イオンエンジン - Wikipedia

イオンエンジン

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ジェット推進研究所のキセノンイオンエンジン

イオンエンジン（Ion engine ）とはロケットの推進手段である電気推進の一つ。イオン推進、イオンロケット、イオンスラスタなどとも。イオンの持つ電荷を利用して加速する。人工衛星の軌道制御や惑星間の飛行に用いられることが多い。

以前は実証試験として搭載される例が多かったが、近年では従来のヒドラジン系推進器を置き換え標準装備となりつつある。比推力がヒドラジン系推進器に比べ高いので静止衛星の長寿命化に貢献している。

目次

[編集] 推進原理

イオン推進の概念図

イオン化された推進剤を電界の中に放出すると、イオンの電荷により加速運動を始める。機体は、このとき各イオンが得た運動量の総和と同じ大きさで逆向きの運動量を得る（すなわち、イオンの加速の反作用により機体が加速する）。イオン源の反対側にある電極はグリッド状（グリッド電極）になっており、ここを通過したイオン流は「中和器」により電気的に中性となって放出される。中和器はイオンと等量の電子を放出しており、中性にすることによって、ビームが電気的な斥力により広がってしまうことを防止すると同時に、機体の電位が低下することを防いでいる。 なお、推進剤としてはキセノンを用いる場合が多い。他にリチウムやビスマスを用いる形式もある。→参照：ロケットエンジンの推進剤。また、高度数百km以下の低軌道を周回する衛星においては、希薄に存在する大気を吸気して、これを推進剤として利用する事が構想されている。

[編集] 静電荷電粒子推進器

[編集] 電極静電荷電粒子推進器

Figure 2: A diagram of how a gridded electrostatic ion engine works

静電荷電粒子推進器は推進剤としてアルゴン、キセノン、クリプトンなどのプラズマになりやすい元素を使用する。加熱されたフィラメントの陰極からの電子でガスをイオン化する。この方式は電子の損失が大きい。他にマイクロ波放電によりプラズマを得る方法がある。

加速したイオンビームをそのままにしておくと、宇宙機側がイオンと逆の電荷に帯電し、ビームが戻ってきて推進できなくなる。故にイオンビームを噴射した後逆電荷を噴出してビームを電気的中性のプラズマに中和する。[1]


電極型静電推進器の研究 (past/present):

-NASA Solar electric propulsion Technology Application Readiness (NSTAR)
-NASA’s Evolutionary Xenon Thruster (NEXT)
-Nuclear Electric Xenon Ion System (NEXIS)
-High Power Electric Propulsion (HiPEP)
-Dual-Stage 4-Grid (DS4G)[2] [3]
Schematic of a Hall Thruster

[編集] ホール効果推進器(ホールスラスタ)

ホール効果推進器(ホールスラスタ)は荷電粒子を筒状の陽極とマイナスに帯電したプラズマとの間で加速する。推進剤の塊は陽極から注入されイオン化される。比較的高い比推力を持ち、比較的低い電力でも大きな(イオンエンジンに比べて)推力密度を発揮する。ただし、特有の推力ノイズを持つ。 [4]

[編集] 電界放射式電気推進 (FEEP)

電界放射式電気推進 (FEEP:Field Emission Electric Propulsion)は液体の金属イオンを加速して推力を得る単純なシステムである。セシウムを短い隙間から流して加速環に導く。セシウムとインジウムが原子量が大きいので使用される。イオン化傾向が小さく、融点が低いからである。[5][6]

応答性がよく制御性に優れ、推力ノイズが少ないという利点を持つ。イオンエンジンと同様に中和器が必要となる。

セシウムを推進剤とする二次元スリット構造タイプと、インジウムを推進剤とする三次元プラグ構造のものがある。

また、FEEPと同様の構造で、(電離していない)金属粒子を直接噴射するコロイドスラスタというものが存在する。

[編集] 電磁荷電粒子推進器

[編集] パルス誘導推進器 (PIT)

パルス誘導推進器 (PIT)はパルスを連続的に出す事で推進力を得るものである。メガワット級の出力を出す事が出来る。アンモニアガスが通常使用される。コイルから発生する磁場で荷電流子を集束させて噴射する。ローレンツ力を用いる [7]

[編集] 磁場プラズマ力学 (MPD) / リチウムローレンツ力加速器 (LiLFA)

