NASAの次世代イオンエンジンは極めて強力になる

2024年4月27日

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宇宙開発競争の最中、米ソ両国の科学者はイオン推進のコンセプトを研究した。多くの初期の宇宙時代の提案と同様に、このコンセプトは当初、コンスタンチン・ツィオルコフスキーやヘルマン・オーバースのような著名人（「ロケットの祖先」の2人）によって研究されました。それ以来、この技術は、Deep Space-1（DS-1）技術実証機、ESAの月周回衛星Smart-1、JAXAの人工衛星「はやぶさ」「はやぶさ2」、NASAのDawnミッションなどのミッションによって繰り返し検証されてきた。

宇宙探査の将来を見据え、NASA Glenn Research Center（GRC）の研究者たちは、極めて高い燃料効率と加速性を兼ね備えた次世代イオンエンジンの開発に余念がない。これらの努力は、新しいタイプの惑星科学ミッションを可能にする小型宇宙船電気推進（SSEP）システムであるNASA-H71Mサブキロワットホール効果スラスタにつながりました。SpaceLogisticsのような商業パートナーの協力により、このスラスタはすでに軌道上にある宇宙船の寿命を延ばすためにも使用される。

宇宙探査と商業宇宙は、小型宇宙船と小型衛星の開発から恩恵を受けている。これらのミッションは、打ち上げに必要な推進剤が少なくて済み、大群で展開でき、ライドシェアを活用できるため、費用対効果が高いことで注目されている。同様に、地球低軌道（LEO）における小型衛星群の急増により、低出力のホール効果スラスタが、今日の宇宙で最も一般的な電気推進システムとなっている。これらのシステムは、燃料効率の高さで注目され、長年にわたる軌道修正、軌道修正、衝突回避を可能にしている。

とはいえ、小型宇宙船は、脱出速度の達成や軌道捕捉など、大きな加速度（デルタv）を必要とする困難な推進マヌーバを実行できる必要がある。これらのマヌーバを実行するのに必要な推力、すなわち8km/s（～5mps）のデルタ-vは、現在市販されている推進技術の能力を超えている。さらに、低コストの商用電気推進システムの寿命は限られており、通常、小型宇宙船の推進剤質量の約10%しか処理できない。

同様に、余剰容量を持つロケット（ライドシェア・プログラムを可能にする）のおかげで、二次宇宙船はより一般的になりつつある。しかし、これらは一般的に、主ミッションの軌道に沿った科学的目標に限定される。さらに、セカンダリー・ミッションは通常、高速フライバイ中にデータを収集する時間が限られている。必要とされるのは、低電力（サブキロワット）で、全体的に推進力の高い電気推進システムである。

この要求に応えるため、NASA GRCのエンジニアは、過去10年間に開発された多くの先進的な高出力太陽電気推進（SEP）要素を取り入れ、小型化を進めている。これらのエレメントは、NASAの月から火星へのミッション・アーキテクチャの一部として開発されたもので、ルナ・ゲートウェイの電力・推進エレメント（PPE）などに応用されている。SEPシステムは、2040年までに火星への最初の有人ミッションを実施するDeep Space Transport（DST）の設計の一部でもあった。しかしNASA-H71Mシステムは、小型宇宙船に大きな影響を与え、ミッションのプロファイルと期間を拡大することが期待されている。

NASAによると、NASA-H71Mシステムを使用したミッションは、15,000時間の運用が可能で、小型宇宙船の初期質量の30％以上を推進剤で処理できる。このシステムは、二次宇宙船の到達範囲を広げ、一次ミッションの軌道から逸脱し、より広範囲の科学的目標を探査することを可能にする。宇宙船が減速して軌道に投入できるようにすることで、この技術はミッションの期間を延ばし、天体を調査する時間を増やすことができる。

electric propulsion1 — Glenn Research Center真空施設8の推力スタンドに設置されたNASA-H71Mホール効果スラスター（左）と、試験施設を閉じてポンプダウンする前に推力スタンドを調整するJonathan Mackey博士（右）。(Credit: NASA GRC)

また、ほとんどの商業的なLEOミッションのニーズを越えており、関連するコストは一般的に商業的なミッションが求めるものより高い。そのためNASAは、より野心的なミッション・プロファイルを持つ小型商業宇宙船に取り組む商業開発者との提携を模索し続けている。そのようなパートナーのひとつが、Northrop Grummanの完全所有子会社で、独自のミッション延長機（MEV）を使って、静止衛星オペレータに軌道上の衛星サービスを提供するSpaceLogistics社である。

このビークルは、NASA-H71M設計に基づくNorthrop GrummanのNGHT-1Xホール効果スラスタに依存している。この推進能力により、MEVは地球同期軌道（GEO）にある衛星に到達し、そこで顧客の衛星とドッキングし、衛星の寿命を少なくとも6年間延長することができる。Space Act Agreement（SAA）を通じて、Northrop GrummanはNASAグレンの真空施設11で長期摩耗試験（LDWT）を実施している。最初の3機のMEP宇宙船は2025年に打ち上げられ、3機のGEO通信衛星の寿命を延ばす予定である。

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