ホール型イオン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
小林 充宜(Mitsuyoshi Kobayashi)
古久保 裕介(Yusuke Furukubo)
川上 天誠(Tensei Kawakami)
藤原 恭兵(Kyohei Fujiwara)
多川 真登(Makoto Tagswa)




キーワード:
 宇宙推進
 電気推進
 ホールスラスタ
  推進性能
 壁面損耗
 高比推力
 長寿命
 研究内容紹介:

 ホールスラスタは、円環状の放電チャネル内に径方向の磁場と軸方向の電場を印加した構造であり、ホロー陰極より放出された電子の一部はチャネル内に入射 し、磁場との相互作用(E×Bドリフトにより周方向に回転)によりチャネル内に閉じ込められ、推進剤ガスと電離衝突により効率よくプラズマを生成する。生 成されたプラズマ中の正イオンは陽極とホロー陰極の間の電位差により下流に向かって静電的に加速される。噴出したイオンはホロー陰極から放出された電子に より中和される。電磁流体力学的には、誘起された周方向ホール電流と径方向磁場の相互作用による電磁力で生成プラズマが軸方向に加速されると見なせる。推 進剤にはキセノンが主に用いられる。ホールスラスタは比推力1000〜2000秒、推進効率50%程度が得られるため、地球近傍ミッションに適したスラス タとして世界中で商業化が進められてきた。

 ホールスラスタはマグネティックレイヤー型とアノードレイヤー型の2種類に大別される。マグネティックレイヤー型は作動安定性が高いため、最も実用化され ているホールスラスタである。しかし、放電チャネルを構成するチャネル壁が絶縁材であるマグネティックレイヤー型は、噴出イオンビームによる絶縁材のエ ロージョンのために作動保障寿命を長く取れない欠点がある。それに対してアノードレイヤー型は、放電チャネルが金属製の壁で構成されており、イオンビーム によるエロージョンが小さく長寿命が期待できる。また放電チャネルの大きさが同出力のマグネティックレイヤー型と比べて小さく、よりコンパクトな推進機が 設計可能となる。しかし、その作動安定性の低さから実用化にいたった例は少ない。この問題を改善すれば高効率、長寿命のスラスタとして期待できるものであ る。さらに、円環状の中心部分を取り払った、シリンドリカル型ホールスラスタもその壁面損失の低さから世界中で注目を集め、特に低電力ホールスラスタとし て開発が進められている。

 本研究グループは、1)マグネティックレイヤー型、2)アノードレイヤー型、3)シリンドリカル型の3種類のホールスラスタの特徴を活かし、それらの性能 向上を目指す研究活動を行っている。多くの性能測定実験を実行し、放電電圧、印加磁場強度、放電チャネル材質・形状などが作動特性に与える影響を調べる。 また、得られた結果より放電チャネル内部でのプラズマの挙動について検討している。

 シリンドリカル型ホールスラスタはプロイテレス衛星3号機「月探査小型衛星」に搭載予定であり、そのシステム化も行っている。