令和元年度
九州大学大学院 総合理工学府
先端エネルギー理工学専攻

修 士 論 文論文名
イオンエンジンの推進剤としての昇華性物質の検討

氏

名

安達 美咲

指導教員名

山本 直嗣

目次
第 1 章 序論 .......................................................................................................................... 1
1-1 研究背景および目的................................................................................................... 1
第 2 章 イオンエンジンの概要 ............................................................................................. 42-1 電気推進の種類 .......................................................................................................... 4
2-2 イオンエンジンの作動原理........................................................................................ 5
2-3 性能の評価方法 .......................................................................................................... 8
第 3 章 推進剤について .......................................................................................................11
3-1 使用する推進剤の概要 .............................................................................................. 11
第 4 章 昇華反応の確認実験 .............................................................................................. 13
4-1 実験目的 ................................................................................................................... 13
4-2 実験体系 ................................................................................................................... 14
4-3 結果及び考察............................................................................................................ 15
第 5 章 イオンエンジンを用いた L-メントールの性能測定 ............................................. 19
5-0 予備実験 ................................................................................................................... 19
5-0-1 実験目的 ............................................................................................................ 19
5-0-2 実験装置 ............................................................................................................ 19
5-0-3 実験方法 ............................................................................................................ 22
5-0-4 結果及び考察..................................................................................................... 23
5-1 実験目的 ................................................................................................................... 25
5-2 実験体系 ................................................................................................................... 25
5-2-1 真空排気系 ........................................................................................................ 26
5-2-2 マイクロ波送電系 ............................................................................................. 27
5-2-3 イオンビーム電流測定系 .................................................................................. 28
5-2-4 耐熱性タンク..................................................................................................... 29
5-2-5 イオンエンジン本体 .......................................................................................... 29
5-2-6 四重極形質量分析装置(QMS) .......................................................................... 31
5-3 実験方法 ................................................................................................................... 33
5-4 結果及び考察............................................................................................................ 34
5-4-1 実験後のタンクの様子 ...................................................................................... 34
5-4-2 イオン引き出し電流の測定結果 ....................................................................... 35
5-4-3 四重極形質量分析装置を用いた二次生成物の計測結果 ................................... 36
5-4-4

L-メントールを推進剤とした場合の推進性能の推測....................................... 39

第 6 章 バルブ付き耐熱性タンクを用いた各推進剤のイオンエンジンでの性能測定 ....... 41
6-1 実験目的 ................................................................................................................... 41

6-2 実験体系 ................................................................................................................... 41
6-2-1 マイクロ波送電系 ............................................................................................. 41
6-2-2 バルブ付き耐熱タンク ...................................................................................... 42
6-3 実験方法 ................................................................................................................... 43
6-4 結果及び考察............................................................................................................ 44
第 7 章 追加実験................................................................................................................. 47
第 8 章 結論 ........................................................................................................................ 49
参考文献 ............................................................................................................................... 50
謝辞 ....................................................................................................................................... 52
付録 ....................................................................................................................................... 53
図表目次 ............................................................................................................................ 53≪図目次≫ .................................................................................................................... 53≪表目次≫ .................................................................................................................... 54

第1章

序論

1-1 研究背景および目的
日本では、おむすびころりんクレーターが『新語・流行語大賞』2019 にノミネートされるなど、世間的にも深宇宙探査に対する関心が高まりつつあるといえる
現在、世界各国で様々な探査計画がなされ、今後これがさらに盛んになることが予想される。探査機「はやぶさ 2」は小惑星「リュウグウ」の試料の採取を無事成功させ、地球への帰路についている。また、リュウグウに続く小惑星探査計画として、地球近傍の小惑星「フェアトン」での観測も計画されている。さらに、欧州が主導している木星の氷衛星探査計画「JUICE」も進んでいる。また、NASA を中心として計画されている月軌道プラットフォームゲートウェイの構想は、将来の有人/無人深宇宙探査への足掛かりとして大変注目されている。

ⒸJAXA

図 1-1：はやぶさ 2

図 1-2：月軌道プラットフォームゲートウェイ

このような深宇宙探査を行うにあたり重要になってくるのが、衛星に使用される電気推進機の性能である。電気推進機は探査機に取り付けられた太陽電池等で得られた電気エネルギーで、推進剤をプラズマ化させ、これを加速噴射し、その反力で推力を得る推進機である。これは、推進剤の化学反応から推力を得る化学
推進に比べ、推力は著しく小さいものの、推進機の燃費を表す比推力は非常に高いといった特徴を持つ 1)。イオンスラスタはこの一種であり、高い比推力を持ち長寿命であることから、様々なミッションに用いられ成功を収めている。
このように深宇宙探査を行う上では、非常に優れている電気推進機であるが、今後課題となる点もある。その中の 1 つが使用する推進剤についてである。イオンスラスタには、推進剤として電離しやすいキセノンを使用するのが一般的であ1

る。しかし、キセノンは地球上では空気中に10−5％程度しか存在しておらず、世界での年間生産量が約 60t と大変希少であり非常に高価である。また、キセノン
は高圧タンクでの貯蔵が必要であり、実際に宇宙空間へ輸送可能な推進剤の量に限りがある。さらに、高圧タンクが必要であることから、電気推進機自体の小型化を妨げる要因にもなりうる。すなわち、キセノンを推進剤として使用すること
で、電気推進機の価格、寿命、サイズの 3 つの面で今後障害が出てくる可能性が大いにあるということが言える。
また、軌道高度として 300km よりも低い軌道である『超低高度軌道』における衛星運用も目指されている。超低高度軌道での衛星運用が可能になることで、搭載する観測機器のコストを抑えつつ観測精度を高めることが期待されている。しかし、超低高度軌道は地球の大気から影響を受けるため高度を維持しづらいこと等が課題とされてきた。そこで、大気の影響による高度の低下を防ぐために比推力の高い電気推進が必須となる。また、衛星自体のサイズが大きくなることは抵抗増大に繋がるため、衛星の小型化はもとより、電力を得るための太陽光電池パ
ネルを大きく展開させることも難しい。よって、必要最低限の電力で高度 200knでの軌道維持が可能となる推力電力比 100mN/kW を達成することが 1 つの目標となる。
そこで本研究では、深宇宙探査および超低高度軌道での衛星運用に求められる要求への解決策として、昇華性推進剤の実現可能性を調査する。
代替推進剤については、過去にも様々な推進剤の可能性が検討されてきた。例
としてアルゴンやクリプトンなどの希ガス 2,3)、マグネシウムやビスマスなどの低融点金属 4,5)、さらにはヨウ素 6)などが挙げられる。希ガスに関しては、推進性能
がキセノンに及ばないこと、価格におけるメリットが少ないこと、貯蔵密度が低いことが欠点である。低融点金属は加熱が必要であることから、一定のエネルギーを与えないといけないため電力が限られている場合は欠点となってしまうが、大電力を利用可能な場合はキセノンを超える推進性能を発揮することができる。
ヨウ素は、昇華性があり貯蔵の際の密度はキセノンの 3 倍であるが、毒性があり取り扱いが難しい等、それぞれに良い面はあるものの、本研究の目的に合うものはない。
そこで我々は、ナフタレンや樟脳などの昇華性のある有機分子の推進剤への適用を考えた。これらの物質は医薬品等にも使用されていることからもわかる通り、毒性がない、もしくは低い物質であり、キセノンと比較すると非常に安価であり、蒸気圧も数～数十 Pa 程度と低く貯蔵性が良い。これによりキセノンを貯蔵する際に使用する高圧タンクやシステム全体の大幅な削減が期待でき、小型化も2

