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イオンエンジン

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イオンエンジンとは、外宇宙航行用のロケットエンジンの一種である。

概要

宇宙開発明期当初、惑星機といえば一度ロケット地球重力圏から飛び出せばあとは投げっぱなし。途中で多少の軌修正こそあれどエンジンを噴射し続けることはない。だがそれでは的の惑星までの速度を出すのに強ロケットが必要になり、コストも膨大なものになってしまう。21世紀以降、宇宙開発の少コスト化が叫ばれるようになった近年では、一旦地球重力圏から脱した後は「小さな推長時間駆動可エンジン」を使用することで打ち上げコスト圧縮的地までの期間短縮、容易な軌変更を可とするミッションが増えてきた。この「小さな推長時間駆動可エンジン」こそがイオンエンジンをはじめとする電気駆動ロケットである。

特徴

仕組み

イオンエンジンにおけるイオンとは、原子から電子を全て剥ぎ取ったもの、つまり原子核のことである。イオンエンジンとは推進剤を一旦電子とイオンバラバラにしたプラズマに変えてから、イオンのみを電気で加速して噴射するタイプロケットエンジンなのである。推進剤には原子量が大きくかつイオンになりやすいセシウム水銀キセノンなどがに用いられる。

静電イオンスラスタ

電気イオンを加速噴射するタイプで、探査機「はやぶさ」に搭載されているのもこれである。何らかの方法でプラズマを発生させて、これに強い電界をかける。するとプラスに帯電したイオンマイナスの電極の方に向かって加速する。マイナス電極は網状になっているのでイオンはそのまま電極を通り抜けてエンジン外に噴射される。は極めて高いが、マイナス電極がイオンの流れを妨げる形になっているため推は小さく、高温のイオンにさらされるマイナス電極の寿命も短い。より効率よく寿命も長いプラズマの開発も課題である。

ホールスラスタ

磁場のイオンを加速噴射するタイプである。プラズマの流れに磁場をかけるとプラズマは電子とイオンに分離する。電子は質量が小さいので磁場に巻き付く形でエンジン内にとどまり、推進剤をプラズマ化させる役を担う。イオンは互いの反発により加速されてエンジン外に噴射される。静電イオンラスタよりもエネルギー効率が高く、イオンの流れを妨げるマイナス電極がないので推も高い。ただはやや劣り、磁石を使用しているので重量もかさむ。また推のばらつきも大きい。

中和装置

静電イオンラスタホールラスタのいずれもプラスに帯電したイオンのみを噴射することで推進を得る。ところが、長時間運転を続けると次第に探機自体にマイナス電気が溜まってくる。そうなるとせっかく噴射したイオンが戻ってきてしまう。これを防ぐにはイオンの噴射に探機に溜まった電子を流し込んで電荷を中性にする必要がある。このための装置が中和装置である。

コロイドスラスタ

最近実用化された新しいタイプのイオンエンジン。細い管に導電性の液体を詰めて高電圧をかけると電気反発表面張力を上回り、液体は管の端から帯電した細かい粒子(コロイド)となって飛び散る、この粒子を別の電極で加速して噴射する。推進剤にはに低温でも凍結しにくいイオン液体が用いられる。

使用している主な探査機

実は探査機だけじゃない

最近の静止衛星寿命の向上にもイオンエンジンは一役買っている。静止衛星は静止軌に乗せてしまえばあとは勝手に巡り続けるわけではない。地球重力の偏差や太陽圧などが所定の軌から常にをかけ続けているのだ。だから静止衛星は頻繁にスラスタを吹かすことで地上に対する相対位置を常に一定に保っている。昔の衛星は大量の推進剤を搭載し、推進剤が切れれば棄していたので寿命は3〜5年と短かった。初期の通信衛星などはあえて静止軌からわずかにずれた軌を採用して、地上のアンテナ側で補正することで推進剤を節約していた。

ところが21世紀に入ってから静止衛星のスラスタにもイオンエンジンが使用され始めた。これにより静止衛星寿命が向上しただけではなく、軽量化によりより多くの機器を搭載できるようになった。搭載スラスタを全て電気駆動に置き換えた衛星を「オール電化衛星」と呼び、今後の静止衛星スタンダードになる可性が高い。

通常人工衛星は高度200km以下の軌を回ることはない。200km以下では希薄な大気によりブレーキが掛けられて短期間で地球に落下してしまうからだ。例外は偵察衛星で、標を高精度で撮影する際に200km以下の軌に移行、大気ブレーキによる損失はスラスタで補っていた。スラスタのための大量の推進剤により衛星の重量は20トン以上もあり、寿命も極めて短かかった。

ところがイオンエンジンの登場により低でも安定した軌を回る衛星が登場した。ESA2009年に打ち上げた地球重力場探衛星GOCEがそれ。通常のスラスタではしい振動で探結果に誤差が出るのでイオンエンジン3基で大気の損失を補ったうえに、衛星自体も大気を受け流すをしており、低の軌を安定した速度で巡れるようになっていた。この仕組は将来的には通信や測地など他の分野の衛星にも応用できる可性があり、その際は推進剤に高の希薄な大気そのものを利用することも考えられている。

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最終更新:2020/02/20(木) 19:00

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