磁場プラズマ力学推進器 (MPD)プラズマ化したリチウムイオンをローレンツ力で加速する。 (LiLFA) [8] [9]

[編集] 無電極プラズマ推進器

無電極プラズマ推進器は2つの特徴がある。電極の消耗がない事と出力を加減できる事である。電極が消耗する要因はイオンに曝されるからである。電極の寿命が事実上イオンエンジンの寿命と言っても過言ではない。中性のガスは電磁波によってイオン化される。別の電磁波によって加速される。イオン化と加速の分離は出力を加減できる事を可能にした。[10]


[編集] 特徴

イオンロケットは化学ロケットの10倍以上の比推力を誇り、また非常に高い速度差が実現可能である反面、その加速に要する時間は非常に長い。これはイオンは軽量であり、推力密度が低いためである。また、イオンが高速でグリッド電極に衝突するため、長期間に亘る運用ではグリッド電極の侵食が問題になる。

[編集] 応用

イオンエンジンは推力密度の低さや真空中でしか作動できないため、地球からの打ち上げに使うことはできない。その反面、少ない推進剤で長時間作動させる事により大きな速度変化を与えることが可能であるため、静止衛星の、軌道上の位置ずれ制御や、惑星間飛行、小惑星・彗星探査などの用途には最も適している。実際に使用された例として以下のようなものが挙げられる。

  • SERT I (NASA)
    電気推進器試験衛星。イオンエンジンの動作テスト。8cm径Cs使用エンジンと10cm径Hg使用エンジンをテスト。1964年7月20日打ち上げ。
  • SERT II (NASA)
    電気推進器試験衛星。イオンエンジンの動作テスト。15cm径Hg使用エンジンをテスト。1970年2月3日打ち上げ。
  • きく4号 (ETS-III) (NASDA)
    技術試験衛星。2mN級イオンエンジンの動作テストを実施、1982年9月3日打ち上げ。
  • きく6号 (ETS-VI) (NASDA)
    技術試験衛星。南北制御用25mN級イオンエンジンXIESを搭載。アポジエンジンの不調で静止軌道投入を断念。動作試験を行う。1994年8月28日打ち上げ。
  • かけはし (COMETS) (NASDA)
    通信放送技術衛星。南北制御用25mN級イオンエンジンXIESを搭載。第2段ロケットの不具合により静止軌道投入を断念。動作試験を行う。1998年2月21日打ち上げ。
イオンエンジンを作動させているDeep Space 1の想像図

[編集] 脚注・参考文献

  1. ^ "Innovative Engines". 2007-11-19 閲覧。
  2. ^ ESA (2006-01-11). "ESA and ANU make space propulsion breakthrough". Press release. 2007-06-29 閲覧。
  3. ^ ANU Space Plasma, Power & Propulsion Group (SP3) (2006-12-06). "ANU and ESA make space propulsion breakthrough". DS4G Web Story. The Australian National University. 2007-06-30 閲覧。
  4. ^ Oleson, S. R., & Sankovic, J. M.. "Advanced Hall Electric Propulsion for Future In-Space Transportation". 2007-11-21 閲覧。
  5. ^ Marcuccio, S.. "The FEEP Principle". 2007-11-21 閲覧。
  6. ^ Colleen Marrese-Reading, Jay Polk, Juergen Mueller, Al Owens. "In-FEEP Thruster Ion Beam Neutralization with Thermionic and Field Emission Cathodes". 2007-11-21 閲覧。
  7. ^ Pavlos G. Mikellides. "Pulsed Inductive Thruster (PIT): Modeling and Validation Using the MACH2 Code". 2007-11-21 閲覧。
  8. ^ K. Sankaran, L. Cassady, A.D. Kodys and E.Y. Choueiri. "A Survey of Propulsion Options for Cargo and Piloted Missions to Mars". 2007-11-21 閲覧。
  9. ^ Michael R. LaPointe and Pavlos G. Mikellides. "High Power MPD Thruster Development at the NASA Glenn Research Center". 2007-11-21 閲覧。
  10. ^ Gregory D. Emsellem. "Development of a High Power Electrodeless Thruster". 2007-11-21 閲覧。

[編集] 関連項目

ウィキメディア・コモンズ
ウィキメディア・コモンズには、イオンエンジン に関連するマルチメディアがあります。

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