可能になる。常温常圧で固体であることから、現在と同じ大きさのイオンエンジンを想定した場合、より沢山の推進剤を輸送することが可能になるので、推進剤の残量という意味での推進機の長寿命化も望める。また、分子量も 100～200 と大きくキセノンと比較しても推力が著しく落ちることはないだけでなく上回る可能性すらある。イオン化エネルギーは 9eV 前後とキセノンの 12eV よりも低く、組成も自由に選べる。すなわち昇華性推進剤はキセノンのおよそ 1/10～1/20 程度の価格で、キセノンを上回る推進性能を得る可能性を秘めているということができる。
本研究では、前述したナフタレンと樟脳に加えて、L-メントール、アダマンタ
ン 7)、の 4 つの有機物質を推進剤として使用する。昇華性推進剤の実現可能性の判断方法として、イオン引き出し電流、流量、更に比推力の 3 点において、キセノンを推進剤とする場合の性能と昇華性推進剤を使用する場合の性能の比較を行う。キセノンを推進剤とした場合の性能として、池田ら 8)によって得られた結果を利用し、これらの実験に用いられたものと同じイオンスラスタを使用して昇華性推進剤の性能評価のための実験を行う。

3

第2章

イオンエンジンの概要

2-1 電気推進の種類
一般に”ロケット”と言えば燃料と酸化剤を燃やし、発生した高温高圧のガスを勢いよく噴射することで推力を得る打ち上げ用のロケットを連想するのが自然である。これに対して、電気推進ロケットは電力を推進剤に与えることで反力を得ようという、真空の宇宙空間で用いられるロケットエンジンシステムの一種である。電気推進で得られる推力は化学推進と比較して著しく小さいが、比推力が非常に大きいため推進剤の消費量を低減でき、ペイロード重量の増加や化学推進では達成できないような宇宙ミッションが可能となる。電気推進にはイオンエンジ
ン、ホールスラスタ、アークジェットスラスタなどの様々な種類がある。それぞれの推力密度(噴射口単位面積当たりの推力)と比推力の関係を図 2-1 に示す。この
図から、それぞれのエンジンがカバーする範囲は大きく異なることがわかる。また、電気推進機は推進剤の加速に用いられる力の種類により分類され、イオンエ
ンジンに代表される静電加速型、ホールスラスタに代表される電磁加速型、アークジェットスラスタに代表される電熱加速型の 3 つに分類できる。9)



静電加速型
系が加速する方向に静的な電場を作り、クーロン力によって推進剤を加速するタイプ。イオン加速を空間電位に頼っているので、宇宙機が帯電しな
いよう中和器を装備する必要がある。
Ex)イオンエンジン、ホールスラスタ



電磁加速型
ローレンツ力を用いているもののほか、電場と系の加速の方向が互いに異なるタイプの推進系は電磁加速型と呼ばれる。プラズマの性質を利用して加速するため、中和器が必要ない。
Ex)ホールスラスタ、MPD アークジェット

4



電熱加速型
電気エネルギーで推進剤を加熱し、ノズルなどを用いて熱エネルギーを運
動エネルギーに変換して推力を得るタイプ。ノズルは固体材料を用いたもののほかに、磁場などを制御してノズルの役割を担わせるものもある。
Ex)DC アークジェット、レジストジェット

図 2-1：様々なエンジンの推力密度と比推力の関係

2-2 イオンエンジンの作動原理
イオンエンジンの概念図を図 2-2 に示す。イオンエンジンは主にプラズマ生成
部、イオン加速(静電加速)部、イオンビームの中和部の 3 つの部分で構成されている。プラズマ生成部において推進剤を電離させ、イオン加速(静電加速)部において 2~3 枚のグリッドを用いてイオンだけを加速し、下流にて電子源から放出さ5れる電子を混合して電気的中性なプラズマジェットとして噴射し、その反力によって推進力を得る 10)。以下に各領域の詳しい説明を述べる。
I. プラズマ生成部 11)
イオンエンジンにおいてプラズマの生成はイオン源が担う。プラズマの生成方法に違いはあるが、プラズマ生成は次の過程を踏む。まず、(1)電子を生成・加速して電離能力を持った高エネルギー一次電子とし、(2)損失させないように閉じ込め、(3)中性粒子に衝突させてプラズマ生成し、(4)これをイオン加速(静電加速)部に供給する。プラズマの生成のためのイオン源
は、直流放電式イオン源、高周波放電式イオン源、マイクロ波放電式イオン源などに分類される。本研究では ECR 型マイクロ波放電式イオン源の方
式のイオンエンジンを使用する。
II. イオン加速(静電加速)部 12)
図 2-3 に、3 枚グリッドシステムとイオン流の概略を示す。イオン加速部
は 2~3 枚の多孔電極(グリッド)から構成されており、一般的にグリッドシ
ステムと呼ばれる。上流からスクリーングリッド、アクセルグリッド、ディセルグリッドと称する。ディセルグリッドを省略する場合もある。1mm以下の間隔で近接設置した 3 枚のグリッドに、スクリーン電源やアクセル
電源から、+1kV、－300V、0V といった電位を与え、図 2-2 に示すような空間電位を形成する。この電位差を利用してイオン源からスクリーングリッドの孔を通じてイオンが引き出される。スクリーングリッドの孔を通過したイオンはスクリーングリッドとアクセルグリッドの間の電界によって加速され、アクセルグリッドとディセルグリッドの間の逆電位勾配によって多少減速し噴射される。アクセルグリッドとディセルグリッドの間の逆電位勾配は下流からの電子の侵入を阻止する役割もある。
III.中和部 13)
中和部の主な役割はイオン源からグリッドを介し加速噴射されたイオン
電流に等価な電子電流を空間に噴射し、イオンエンジンの電気的中性を維持することである。イオンエンジンがイオンのみを噴射すればイオンエン
ジンを含め宇宙機全体が負に帯電するため、噴射したイオンが再び引き戻され推力発生は不可能になる。このため噴射したイオンと同数の電子を放出する必要があるが、その電流量は中和器やビームプラズマの電位のわず
6かな高低の変化によって、自動的かつ自然に行われ、特に積極的な制御を必要としない。

