はじめに
イオンエンジン（グリッド式イオンスラスタ）は、比推力3,000〜10,000秒という化学推進の10倍以上の効率を実現する電気推進の代表格だ。NASAのDeep Space 1（1998年）で初めて主推進として宇宙実証され、Dawn探査機でベスタとセレスの二天体周回を達成、JAXAのはやぶさ/はやぶさ2は小惑星サンプルリターンの偉業を成し遂げた。推力は小さいが、長時間の連続運転で化学推進では不可能なΔVを蓄積できる点が最大の強みだ。
イオンエンジンの物理
グリッド式イオンスラスタの構造
イオンエンジンの動作は3段階に分けられる。
1. プラズマ生成 推進剤ガス（キセノン等）を放電室に導入し、電子衝突でイオン化する。電子源にはカソード（中空カソードまたはRFアンテナ）が使われる。
2. イオン加速 放電室の下流に配置された多孔グリッド（2〜3枚）に数百〜数千Vの電圧を印加し、正イオンを静電的に加速する。スクリーングリッド（正電位）とアクセルグリッド（負電位）の電位差が排出イオンの速度を決定する。
3. 中和 加速されたイオンビームに外部中和器（カソード）から電子を供給し、ビームを電気的に中和する。これを行わないと宇宙機が負に帯電してイオンが引き戻されてしまう。
性能パラメータ
排出速度 ve は以下で求められる:
ve = √(2qV/m)
ここで q はイオンの電荷、V は加速電圧、m はイオンの質量だ。キセノンイオン（m = 131 amu）を1,000 Vで加速すると、排出速度は約38 km/s（比推力約3,800秒）となる。
| パラメータ | NSTAR | NEXT-C | μ10（はやぶさ2） |
|---|---|---|---|
| 電力 | 2.3 kW | 6.9 kW | 350 W |
| 推力 | 92 mN | 236 mN | 28 mN |
| 比推力 | 3,100秒 | 4,190秒 | 3,000秒 |
| 推進剤 | Xe | Xe | Xe |
| グリッド電圧 | 1,100 V | 1,800 V | 1,500 V |
| 実運用時間 | 16,000+ hr | 設計51,000 hr | 28,000+ hr |
深宇宙探査ミッション
NASA Dawn探査機
Dawn（2007年打上げ）はNSTARイオンエンジン3基を搭載し、小惑星ベスタ（2011-2012年周回）と準惑星セレス（2015-2018年周回）の二天体周回という史上初の偉業を達成した。化学推進では燃料不足で不可能だったミッションが、イオンエンジンの高比推力によって実現した。
“Dawn’s ion propulsion system provided a total delta-V of approximately 11.5 km/s, more than any other spacecraft.”
Dawnの総累積ΔVは約11.5 km/sで、これは全宇宙機で最大の記録だ。
はやぶさ2とμ10エンジン
JAXAのはやぶさ2（2014年打上げ）は、μ10マイクロ波放電式イオンエンジンを4基搭載し、小惑星リュウグウへの往復飛行を完遂した。μ10はマイクロ波ECR（Electron Cyclotron Resonance）放電でプラズマを生成する独自方式で、従来のDCカソード方式に比べカソード劣化問題がないのが特長だ。
はやぶさ2は2020年12月に地球帰還カプセルを投下した後、拡張ミッションとして小惑星2001 CC21と1998 KY26への航行を継続中だ。イオンエンジンの累積運転時間は28,000時間以上に達している。
NASA NEXT-C
NEXT-C（NASA Evolutionary Xenon Thruster-Commercial）はNSTARの後継として開発された次世代イオンエンジンで、電力6.9 kW、推力236 mN、比推力4,190秒を達成する。NASAのDARTミッション後継のPsyche探査機に搭載され、金属小惑星16 Psycheへの航行に使用されている。
NEXT-Cの特筆すべき点は51,000時間（約5.8年）の設計寿命だ。これはNSTAR（16,000時間実証）の3倍以上であり、木星圏や土星圏への探査機への搭載も視野に入る。
ホールスラスタとの比較
棲み分け
イオンエンジンとホールスラスタは同じ電気推進だが、特性が異なる。
| 特性 | イオンエンジン | ホールスラスタ |
|---|---|---|
| 比推力 | 3,000〜10,000秒 | 1,000〜3,000秒 |
| 推力密度 | 低い | 高い（同電力比で2〜3倍） |
| 効率 | 60〜80% | 50〜70% |
| 複雑さ | 高い（多段グリッド） | 中程度 |
| 用途 | 深宇宙探査、精密軌道制御 | 軌道上昇、静止軌道保持 |
一般に、ΔVが大きく推力要求が緩い深宇宙探査にはイオンエンジン、中推力で比較的短期間のΔVが必要な軌道遷移にはホールスラスタが適する。
技術的なポイント
基礎知識
- グリッドイオンスラスタ: 静電加速でイオンを排出。比推力が高く効率も良いが、推力密度はホールスラスタに劣る
- ECR放電: マイクロ波の周波数と磁場強度が共鳴条件を満たす領域で効率的にプラズマ生成する方式。はやぶさのμ10が採用
- ビーム中和: イオンビームの電荷を外部カソードからの電子で中和。中和器の劣化がエンジン寿命を制限する要因の一つ
- 比推力と推力のトレードオフ: 電力一定では比推力を上げると推力が下がる（P = F・ve/2η）
応用例
- Dawn（NASA）: ΔV 11.5 km/sを達成。ベスタ→セレスの二天体周回
- はやぶさ2（JAXA）: μ10で小惑星リュウグウへの往復飛行＋サンプルリターン
- Psyche（NASA）: NEXT-C搭載。金属小惑星16 Psycheへの航行中
まとめ
イオンエンジンは比推力3,000〜10,000秒という卓越した効率で、深宇宙探査に不可欠な推進技術だ。Dawnの二天体周回、はやぶさ2のサンプルリターン、PsycheのNEXT-Cと、実績は着実に積み上がっている。電気推進のスケーリングが進み大電力イオンエンジンが実現すれば、木星圏以遠の探査や、核電気推進との組合せによる有人火星輸送も視野に入る。
参考文献
- NASA JPL, “Dawn Mission Overview”, NASA Science. NASA Dawn
- Brophy, J.R., “NASA’s Deep Space 1 Ion Engine”, Reviews of Scientific Instruments, vol.73, no.2, 2002. AIP
- Nishiyama, K. et al., “Development and Testing of the Hayabusa2 Ion Engine System”, Transactions of JSASS, Aerospace Technology Japan, vol.14, 2016. JSASS
- Herman, D.A. et al., “The Ion Propulsion System for the Psyche Mission”, AIAA Propulsion and Energy Forum, 2022. AIAA
- Goebel, D.M. and Katz, I., Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters, JPL/Wiley, 2008. Wiley
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