直流アークジェットロケットエンジンの開発及び推進性能測定とプラズマ診断

担当メンバー:       
下垣内 勝也(Katsuya Shimogaito)
奥田 和宜(Kazuyoshi Okuda)
三村 岳史(Takefumi Mimura)
奥村 俊介(Shunsuke Okumura)

キーワード:
宇宙推進
電気推進
電熱加速
超音速ノズル
直流電流
定常作動
低電力(
1kW
大電力(
10kW
高推力

研究内容紹介:

直流アークジェットスラスタは、同軸電極構造を持ち、推進剤を直流アーク放電により加熱し超音速ノズルで膨張加速させる電気加熱式のスラスタである。近年、人工衛星の軌道保持、姿勢制御を行う二次推進系に使用する低電力(0.32kW)型 と地球軌道間輸送用の主推進機を目指した大電力(1030kW)型が主に研究開発されてきた。推進剤にはヒドラジン(N2H4)、もしくはアンモニアが使用される。

低電力アークジェットスラスタの開発は近年、アメリカ、ドイツ、日本などで活発に行われ、アメリカではすでに実用化されている。米国PRIMEX社(現General Dynamics Space Propulsion Systems社)製の1.8kWアークジェットスラスタ(推進剤N2H4、比推力500秒、推力210mN)がLochheed Martin社のTelstar衛星などに南北姿勢制御用として利用され、日本でも旧宇宙開発事業団のデータ中継技術衛星(DRTS)に同系のスラスタが搭載されている。

これまで日本では宇宙での電力事情から1kW以 下のアークジェットスラスタの開発が中心であった。低電力アークジェットスラスタの開発の問題点は不安定な作動状態である低電圧放電モードの回避である。 この放電モードは、低い放電室圧力で安定する場合もあるが、一般には放電電圧の変動が激しい不安定な状態を呼んでいる。このモードでは、陽極付着点付近の 圧力が高いためにプラズマが拡散せず、陽極上で電流集中が起こっていると推測される。

投入電力1030kWクラスのアークジェットスラスタはアメリカ、ドイツで主に研究されてきたが、実用上は電極の耐久性に大きな問題が残されている。しかしながら、アメリカでは26kWアンモニアアークジェットスラスタ(比推力800秒、推力2N)が1999年に打ち上げられ、軌道間輸送用主推進機の開発を目指してElectric Propulsion Space ExperimentESEX)が行われた。

本研究グループでは、アークジェットスラスタの問題点を解決し、更なる高性能化、長寿命化を目指した研究ロードマップを作成し、精力的な開発研究を行っている。

アークジェットスラスタの推進剤としてヒドラジン(N2H4)が用いられてきたが、発がん性物質であるため、安全管理が難しくコストや時間の面で問題があった。HAN(ヒドロキシルアンモニウムナイトレート(NH3OHNO3))系推進剤はその点においてヒドラジンを超える燃焼性能、低毒性であることから取り扱いも非常に安全であるため、海外の研究機関などで注目されている。しかし、HAN系推進剤はその急激な燃焼性能から安定した燃焼が困難であるとされている。

こうして本研究グループでは、アークジェットスラスタの推進剤としてHAN系推進剤を提案し、その主燃焼生成物H2OCO2N2を、さらにHAN系推進剤そのものを使用して噴射実験を行った。アーク加熱流が電極に与える影響を評価し、さらに推進性能を測定した。その結果、十分な安定作動域と性能が確立されたので、現在HAN系推進剤使用1-10kW級アークジェットスラスタシステムの開発に着手している。

本研究は宇宙航空研究開発機構(Japan Aerospace Exploration Agency: JAXA)との共同研究として進めている。