図 2-2：イオンエンジンの作動概略図7

図 2-3：イオンビーム引き出しの流れ

2-3 性能の評価方法
イオンエンジンの性能はイオン引き出し電流や加速電圧、マイクロ波投入電力や推進剤流量から算出し評価することができる。式(2-1)から式(2-7)に、イオンエ
ンジンの性能を評価するための主なパラメータの説明とその定義式を示す。14)
 イオン生成コスト𝜀𝑐
ビームとなるイオン 1 個当たりの生成に要するエネルギー。
𝜀𝑐 = (𝑃i − 𝑃r )⁄𝐼b

8

[W/A]

(2-1)

 推進剤利用効率𝜂𝑢
推進剤として供給される全粒子の中で、イオンビームとして排出される粒子
の割合。
𝐼

(2-2)

𝜂u = (𝑒⁄ b)𝑚i ・𝑚̇

 推力 F
推力とは物体をその進行方向へ押しやる力のことを言い、ここでの推力 F は推進機の推力を示す値である。イオンエンジンにおいてはイオンビームの加速噴射により発生する。
𝟐𝒎𝐢 𝑽𝐛𝑭 = 𝜸𝐓 𝑰𝐛 √(

𝒆

) [N]

(2-3)

 比推力𝐼𝑠𝑝
単位時間あたりに消費する推進剤の重量当たりの推力。推進機の燃費に当たる。
𝐹𝐼𝑠𝑝 = 𝑚̇𝑔 [sec](2-4)

 推進効率𝜂𝑡
投入した電力がどれだけの推力発生の運動エネルギーに変換されたかを表す
もの。
𝛾2 𝜂

𝜂t = 1+𝜀T ⁄u𝑉
c

(2-5)

b

 推力係数𝛾T
イオン引き出し電流の発散と 2 価イオンの影響を考慮すると推力係数は以下のように定義される。
𝛾T = cos 𝜃b × (1 + 𝛼 ⁄√2)⁄(1 + 𝛼)
ここで、𝛼と𝜃b はそれぞれ 0.15 と 10 とした 15,16)。したがって、𝛾T ≈0.98・0.96＝0.94とした。

9

(2-6)

 推力電力比𝐹 ⁄𝑃
推力電力比は、ある決まった比推力である値の推力を得るにはどの程度の電力が必要か、あるいは与えられた電力でどの程度の推力を得ることができる
かを簡単に見積もることができる有用なパラメータである。
𝐹𝑃

2𝜂

= g𝐼 tsp(2-7)

ここで、𝑃i は投入マイクロ波電力、𝑃r は反射マイクロ波電力、𝐼b はイオン引き出し電流、𝑚i はイオン質量、𝑚̇は推進剤流量、𝑉b はビーム電圧、𝑒は電気素量、gは重力加速度、𝛼は 1 価イオンに対する 2 価イオンの割合、𝜃b はビーム発散角を表している。
推力係数𝛾Tは、特に本研究のような昇華性推進剤の推進性能を評価する場合に重要な係数である。この値は、解離の有無によって大幅に変わり、推力に直接影響を及ぼすこととなる。しかし、本研究室にはこの推力係数を求める
方法がないため、本研究では𝛾T＝0.94≒1 として推進性能を推定することと
する。

10

第3章

推進剤について3-1 使用する推進剤の概要
本研究で使用する推進剤は前述した通り、ナフタレンや樟脳等の昇華性を持つ
固体の物質である。本研究の目的に合致する、求められる推進剤の条件として、
1.低価格であること 2.大量に輸送できること 3.小型化を可能にすること 4.貯蔵性の良さ等が挙げられる。現在使用されているキセノンと比較して昇華性推進剤はより低価格なものを選択することができる。また、常温常圧で固体であるため、大量に推進剤を輸送することが可能となり、これは推進機自体の長寿命化にもつながる。固体であることから、高圧タンク等のシステムの大部分を削減することができ、これにより小型化も可能となる。さらに、蒸気圧の低いものを使用する
ため貯蔵性は高くなる。
実際に本実験で使用した昇華性推進剤の概要を以下の表 3-1 に示す。各値との比較のためにキセノンの値も併せて記した。
表 3-1：使用した推進剤の概要

キセノンと比較すると、本研究の目的にほぼ完璧に合致する昇華性推進剤ではあるが、デメリットになりうる部分もいくつかある。そのうちの 1 つとして解離が起こる可能性が挙げられる。解離とは、『1 つの分子がその生成原子・イオン・原子団または他の分子に分解し、しかもそれが可逆的であるような分解』の事である 17)。解離によるエネルギーロス(6～9eV)はイオン生成コスト(～200eV)と比較してほぼ無視できるが、完全解離し炭化されると、電極間のショートの原因となりうる。しかしながら、懸念される炭化に関して、先行研究により電子温度が3.5eV 以下にすることで抑制されるとの報告がある 18)。そこで、四重極型質量分析装置とトムソン散乱法を用いた計測を組み合わせることで、障壁となる解離を制御することが可能になるのではないかとの着想に至った。トムソン散乱法はレーザー計測法の 1 つであり、非接触でプラズマに擾乱を与えずに、プラズマ中の電子温度及び密度計測を行うことができる。私の所属する研究室では、この手法
11を用いて世界で初めてイオンエンジンの内部プラズの計測に成功しており、十分な実績を持つ。すなわち、解離と電子温度の定量的な関係を明らかにすること
で、推進機に最適な環境のプラズマを生成する条件を探求し、推進性能の向上を図る。本研究では、四重極型質量分析装置を用いて、解離によって何がどれくらい生成されているのかを測定する。四重極型質量分析装置についての詳細は第 5章 5-2 実験体系の 5-2-6 四重極型質量分析装置で述べる。

12

第4章

昇華反応の確認実験

4-1 実験目的
本実験の目的として蒸気圧の同定が挙げられる。第 3 章の表 3-1 からもわかる
通り、使用する昇華性推進剤の中には蒸気圧が明確でないものがあった。また、表に書いているものでも調べている段階で様々な情報があり全てが同じ値ではなかった。したがって、推進剤の作成方法や保存環境によって蒸気圧に違いがある
可能性がある。そこで、本実験では本研究で使用する推進剤の蒸気圧を同定するために、それぞれの推進剤について昇華の始まる温度とその際の圧力変化の計測を行い、推進剤を加熱する際の温度と圧力の関係を求めた。蒸気圧に様々な値がある例として、L-メントールの 2 種類の安全データシートのうちの、蒸気圧について述べられている部分の画像を図 4-1 に示す。

