パルスプラズマスラスタ

パルスプラズマスラスタ（PPT）は、パルスプラズマロケット（PPR）またはプラズマジェットエンジン（PJE）とも呼ばれ、電気宇宙船推進の一種です。^[1] PPTは一般的に最も単純な形式の電気宇宙船推進であると考えられており、1964年に始まった2つのソビエト探査機（ゾンド2号とゾンド3号）で飛行して、宇宙で飛行した最初の電気推進形式でした。^[2] PPTは通常、豊富に利用可能な太陽エネルギーからの余剰電力を備えた 宇宙船で飛行します。

ほとんどのPPTは固体材料（通常はPTFE、より一般的にはテフロンとして知られている）を推進剤として使用しますが、液体または気体の推進剤を使用するものはごくわずかです。 PPT動作の第一段階では、電気のアークが燃料を通過し、燃料のアブレーションと昇華を引き起こします。 このアークによって発生した熱により、結果として生じたガスがプラズマに変わり、帯電したガス雲が生成されます。 アブレーションの力により、プラズマは2つの帯電プレート（アノードとカソード）の間を低速で推進されます。 プラズマは帯電しているため、燃料は2つのプレート間の回路を効果的に完了し、電流がプラズマに流れるようになります。 この電子の流れによって強力な電磁場が生成され、それがプラズマにローレンツ力を加え、プラズマをPPT排気口から高速で加速します。^[1]その動作モードはレールガンに似ています。 パルスは、燃料の各バーストの後にプレートを再充電するために必要な時間と、各アーク間の時間によって発生します。パルス周波数は通常非常に高いため、ほぼ連続的で滑らかな推力を生成します。推力は非常に低いですが、PPT は長時間連続して動作し、大きな最終速度を得ることができます。

各パルスで使用されるエネルギーはコンデンサに蓄えられます。^[3]各コンデンサの放電間隔を変えることで、PPTの推力と消費電力を変えることができ、システムの多目的な使用が可能になります。^[2]

宇宙船の速度の変化の式は、ロケット方程式によって次のように表されます。

${\displaystyle \Delta v=v_{\text{e}}\ln {\frac {m_{0}}{m_{1}}}}$

どこ：

${\displaystyle \デルタv\}$デルタvは車両の速度の最大変化（外部力が作用していない場合）であり、

${\displaystyle v_{\text{e}}}$は有効排気速度（ここで は時間で表された比推力、は標準重力）である。${\displaystyle v_{\text{e}}=I_{\text{sp}}\cdot g_{0}}$${\displaystyle I_{\text{sp}}}$${\displaystyle g_{0}}$

${\displaystyle \ln}$自然対数関数を指します。

${\displaystyle m_{0}}$推進剤を含む初期の総質量は、

${\displaystyle m_{1}}$最終的な総質量です。

PPT は、化学推進エンジンよりも排気速度がはるかに速いですが、燃料流量ははるかに少ないです。上記のツィオルコフスキー方程式から、これは推進機の最終速度が比例して速くなるという結果になります。PPT の排気速度は数十 km/s のオーダーですが、従来の化学推進では2～4.5 km/s の範囲の熱速度が発生します。この低い熱速度のため、化学推進ユニットは、より高い車両速度では指数関数的に効率が低下するため、PPT などの電気宇宙船推進を使用する必要があります。したがって、20～70 km/s の範囲の高速惑星間速度を生成するには、PPT などの電気推進システムを使用するのが有利です。

NASAの研究用PPT（2000年に飛行）は、排気速度13,700 m/sを達成し、860μNの推力 を生成し、 70Wの電力を消費しました。^[1]

PPTは、他の電気宇宙船推進技術と比較して、本質的にシンプルな設計のため、非常に堅牢です。電気推進システムであるPPTは、従来の化学ロケットに比べて燃料消費量が少なく、打ち上げ質量とそれに伴う打ち上げコストが削減されるほか、比推力が高くパフォーマンスが向上するという利点があります。^[1]

しかし、遅れた時間のアブレーションと推進剤から宇宙船の残りの部分への急速な伝導熱伝達によって引き起こされるエネルギー損失により、推進効率（排気の運動エネルギー / 使用される総エネルギー）は他の形式の電気推進と比較して非常に低く、わずか 10% 程度です。

PPTは、姿勢制御、ステーションキーピング、軌道離脱操作、深宇宙探査などの役割を担う、質量が100kg未満の比較的小型の宇宙船（特にCubeSat ）での使用に適しています。PPTは本質的にシンプルで比較的低コストであるため、PPTを使用すると、複雑さやコストを大幅に増やすことなく、これらの小型衛星ミッションの寿命を2倍にすることができます。^[3]

PPTが初めて使用されたのはソ連の ゾンド2号 宇宙探査機で、姿勢制御システムのアクチュエーターとして機能した6つのPPTを搭載していた。PPT推進システムは1964年12月14日に、宇宙船が地球から420万キロ離れたときに70分間テストされた。^[4]

PPTは2000年11月にNASAによって地球観測1号宇宙船の飛行実験として飛行されました。このスラスタは宇宙船のロール制御能力を実証し、パルスプラズマからの電磁干渉が他の宇宙船システムに影響を与えないことを実証しました。^[1]パルスプラズマスラスタは、ホール効果イオンスラスタなどの他の電気推進形式と比較してPPTが比較的単純で低コストであるため、大学が電気推進の実験を開始するために使用する研究手段でもあります。 [ ^2]

2024年7月11日、ハウ・インダストリーズは、PPT/PPR推進技術の研究を継続するために、NASAと72万5000ドルの助成金契約を結んだと発表した。ハウ・インダストリーズは、PPT/PPR推進技術が火星への宇宙船を推進する完全に機能する手段になることに成功すれば、PPT/PPR技術は火星への旅行時間を、現在の約1年からわずか2か月というはるかに短い旅行時間に短縮できるはずだと主張した。ハウ・インダストリーズはさらに、PPT/PPR研究開発プログラムの現在のペースでは、この技術が火星への有人宇宙船を推進する準備が完全に整うまで、あと約20年（2024年時点）かかる可能性があると述べた。^[5]

• 真空アークスラスタ
• ロケット推進技術（曖昧さ回避）

• 「高エネルギー2段パルスプラズマスラスタの設計」。プリンストン大学。2017年8月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年6月27日閲覧。
• 「EO1 パルスプラズマスラスタ」（PDF）。ゴダード宇宙飛行センター。 2011年7月16日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2020年6月27日閲覧。
• エフライム・チェン。「ガス供給パルスプラズマスラスタ：火花からレーザー起動まで」（PDF）。プリンストン大学。2022年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2020年6月27日閲覧。
• Michael Bretti. 「AIS-gPPT3-1C シングルチャンネルグリッドパルスプラズマスラスタ」。Applied Ion Systems 。 2020年6月27日閲覧。