電気推進・イオンエンジン

宇宙科学研究所　國 中　均　　

　私の研究開発するイオンエンジンに話を進めましょう。作動原理を図１に示します。推進剤を放電によりイオン化後，静電加速グリッドを用いて引き出し，電子を混ぜ電気的中性なプラズマビームとして噴射します。イオン源と中和器に独立したプラズマ発生器を使用します。このプラズマ生成方式により複数のイオンエンジンが存在します。最も開発の進むカウフマン式やリングカスプ式は直流放電を利用しています。固体電極からの電子放出を消耗的な熱陰極に依存しかつイオン衝撃による電極損耗を伴うので作動寿命に上限があり，さらに大気暴露を嫌うため衛星インテグレーション地上作業を大変煩雑にします。宇宙研電気推進研究部門ではマイクロ波放電式イオンエンジンの研究開発を行っています。図２は開発中のエンジニアリング・モデルとプロトタイプ・モデルが同時運転している光景です。マイクロ波放電式イオン源／中和器はプラズマ中の電子の一部をマイクロ波の交流電界と磁場の相互作用により高エネルギー化して再利用するため熱陰極はもとより電極そのもの一切が不要となり，画期的な長寿命が期待できます。イオン生成性能は，イオン生成コストCi(=イオン生成のための消費電力／引き出しイオン電流)と推進剤利用効率ηu(=引き出しイオン電流／推進剤消費率)を用いて表現します。どちらも電力や推進剤の消費を低く押さえる要請からの指標です。Ciは電圧の単位で，ηuは供給推進剤の原子が１価電離すると仮定し等価電流換算値に対する比率で示します。Ciは小さいほど，ηuは100％に近いほど高性能と言えます。10cm級マイクロ波放電式イオン源では230V/90％を達成し，直流放電式に比肩するまで性能改善されています。

図２　マイクロ波放電式イオンエンジンの２台同時運転

　静電加速グリッドとは，直径数mmの穴を無数に開けた厚さ１mm以下の平板で，これを２ないし３枚を１mm以下の狭い間隔で保持して用います。上流よりスクリーン，アクセル，ディセルグリッドと称します。スクリーングリッドには+1kV程度，アクセルグリッドには-300V程度，ディセルグリッドには0Vという電位を配置し，イオンはスクリーン／アクセル間電位差によりイオン源から引き出され，最終的にはスクリーン／ディセル間電位差に相当するエネルギーのイオンビームとして噴射されます。アクセルグリッドの作り出す負の電場領域は，スクリーン／アクセルグリッド間電界を大きくしイオン源からのイオン引き出しを容易にすると共に，ディセルグリッド下流から電子の逆流を阻止する機能を果たします。kVのイオン衝撃は金属と言えども容易に削ってしまいますから引出し加速されるイオンが各グリッドに直接衝突しないように各穴の大きさおよび配置は綿密に設計されます。図３に数値解析例を掲げます。直径３mmのスクリーングリッド穴から整然と加速噴射されて行くイオン流が表されています。その途中至る所で，わずかに存在する中性ガスと電荷交換衝突が発生し，速度を失った低速イオンはその場の電界に引かれアクセルグリッドに衝突してしまいます。このメカニズムによるアクセルグリッド損耗に対処するためにイオンスパッタリングに強い材料としてガ−ボン・カーボン複合材の応用を目指しています。

図４　耐久試験装置

　さて斯様に宇宙飛翔に値する機器が完成できたとしても，これを衛星システムに適合させるためには電気推進エンジニアだけでは手に余る大仕事です。広い範囲の宇宙エンジニアの御協力を仰がずにはいられません。まず電気推進は電力が必須です(電源設計)。そして作動時には大きな発熱を伴いますし，待機時にはそこそこの暖かい環境でないと困ります(熱設計)。あまり頑丈にはできていないので揺れないところに乗せて下さい(構造設計)。電気推進は一般的に電磁ノイズを出します。特にマイクロ波放電式イオンエンジンはマイクロ波を使いますから通信を妨害するかもしれません(通信設計)。地球より遥か遠方の探査機が微小推力で航行すると，その位置を追跡するにはことのほか労力を要します(軌道決定)。探査機がkm/sにもおよぶ軌道変換能力を持つということは，打上げロケットとの仕事分担にいく通りもの組み合わせが派生します。つまりロケットの仕事分量を増やして地球脱出速度を大きくすれば，探査機重量は小さくなります。はたまた地球脱出速度を小さくすれば，探査機重量はその分多くなりますが，その後電気推進の負担が増えますから搭載する推進剤が重くなります。ペイロード重量最大となるオプティマムがどこにあるのかパラメトリックなミッション解析が必要です(軌道設計)。推進剤を探査機タンクに詰め込む作業はまさに高圧ガス製造ですから法律に準拠した手続き手順を踏まなくてはなりません(地上設備)。云々。手のかかる装置ですが，これを宇宙に送り込めるのは宇宙研の総合力や機動性，新技術への探究精神があってこそです。衛星搭載推進系の高比推力化によって限られた宇宙機重量でもまだまだ高Delta-Vミッションは可能なはずです。「オリジナルな電気推進を飛ばしたい」それが実現できる唯一の組織と信じて(一時期，疑い，失望しましたが)学生時代より数え18年もしがみついています。

(くになか・ひとし)