図 4-1：安全データシート(L-メントール)

134-2 実験体系
実験は以下の図 4-2 に示す装置を用いて行った。この真空容器は本研究では全て電気的にアースされ、基準電位となっている。この真空容器で使用したドラ
イ真空ポンプ(150l/min)は粗排気用、ターボ分子ポンプ(80l/s)は高真空用であり、2 種類のポンプを排気用に使用した。
推進剤は、第 3 章の表 3-1 に示した通りナフタレン、アダマンタン、L-メントール、樟脳の 4 つを使用した。実験の際は適量の推進剤を試験管内に封入し、推進剤を囲むように試験管にヒーターを取り付け、加熱が行えるようにした。温度の計測はヒーターを取り付けた試験管の側面で行った。試験管側面の温度は試験
管内部の推進剤の温度を直接計測する場合と比較すると、ガラスの熱伝導率がかなり低いため、ずれが発生する可能性は濃厚である。しかしながら、現段階で厳密な温度計測を行う方法がないため、本実験ではこの計測方法で得た温度を基に考察を行う。併せて、今後精密な温度計測の方法を検討していく必要がある。

図 4-2：実験装置

14

4-3 結果及び考察
実験から得られた推進剤ごとの昇華が始まる温度を表 4-1 に示す。
表 4-1：各推進剤の昇華が始まる温度

また、同時に求めた温度と圧力の関係を表すグラフを以下の図 4-3 から図 4-6に示す。up で示しているのが温度を上昇させた場合、down で示しているのが温度を低下させた場合のグラフである。
全ての推進剤において温度を上げれば上げるほど、圧力が高くなることがわかる。全ての推進剤で 295～310K (25～40℃)の間に昇華反応が起こっていた。これにより、4 つの推進剤は室温程度で昇華することがわかる。また、313K(40℃)を超えると温度を上げても圧力の変化があまり見られなくなり、粉末状の推進剤が熱によって振動を始め、融点を超えたかのような液体状の物質が生成されていた。このような状態になると圧力の変化がほとんどなくなることから、必要以上に熱を与えることが必ずしも昇華反応を潤滑にするというわけではないということが分かった。すなわち、効率的な昇華を実現するためには 40℃よりも低い温度に設定することが望ましいと考えられる。

図 4-3：ナフタレンの温度-圧力グラフ15図 4-4：アダマンタンの温度-圧力グラフ

図 4-5：L-メントールの温度-圧力グラフ16図 4-6：樟脳の温度-圧力グラフ

本実験を行ったことで 2 つの問題点が明らかになった。まず 1 つ目は昇華した物質が室温程度で再結晶してしまうという点である。推進剤を入れた容器の側面のみを加熱して昇華を行った場合、直接加熱されていない容器の上部に推進剤が再結晶して固まっていた。昇華して気体になった推進剤が容器から排出されずに再結晶することで、全てが排出される場合と比較して流量が非常に少なくなっている可能性がある。昇華に最適な温度で最適な量の推進剤が気体になっているにも関わらず、再結晶することが流量を減少させる要因となっていたのではないかと考えられる。また、容器から排出されても真空チャンバーの中で再結晶した物
質が詰まってしまい、これにより圧力の変化が起こらなくなってしまうこともあった。ほとんどの推進剤で昇華反応がほぼ室温程度で起こる反面、20～25℃程度
で再結晶してしまうため、再結晶についてはしっかりと検討すべき問題ではあるが、これは、推進剤の部分だけでなく推進機全体を温めることで解決できる。加熱が必要になるという点に関しては、電力や重量の面でデメリットになるように聞こえるかもしれないが、40℃程度の加熱であれば、イオンスラスタを稼働させる際に発生する熱を利用することで賄える可能性がある。また、タンクとスラス
タを一体型で成形し、放電室の側面で加熱、昇華させるような構造を作成することで再結晶が起こる部分を減らし、かつ加熱する部分を少なくできるなど、解決
方法、改善方法については一考の余地があると考える。
2 つ目の問題点として、1 つ目と重なる部分もあるが、以下に示す図 4-7 のように推進剤が均一に昇華しない、昇華せずに残ってしまう推進剤が存在する点が挙げられる。これに関しては、加熱部分の温度を一定に保つことのできるような加17熱方法とともに、推進剤を入れる容器であるタンクの形状、大きさを検討していく必要があると考える。具体的には、耐熱レジンを用いて 3D プリンターによって作成したタンク、タンク全体を覆うことができるポリイミドヒーター、及び形状記憶合金でできたバルブを用いて推進剤を加熱するためのシステムを開発する。一方で、タンク自体は直接加熱せず、イオンスラスタを稼働させる際の熱のみを利用した実験も行う。

再結晶

昇華せずに
残った物質

図 4-7：実験後の試験管の様子

18

第5章

イオンエンジンを用いた L-メントールの性能測定
5-0 予備実験
5-0-1

実験目的

実験を行う前に、まずは予備実験として L-メントールを使用して実際にプラズマ点火が可能なのかを調べた。予備実験の目的としては、
1. 実際に本格的な実験を行っていく前に、推進剤としての使用が可能か。
2. どれくらいのマイクロ波電力を投入することでプラズマ点火が可能になるのか。
3. 推進剤をどの程度加熱する必要があるのか。
の 3 つを確認することとする。
また、本研究では他にも 3 つの物質を推進剤として選んでいるが、その中でまず初めに L-メントールでの実験を行うことにした理由として 3 つのことが挙げられる。まず、L-メントールは選んだ 4 つの中では勿論の事ながら、キセノンよりも分子量が大きい。これによりキセノンと比較しても推力が著しく落ちることはなく、むしろ上回る可能性すらあるのではないかと考えたことが 1 つ。更に、第4 章で明らかになった通り L-メントールは他の 3 つと比較して比較的昇華が始まる温度が高い。しかし 303K(30℃)を超えると一気に昇華が進むという特徴があったため、少しの加熱で気体状の推進剤を大量に作ることができるので、プラズマ
点火しやすい状況を作れるのではないかと考えたからである。また、蒸気圧が最も低いことから扱いやすいのではないかということも選択した理由である。

5-0-2

実験装置

実験は以下の図 5-1 に示す実験装置を用いて行った。本実験で使用した真空容器は直径 60cm、長さ 100cm の円筒形である。この真空容器は本研究では全て電気的にアースされ、基準電位となっている。この真空容器では 2 種類の真空排気装置を使用した。ロータリーポンプ(排気速度 1.5×10−2[l/s])は粗排気用、ターボ分子ポンプ(排気速度 5.2×10−1[l/s])は高真空用である。この真空チャンバーにおいて到達圧力は10−4Pa のオーダーを実現できていることを確認できた。

