研究

マイクロ波放電式イオンエンジンの性能向上とプラズマ物理の解明

マイクロ波イオンエンジンは、小惑星探査機「はやぶさ」「はやぶさ2」の主エンジンとして用いられる宇宙用プラズマ推進機である。イオンエンジンやホールスラスタなどの電気推進機では一般に、プラズマ生成にホローカソードと呼ばれる電極を用いていており電極損耗が問題となる。マイクロ波式では電子の共鳴加熱を利用しプラズマを生成するため、電極が存在せず、シンプルかつ省電力なシステムが可能となり、4万時間を超える長寿命を実現した。小惑星PhaethonへのフライバイミッションDESTINY⁺、ソーラー電力セイルOKEANOSへの適用が予定されており、更なる性能向上とその物理の解明が望まれる。本研究室では、μ10内部のプラズマ生成部の状態を実験的・数値的に調査し、内部物理現象の解明に取り組んでいる。

比推力7000秒級マイクロ波放電式イオンエンジンの研究開発

ソーラーセイル木星圏探査などの長距離・長期間の探査ミッションに対応するために、「はやぶさ」，「はやぶさ２」での宇宙実績を活かしてイオンエンジンのさらなる高比推力化を試みている。比推力とはエンジンの燃費に相当する値のことで，高比推力化により搭載燃料を少なくすることができる。イオンエンジンの比推力は、グリッドに印加する電圧を大きくすることで増加するため，従来の5倍の7.5 kVの電圧をかける設定になっている。この高電圧化に伴い、ガス供給系やマイクロ波供給系における絶縁機器の改良や、イオン引き出し部の改良が必要とされている。将来の深宇宙探査ミッションを達成するための推進性能と寿命性能を両立するような設計を、数値解析と実験の両面からアプローチしている。

マイクロ波電子源の性能と耐久性の向上

イオンエンジンは＋イオンをだすイオン源と、−に帯電した電子を放出する電子源から構成される。イオンエンジンの運転時は、イオン源による＋イオンの噴射により推力を生み出す一方で、常に探査機が負に帯電しないように同量の電子を電子源から放出する必要がある。この電子源が消費する電力や燃料は、推力を生み出さないため少ない方が良い。また電子を放出する特性上、イオンによる損耗が不可避で性能・寿命の両面でボトルネックとなっている。本研究室では、「はやぶさ」を通じ世界的に他に類を見ないマイクロ波電子源を開発し、2万時間を超える連続作動を実現した。現在はイオン源の性能向上にともない電子源も性能向上と耐久性向上を図っている。

MPDスラスタの装置開発と性能調査

100-10kW級のイオンエンジンやホールスラスタなどの電気推進機が実用化される一方で、MPD（Magneto Plasma Dynamic）スラスタは100kW-1MW級の電力で作動するエンジンである。そのため地球―火星間輸送などの将来的な大規模ミッションに適応できる次世代の推進機といえる。本研究室では、電気自動車にも使われているスーパーキャパシタを用いて電源システムを構築し、msオーダの短時間作動でも定常的なMPDスラスタの性能取得に成功している。また外部磁場や推進剤を変えることで、性能がどのように向上するのか研究を行っている。過去には人工衛星SFUなどにより軌道上実績もある。

超小型衛星ミッションに向けた電熱型PPTの性能維持と長寿命化

パルスプラズマスラスタ（Pulsed Plasma Thruster; PPT）は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE; テフロン®)を無毒・固体推進剤として主に使用し、これをパルス状の大電流でガスに昇華・噴射して加速する電気推進である。高圧タンクやバルブが不要で小型・軽量に製作でき、推進剤が安全なため主衛星の相乗り打上をしやすく50 kg級の超小型衛星等への搭載が期待されている。当研究室では、空力加速する電熱型PPTを研究対象としており、ローレンツ加速する電磁型PPTと比べて大きな推力を発生できる。電熱型PPTは燃焼室の壁面がPTFEであるため、連続使用すると燃焼室の容積が増大し、これが起因して推力低下と作動不良を引き起こす。この克服のため、セラミック製の燃焼室を設け、PTFEを外部から供給する「推進剤供給式電熱型PPT」を提案・開発している。推進剤供給による燃焼室容積の維持で、性能維持および恒久的な作動と、これによる将来的な小型衛星ミッションへの貢献を目指している。

ハイブリッドスラスタ

電気推進の一つであるレジストジェットをベースに、水素と酸素の化学反応エネルギーを利用した化学推進と電気推進のハイブリッドスラスタの研究を始めました。化学推進の上限を超える比推力450-800秒をターゲットに、3Dプリンティング技術や再生冷却などの技術を活用し研究を行っています。最初の燃焼試験が2019年度に行われる予定です。

有人火星探査の実現を目指した宇宙放射線環境の解析

国際宇宙ステーションや月面探査を超えたさらなる探査目標として、世界各国が火星の有人探査を目指している。しかし、火星には宇宙から飛来する放射線が大量に降り注いでおり、人類が生活するには極めて厳しい環境である。人類が安全かつ長期的に活動できる場所を探すため、当研究室では火星の宇宙放射線環境を解析する数値シミュレーションと室内実験を行っている。数値シミュレーションではJAXAのスーパーコンピュータなどを使用し，膨大な数の宇宙放射線を大規模な並列計算で解析している。室内実験ではマイクロ波放電式イオンエンジンµ1を使用し、実験室に火星の宇宙放射線環境を再現している。これらの解析を進めた結果、火星の地表面にわずかに残る磁場を利用することで、宇宙放射線の入射軌道を劇的に変更し、人体への被ばく量を圧倒的に削減できることを明らかにした。