ、電気推進を使用して静止軌道に進んだ。 ^[95]

中国の天宮宇宙ステーションにはイオン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つのホール効果スラスタの両方によって推進され、^[96]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の開発は中国では敏感な話題とみなされており、科学者は「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努力をしながら、有人ミッションの安全性を念頭に置いて開発されている。磁場と特別に設計されたセラミックシールドは、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作成された。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。^[97]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。^[7]

SpaceXのStarlink 衛星群は、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、軌道を上げ、操作を行い、使用終了時に軌道から離脱します。^[98]

ESAの重力場および定常海洋循環探査機(GOCE) は、2009 年 3 月 16 日に打ち上げられました。2013 年 11 月 11 日に意図的に軌道から外れるまで、20 か月のミッション中ずっとイオン推進を使用して、低軌道 (高度 255 キロメートル) で経験した空気抵抗に対抗しました。

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で宇宙テストされました。これは科学ミッションにおける惑星間推進システムとして電気推進が使用された最初の例でした。^[25] NASAの設計基準に基づいて、ヒューズ研究所は静止衛星の軌道維持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。^[99]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の 探査機「はやぶさ」は2003年に打ち上げられ、小惑星イトカワ25143に着陸した。はやぶさは4基のキセノンイオンエンジンを搭載しており、マイクロ波電子サイクロトロン共鳴を利用して推進剤をイオン化し、加速グリッドには耐腐食性の炭素/炭素複合材料を使用した。^[100]はやぶさのイオンエンジンは技術的な問題に遭遇したが、飛行中の再構成により4基のうち1基を修理することができ、ミッションは無事に地球に帰還することができた。^[101]

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おり、イオンスラスタも使用していた。^[102]

欧州宇宙機関の衛星SMART-1 は、2003 年にSnecma PPS-1350 -G ホールスラスタを使用して打ち上げられ、 GTOから月周回軌道に到達しました。この衛星は、2006 年 9 月 3 日に軌道変更を行い、月面に制御された衝突を起こしてミッションを完了しました。衝突により月の可視側にできた 3 メートルのクレーターを科学者が確認できるようにしました。

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で使われていたキセノンイオンスラスタを3基使用した（1基ずつ噴射）。ドーンのイオンドライブは4日間の連続噴射で時速0kmから97km（60mph）まで加速することができる。 ^{[103]ミッションは2018年11月1日に終了し、姿勢制御スラスタ用の}ヒドラジン化学推進剤がなくなった。 ^[104]

LISA パスファインダーは、太陽地球 L1 点を周回するために 2015 年に打ち上げられたESA の宇宙船です。主な推進システムとしてイオン スラスタは使用せず、コロイド スラスタとFEEP の両方を使用して正確な姿勢制御を行います。これらの推進装置の推力が低いため、宇宙船を正確な距離だけ移動させることができます。これはLISAミッションのテストです。ミッションは 2017 年 12 月 30 日に終了しました。

ESAのベピコロンボ計画は2018年10月20日に水星に向けて打ち上げられた。^{[105]イオンスラスタと}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のダブル小惑星リダイレクトテスト（DART）は2021年に打ち上げられ、NEXT-Cキセノンイオンスラスタを約1,000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Psyche宇宙船は2023年に打ち上げられ、 2029年8月に小惑星16Psycheに到達するためにSPT-140キセノンイオンスラスタを運用している。

2011年3月時点では、国際宇宙ステーション（ISS）での試験のために、^[update]アド・アストラVF-200 200kW VASIMR電磁スラスタの将来の打ち上げが検討されていた。 ^{[106] [107]}しかし、2015年にNASAはVF-200をISSに飛ばす計画を終了した。NASAの広報担当者は、ISSは「エンジンの望ましい性能レベルを示す理想的な実証プラットフォームではなかった」と述べた。アド・アストラは、ISSでのVASIMRスラスタの試験は、将来の宇宙での実証後も選択肢として残ると述べた。^[40]

VF-200はVX-200の飛行バージョンとなるはずだった。^{[108] [109]} ISSから得られる電力は200kW未満なので、ISS VASIMRには15分間の推力パルスを可能にするトリクル充電バッテリーシステムが搭載されるはずだった。ISSは比較的低い高度で周回しており、大気抵抗がかなり大きいため、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には高効率エンジン（高比推力）が役立つだろう。理論的にはVASIMRの再ブーストにより、燃料コストを現在の年間2億1000万ドルから20分の1に削減できる可能性がある。^[106] VASIMRは理論上、ISSの軌道維持に化学燃料7500kgの代わりにアルゴンガス300kgしか使用できない。排気速度が高い（比推力が高い）ため、排気速度が低いためにより多くの燃料を必要とする化学推進と比較して、より少ない量の推進剤で同じ加速を達成できる。^[110] 水素はISSによって副産物として生成され、宇宙に放出される。

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年に中止された。^[110]

電力・推進要素（PPE）は、月面ゲートウェイに搭載された発電および推進機能を提供するモジュールです。2024年1月に商用機で打ち上げられる予定です。^{[111]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）が使用されるでしょう。^[78]

MARS-CAT（CubeSat Ambipolar Thrusterを使用したMars Array of ionospheric Research Satellites using the CubeSat Ambipolar Thruster）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、太陽風の駆動力との相関関係など、火星のプラズマと磁気構造を調査します。^[70] CATスラスタは現在RFスラスタと呼ばれ、Phase Fourによって製造されています。^[71]

ジェフリー・A・ランディスは、宇宙ベースのレーザーで駆動するイオンスラスタと光帆を組み合わせて、星間探査機を推進することを提案した。^{[112] [113]}

• イオンエンジンのアイデアは、ドナルド・W・ホーナーの『飛行機で太陽へ：大胆な飛行士とその友人たちの冒険』（1910年）で初めて登場しました。^[114]
• イオン推進は、東ドイツ/ポーランドのSF映画『暗い船』 （1960年）に登場する宇宙船コスモクラトールの主な推進力源である。^[115] 28:10分。
• 1968年のスタートレックのエピソード「スポックの脳」では、スコッティは文明におけるイオン動力の利用に何度も感銘を受けている。^{[116] [117]}
• スターウォーズシリーズで人気の帝国軍のTIEファイター宇宙船は、ツインイオンエンジンで推進されるため、この名前が付けられました。
• アンディ・ウィアーの小説『オデッセイ』では、地球と火星の間で乗組員を輸送するために、ヘルメス宇宙船にイオン推進が使用されている。 ^[118]

• ジェット推進研究所/NASA
• コロラド州立大学電気推進・プラズマ工学（CEPPE）研究所
• ジェフリー・A・ランディス：レーザー駆動星間探査機
• Choueiri, Edgar Y. (2009) 電気ロケットの新時代 イオンドライブ 2016年10月18日アーカイブWayback Machine
• 宇宙船をケレスに運んだ革命的なイオンエンジン
• 電気推進サブシステム アーカイブ 2014年1月7日ウェイバックマシン
• 固定式プラズマスラスタ

• 「NASA​​ が Star Trek: Ion Drive Live に勝利！」デイリー​​ ギャラクシー、2009 年 4 月 13 日。
• 「究極の宇宙ガジェット：NASA のイオンドライブライブ！」The Daily Galaxy、2009 年 7 月 7 日。
• 初期の実験用イオンエンジンがフロリダ航空博物館の航空宇宙ディスカバリーに展示されています。