19

推進剤には、固体の L-メントールを使用した。本実験においては流量のコンロ
トールは行わなかった。また、本実験では周波数 2.45GHz のマイクロ波を使用した。マイクロ波送電系についての詳細な説明は 5-2 実験体系の中の 5-2-2 マイク
ロ波送電系にて述べる。
耐熱性の推進剤用タンクは、本研究室所有の３D プリンターを用いて作成した。タンクの概要を以下の図 5-2 に示す。推進剤を入れる部分と推進剤が流れ出す部分の間に壁を作り、小さな孔を複数個開けることで、ある程度流量を抑えることができる構造になっている。本実験で使用したタンクには計 13 個の孔をあけている。また、蓋についた 3 つの突起部分がうまくタンクにはまるようになっていて、推進剤の蓋からの漏れはなくなるような構造になっている。
本実験において使用したマイクロ波放電式イオンエンジンを図 5-3 に示す。放電室は 50mm×50mm の箱形でアルミニウム製である。放電室周辺に 4 × 4 × 12mm のサマリウムコバルト磁石(Sm - Co 磁石)を 9 個設置し、高さ 12 mm 内径 21mm の放電室を使用している。アンテナは SMA コネクタによって固定されており、マイクロ波電力を放電室内部に伝えている。このアンテナにはモリブデン(Mo) 製の星型アンテナを使用している。イオンビームの引き出しを行うグリッド
はカーボン製で，スクリーングリッドとアクセルグリッドの 2 枚を用いた。アン
テナの画像を図 5-4 に示す。アンテナ形状はφ9 mm の星型アンテナを用いた。

図 5-1：実験装置

20

図 5-2：作成したタンク(初号機)

図 5-3：イオンエンジンの写真 19)21図 5-4：放電室内部の写真(Sm-Co 磁石および Mo 製9mm の星型アンテナ)

5-0-3

実験方法

本実験では以下の図 5-5 に示すようにタンクと放電室の外側にヒーターを取り付け、加熱が可能な状態で実験を行った。実験中温度は流量調整のために温度を変化させることもあったが、全体的に 303K(30℃)以上を保つように調整した。
本実験ではプラズマ点火させることが 1 番の目標であったため、マイクロ波投
入電力は最大の 20W から徐々に下げていき、何 W になった段階でプラズマが発生しなくなるのかを確認した。

22

図 5-5：実験前のタンクと放電室の様子

5-0-4

結果及び考察

実験結果としてイオンエンジン作動時の写真を図 5-6 に示す。この図からもわかる通り、L-メントールでのプラズマ点火は可能であり、イオンエンジンの推進剤として使用可能なことがわかった。また、マイクロ波投入電力としては最大の
20W から徐々に下げていったが、2W の段階でイオンエンジンが作動しなくなることを確認した。推進剤の加熱に関しては、温度を大幅に変化させても真空チャンバー内の圧力に大きな変化は見られなかった。昇華が始まる温度である
303K(30℃)よりも高温にすることで多少の流量の変化や効率の向上は見込める可能性があるものの、詳細な温度測定や温度制御の方法がなかったため、今回の実験においては過度な加熱の必要性はあまり感じられなかった。これについては、
今後更なる検討の余地があるといえる。
また、実験後のタンクの様子を図 5-7 に示す。本実験ではタンクの側面のみにヒーターを取り付けたが、実験終了後に確認したところタンク内で再結晶が起きており、特に蓋の部分に大量に付着していることがわかった。これは蓋の部分を加熱しなかったことによりタンク内で温度差ができ、圧力勾配ができてしまった可能性がある。その結果、昇華した推進剤は比較的温度が低く圧力勾配の低い蓋の方へ流れてしまい、そこで結晶化してしまったものと考えられる。この結果か
23

ら、加熱を行う場合は圧力勾配ができないように推進剤が通る部分全体を一定の温度に加熱する必要があるということがわかった。過去の昇華性推進剤の研究においても、温度制御は非常に大きな課題であった。推進剤としての使用できることが証明されても、実際に推進剤として使用するためのシステムの温度制御を完成させるまでに 1 年以上の期間が必要であったともいわれている 19)。
以上のことから推進剤を加熱する場合、精密な温度制御が重要になることがわかった。しかし、本研究の目的は温度制御を行うことではなく、様々な昇華性物
質のイオンエンジンの推進剤としての実用可能性を検討することである。そのため、本研究においては温度制御を行わずに昇華性推進剤を用いるために、ヒーターなどを用いた直接的な加熱をせず実験を行うこととする。これは、本研究で使用する昇華性物質は全て蒸気圧が低いため、真空下であれば昇華反応は起こるのではないか、また、イオンスラスタを稼働させる際に発生する排熱を利用することで昇華反応が進行するのではないかという考察によるものである。

図 5-6：イオンエンジン作動中の写真(推進剤：L-メントール)

24図 5-7：実験後のタンクの様子

5-1 実験目的
本実験では、L-メントールがイオンエンジンの推進剤として実用化可能なのか、また、キセノンに代わる推進剤となり得るのかについて検討する。よって本実験においては、
1. 加熱せずに推進剤を昇華させることは可能か。
2. イオンビーム電流は引き出し可能か否か。
3. 解離の有無。
4. キセノンを使用する従来の推進性能と実験結果から推測される推進性能の比較。
の 4 つの点を確認していくこととする。

5-2 実験体系
イオンエンジンを用いた L-メントールの実験には以下の実験装置を用いた。実験装置は主に真空排気系、マイクロ波送電系、イオンビーム電流測定系、耐熱性
タンク、イオンエンジン本体から構成されている。今回の性能測定では中和器は設置していない。
25

5-2-1

真空排気系

実験は以下の図 5-8 に示す装置を用いて行った。本実験で使用した真空容器はSUS 製で、直径 30cm、高さ 27cm の円筒形である。この真空容器は本研究では全て電気的にアースされ、基準電位となっている。表 5-1 にこの真空容器で使用した真空排気装置を示す。ドライ真空ポンプは粗排気用、ターボ分子ポンプは高真空用として、2 種類のポンプを排気用に使用した。この真空チャンバーにおいて到達圧力は10−5Pa のオーダーを実現できていることを確認できた。本実験における真空度は推進剤流量最大どうだった？
推進剤には固体の L-メントールを使用した。本実験においては流量のコンロト
ールはしなかった。

図 5-8：実験装置

26

表 5-1：使用した真空排気装置のスペック

5-2-2

マイクロ波送電系使用したマイクロ波発生装置とマイクロ波増幅装置を以下の図 5-9 に示す。本
実験では周波数 2.45GHz のマイクロ波を使用した。一般的に 2.45GHz の発信に用いられるマグネトロン管のマイクロ波ジェネレータでは低電力領域での発振が不安定である。そこで、マイクロ波ジェネレータより発振されたマイクロ波をアンプを使用して増幅している。マイクロ波電力はスラスタに発振されるまで各種ケーブルやコネクタ等を経由するため、実際のマイクロ波のアンプが出力する値と異なる場合がある。そのためパワーメータを使用し、イオンエンジンに発振されているマイクロ波の電力を測定する較正実験を行い、マイクロ波のアンプの出力値と較正している。

図 5-9：実験装置

27

5-2-3

イオンビーム電流測定系

本研究では、イオンビーム電流量を計測しその値を基に各推進性能を見積もる。イオンビーム電流測定の概略図を図 5-10 に示す。
イオンビーム電流はスクリーン電流の値からアクセル電流、ディセル電流の値を引いた値である。スクリーン電流はスクリーン電源からスクリーングリッドに向かう電流を正とし、アクセル電流とディセル電流は各グリッドから各電源に向かう電流を正としている。電流の測定にはスクリーン、アクセルグリッドともに
I-V 変換回路を用いた。測定手順は、推進剤とマイクロ波により放電室内でプラズマを点火させ、測定条件に推進剤流量及び引き出し電圧を調整する。その後較正したマイクロ波電力を変化させながらマイクロ波電力とイオンビーム電流量の関係を調査した。イオンビームは以下の式より算出した。
𝐼𝑏 = 𝐼𝑠 − 𝐼𝑎 − 𝐼𝑑

(4-1)

測定データは対象のマイクロ波電力の時のイオンビーム電流の複数点の平均値である。

図 5-10：イオンビーム引き出し実験の概略図

28

5-2-4耐熱性タンク

耐熱性の推進剤用タンクは、本研究室所有の３D プリンターを用いて作成した。タンクの概要を以下の図 5-11 に示す。タンクの形状は予備実験とほとんど変化はなく同様であるが、本実験で使用したタンクはシリコン製であり比較的壊れにくく、自由度が高いといえる。また、推進剤を入れる部分と推進剤が流れ出す部分の間の壁に開けた孔の個数を予備実験で使用したタンクよりも減らし 7 個にしたことで、更に流量を抑えることができる構造になっている。

図 5-11：作成したタンク(弐号機)

5-2-5

イオンエンジン本体

本研究にて使用した超小型マイクロ波放電式イオンエンジンを図 5-12 に、イオンエンジンの断面概略図を図 5-13 に示す。このイオンエンジンは、池田らによって開発された 8)。放電室は高さ 19mm、内径 24mm の円筒形で軟鉄製である。放電室内部にはサマリウムコバルト(Sm-Co)製磁石を配置している。放電室内部上
流側にはリング型(8mm×3.0mm×3.0mm)のサマリウムコバルト磁石を設置
し、放電室内部下流側にはセグメント型(r 9mm×R 12mm×2mm×90deg)を 4個設置している。なお、リング型は高さ方向に磁化しており、セグメント型は外径が S 極、内径が N 極に磁化されている。サマリウムコバルトは高い磁気特性を持ち限界使用温度も約 350 度と高温での使用にも適している。
29

アンテナはモリブデン(Mo)製で、SMA コネクタ(female)に固定している。アンテナの画像を図 5-14 に示す。アンテナ形状は過去の研究により推進効率がよい

5mm の円盤型アンテナを用いた 8)。
グリッドは Poco graphite 製で、3 枚のグリッドの下流側にある等方性カーボ
ン製のリング型取り付け部材とボロンナイトライド(BN)製絶縁部材によって各グリッド間隔の調整および絶縁性を維持している。イオンエンジンで一番大きい部
分はmm である。本研究ではグリッドの固定にチタン製のねじを使用した。
イオンエンジンは各グリッド間を絶縁する必要があり、セラミックスのねじおよびワッシャーで固定する方法がある。しかし、本研究で製作したスラスタは、実際の衛星打ち上げにおける振動や衝撃を想定しチタン製のねじを使用し、取り付
け部材および各グリッド間隔に対応した BN 製インシュレータ(4 個×3)にて電気的絶縁性を維持する方法を採用した。

図 5-12：イオンエンジンの写真 8)30図 5-13：イオンエンジンの断面図 8)

図 5-14：放電室内部の写真(Sm-Co 磁石および Mo 製5mm の円盤型アンテナ)5-2-6

四重極形質量分析装置(QMS)

解離の有無に関しては図 5-15 に示す四重極形質量分析装置を用いた二次生成物の計測結果から判断した。
原子や分子などの化学物質をプラズマ化し、その際生成したイオンの質量によって分離、測定する装置の事を質量分析装置という。質量分析装置は試料導入
31

部、イオン化部(イオン源)、質量分離部(アナライザー)、検出部(検出器)、真空排気部(真空ポンプ)、装置制御部・データ処理部(データシステム)等からなるが、アナライザーには様々な形式があり、そのうちの 1 つが四重極形で四重極形アナラ
イザーを持つ質量分析装置が四重極形質量分析装置(QMS)である。
QMS のアナライザーは以下の図 5-16 に示す通り、基本的には 4 本の平行なロッド状の電極からなり、相対する電極の極性を同じにして直流電圧と高周波交流
電圧を重ね合わせた電圧を印加し、四重極電場を形成している。また、基本的な配置は図 5-16 に示す通り四重極の片方の端にはイオン源があり、もう一方の端には検出器がある。
低い加速電圧で四重極ロッドに沿ってイオンを入射すると、イオンは上下左右に振動しながら進む。しかし、2U/V を一定に保ちつつ、電圧を変化させることにより、ある瞬間に特定の m/z 値のイオンのみが安定な振動運動をして四重極を通り抜け、検出器に達する。その一方で、特定の m/z 値以外の m/z 値を持つイオ
ンは振幅が大きくなり、発散して電極に衝突してしまう。このように特定の m/z
値のイオンだけを通すことから QMS はマスフィルターとも呼ばれる 20)。

図 5-15：ガス分析装置

32

図 5-16：四重極形アナライザーにおけるイオンの分離と検出の概念図 20)

5-3 実験方法
本実験においては以下の図 5-17 に示すように、タンクおよび放電室の直接的な加熱は行わなかった。予備実験において課題となった、『タンク内での推進剤の再結晶』を防ぐためにも圧力勾配ができない状態での実験を試みた。L-メントール
は蒸気圧が低く、加熱なしでも十分に昇華する可能性があるのではないかという考察の正否を確認する目的もあった。予備実験によって、マイクロ波投入電力
2W でプラズマ点火可能であることがわかっていたため、2W から徐々にマイクロ波投入電力を増やし、どのような変化が見られるのかを調査した。また、ガス分
析装置を用いた計測も併せて行い、解離の有無、二次生成物の確認を行った。

図 5-17：実験前のタンクと放電室の様子

33

5-4 結果及び考察実験を行った際、本来であれば10−5Pa のオーダーまで下がるはずの真空度が長時間待機しても10−4のオーダーまでしか下がらなかった。これはリークによるものではなく、推進剤が実験開始前にタンクから漏れ出してしまっていることによるものと考えられる。蒸気圧が低いため直接的な加熱をしなくても昇華して気体になることはわかったが、推進剤の漏れを防ぐためにバルブによる制御が必要であることも明らかになった。
以下に、詳細な計測結果や考察を述べる。

5-4-1

実験後のタンクの様子

実験後のタンクの様子を図 5-18 に示す。予備実験と比較すると、タンクに推進剤が残ってはいるものの明らかに再結晶している推進剤が少なくなっていることがわかる。タンク内と同様に推進剤がイオンエンジンに流れ込む流路にも再結晶は見られなかった。このことから直接的な加熱を行わなくても再結晶は起こらず、推進剤が途中で詰まってしまうことはないことがわかった。放電室内が最も高温になるように温度勾配を調整することで、再結晶することなく推進剤を流すことができる。

Tank

Tank cap

図 5-18：実験後のタンクの様子

34

5-4-2イオン引き出し電流の測定結果

イオン引き出し電流の測定結果を以下の図 5-19 に示す。横軸をマイクロ波投入
電力、縦軸をイオン引き出し電流とし、イオン引き出し電流のマイクロ波依存性を示す図になっている。マイクロ波電力が同程度の位置に複数個×が存在するのは、マイクロ波電力を徐々に増加させた後に徐々に減少させるように計測を行ったためである。なお、推進剤にキセノンを用い、同じイオンエンジンを使用した
過去の実験での計測結果も併せて記載している。
ここでは、推進剤にキセノンを用いた場合の性能を凌駕できるか否かが重要になる。図からわかる通りマイクロ波投入電力を増加させていくとイオン引き出し
電流も増加しており、プラズマ点火が滞りなく起こっていることがわかる。しかし、キセノンを推進剤として使用した場合はマイクロ波投入電力 10W で 3.0mA程度の電流を計測していた 8)ことと比較すると、本実験の結果はマイクロ波投入
電力が 10W の時に電流が 0.45mA にも達していないことから、現段階では目標の 1/6 程度の電流の引き出しであると言える。これは、単に L-メントールがキセ
ノンの性能に劣るという結果に見えるが、本実験で用いたイオンエンジンは非常に小さい推力用であり、設計流量が 0.05sccm 程度のイオンエンジンである。しかしながら、実際の実験では 0.6～0.8sccm 程度の流量が流れていた。したがって、流量が多すぎたことにより電子が中性粒子と頻繁に衝突し、結果的に電子温度が低く、プラズマ密度が上がらなかったためこのような結果になったと考えられる。このことから、流量の制御を改善することによってキセノンと同程度まで性能が向上する余地があると考えられる。また、L-メントールに限らず、本研究で用いる昇華性推進剤はキセノンと比較するとプラズマ化しづらいことは事実である。そこで、考慮する必要が出てくるのが、個々の推進剤特有の特性に即した別個のエンジンの開発についてである。現在使用しているイオンエンジンはキセ
ノンを推進剤として用いることを前提としており、キセノンの特性に即した形式になっている。例えば、プラズマ生成領域を現在のイオンエンジンよりも大きくすることでキセノンよりも代替推進剤の方が良い性能を示したという結果も出ている。これは、電離断面積の大きさの違いに着目した結果で、キセノンの場合はプラズマ生成領域が大きくなることで損失が大きくなってしまう。これにより全てにおいて性能が勝っていたキセノンが逆転される結果になったと考えられている 21)。

35

本研究において使用する昇華性推進剤にも様々な特性があり、個々の性能を最も引き出すことのできる最適なイオンエンジンを開発することが必要であるといえる。

図 5-19：イオン引き出し電流のマイクロ波依存性

5-4-3

四重極形質量分析装置を用いた二次生成物の計測結果

以下の図 5-20 から図 5-25 は四重極形質量分析装置(QMS)を用いた二次生成物の計測結果である。順にマイクロ波投入電力を 2、4、6、8、10、20W と増加させた結果を示している。6 つの結果にあまり差はないように見えるが、横軸 1 周辺の水素や 28 周辺の強度が徐々に増加していることがわかる。6 つの結果の水素周辺の値をまとめた結果を図 5-26 に示す。更に、マイクロ波電力を投入せずに計測を行った結果を図 5-27 に、実験終了後にタンクをチャンバー内から取り出し、マイクロ波も流さずに計測を行った結果を図 5-28 に示す。

36

図 5-20：QMS を用いた計測結果(2W)

図 5-21：QMS を用いた計測結果(4W)

図 5-22：QMS を用いた計測結果(6W)

図 5-23：QMS を用いた計測結果(8W)

図 5-24：QMS を用いた計測結果(10W)

図 5-25：QMS を用いた計測結果(20W)

図 5-26：水素の値とマイクロ波投入電力の関係

37図 5-27：QMS を用いた計測結果

図 5-28：QMS を用いた計測結果(マイクロ波なし)(タンクなし)まず、全ての計測結果(図 5-20~図 5-28)から、生成されていると考えられる物
質の同定を行う。L-メントールの構造式を図 5-29 に示す。図 5-29 から、プラズ
マ化する際に最も分裂の可能性が高いのは H であることが分かる。H に続いて
OH や CH₃、C₃H₆なども分裂の可能性が高い。また、このように L-メントールが分裂したものが新たに結合する等で生成される可能性が高い物質が H₂、H₂
O、C などである。また、空気中に含まれているなどの理由で真空チャンバー内に残留物として存在する可能性が高いと考えられるのが N₂、O₂、H₂O などである。さらに、Si 等のタンク由来の物質の存在や、L-メントールが水を吸収しやすいことから H₂O が損じする確率が高くなるなど様々な可能性が考えられる。ここまでの推測を計測結果(図 5-20~図 5-28)と比較すると原子量、分子量が一致する部分が多くみられる。以下に、特に顕著に特徴が表れている部分について述べる。
マイクロ波電力を投入せずに計測を行った結果と 20W のマイクロ波電力を投入した計測結果を比較すると、水素周辺や AMU28 周辺の強度が増加していることから、プラズマ化に伴って解離が起こっているという証拠に成りうる。なお、ここでマイクロ波投入電力 20W のものを選んだのは差が最もわかりやすいためである。また図 5-26 から、マイクロ波投入電力を上げると解離の可能性が高まることもわかる。更に、タンク、推進剤、マイクロ波投入電力なしで計測を行った結果を確認すると分子量 50 以下のものがチャンバー内に残っていることがわかる。ここでは、特に強く出ている 18 周辺と 28 周辺について考察を行うこととする。分
子量 18 周辺の強度が上がっていることに関しては、チャンバーを開けた際の空気中の微量な水分が表れているのではないかと考える。これは、3 日ほど真空にし続けることで解消可能である。次に分子量 28 周辺の強度を上げている物質についてだが、推進剤として使用している L-メントールの分子量は 156 なので、L-メン
トールがチャンバー内で再結晶しているとは考えにくい。L-メントールが多価イ38

オンになっている可能性もあるが、その場合はもっと様々な分子量帯で強度が上昇するのが自然ではないかと考えると、L-メントールによるものとは考えにくい。そこで、他に当てはまるものとして、タンクを作成した際の 3D プリンターの樹脂由来の成分が漏れ出しているのではないかと考えた。この考えの根拠として、実際に本実験で使用したタンクの主成分であるシリコン（Si(ケイ素)）の原子量を調べたところ、28.1 であった。
以上より、解離は確かに起こっておりマイクロ波投入電力を大きくするほどその可能性が上がることがわかった。したがって、これを抑えるような最適なプラズマ条件を探っていく必要がある。また、直接的な加熱を行わなくても再結晶す
ることはなかった。一方で、3D プリンター由来のものが漏れ出すなど予想していなかった物質の存在も確認できた。

図 5-29：L-メントールの構造式

5-4-4L-メントールを推進剤とした場合の推進性能の推測

L-メントールを推進剤として用いたイオンエンジンの推進性能の評価を、第 2章の式(2-1)から式(2-7)より行う。イオン引き出し電流の計測結果より、マイクロ波投入電力を 7.1W、イオン引き出し電流を 0.4mA とした。また、推進剤流量は0.014mg/sec であることが計算からわかっている。計算結果をまとめたものを以下の表 5-2 に示す。

39

表 5-2：推進性能

推進剤

L-メ ン ト ール

キ セノ ンプラ ズマ生成に要する 電力[ W]11

10

イ オン 引き 出し 電流[ mA]

0.43

3.1

イ オン 生成コ ス ト [ W/A]

25×10³

3.3×10³

推進剤利用効率[ %]

5.0

85

推力[ µN]25160

比推力[ s ]0.18×10³

3.3×10³推進効率[ %]

0.19

20

推力電力比[ mN/kW]

2.2

12

5-4-2 イオン引き出し電流の測定結果でも述べた通り、イオン引き出し電流がキセノンと比較して L-メントールの値は 1 桁程度小さいため全体的に L-メントール
がキセノンと比較して 1 桁程度性能が悪いという結果になった。今回の実験では全体的にキセノンより劣る結果になったが、同時に性能改善のために必要なことを確認することができた。まず、何よりも重要なことは流量の制御である。現在
は推進剤が流れすぎるため思ったような性能が出ないという結果になっているが、流量をイオンエンジンに合わせて大幅に減らす、もしくはこの流量が設計流量に近いような大型のイオンエンジンで実験を行うことで、キセノンと並ぶような性能を発揮できる可能性がある。
また、高真空状態を待たずに推進剤が漏れ出してしまうことによる悪影響も今後生じる可能性がある。作動前のイオンエンジン内で推進剤が再結晶してしまった場合、その後の測定に影響が出る可能性は大いにあるといえる。したがって、これを予防するためにタンクにバルブを取り付ける必要がある。

40

第6章

バルブ付き耐熱性タンクを用いた各推進剤のイオンエンジンでの性能測定
6-1 実験目的
第 5 章の結果からタンクにバルブをつける必要があることがわかった。そこで、新たにバルブ取り付け可能なタンクを作成し、高真空状態になるまで推進剤が漏れることのない状態で実験を行った。
本実験では、樟脳、アダマンタン、ナフタレンの各推進剤がイオンエンジンの推進剤として実用化可能なのか、また、キセノンに代わる推進剤となり得るのかについて検討する。よって本実験においては L-メントールの実験と同様に、
1. 加熱せずに推進剤を昇華させることは可能か。
2. イオンビーム電流は引き出し可能か否か。
3. 解離の有無。
4. キセノンを使用する従来の推進性能と実験結果から推測される推進性能の比較。
の 4 つの点に追加して、
5. バルブが機能するかどうか。
の 5 つの点を確認していくこととする。

6-2 実験体系
実験装置について、ほとんどは前述の第 5 章 5-2 実験体系で述べた通りである
が、マイクロ波送電系とタンクについて変更があったため説明を追加する。

6-2-1

マイクロ波送電系

本実験で使用したマイクロ波発生装置とマイクロ波増幅装置を,図 6-2 に示す。
本実験では周波数 0.8～1.6GHz のマイクロ波を使用した。図 6-1 に示されたマイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波を、図 6-2 に示したマイクロ波増幅装置を通すことで増幅している。マイクロ波電力はイオンエンジンに発振されるまでに様々なシステムを経由するため、実際にマイクロ波増幅装置が出力する値と、届くマイクロ波の値が異なる場合がある。そのためパワーメータを用いて、イオ41ンエンジンに発振されているマイクロ波の電力を測定する較正実験を行い、マイクロ波の出力値と較正している。

図 6-1：マイクロ波発生装置

6-2-2

図 6-2：マイクロ波増幅装置

バルブ付き耐熱タンク

作成したバルブ付きタンクを図 6-3 に示す。L-メントールの実験で使用したタンクとの変更点として、下部にバルブを取り付けることができるようにしたことと、蓋をフランジのようにネジで固定する形にしたことが挙げられる。バルブの仕様を表 6-1 に示す。バルブに一定の電圧をかけることで推進剤を吐き出させることができ、電圧をかけなければ推進剤が漏れ出すことはない。バルブの使用可
能温度の上限は 40℃であるが、本実験においては加熱を行わないため、この範囲から外れることはない。また、蓋に関しては前回と同様の仕様にすることもできたが、蓋側の突起が壊れやすいことが欠点であった。そこで、蓋をフランジ状にしたことで以前のタンクよりも壊れることなどを気にせず、蓋を固く閉めることができるようになった。

42

図 6-3：作成したタンク(参号機)

表 6-1：バルブの仕様

6-3 実験方法
本実験においては L-メントールのように予備実験としてプラズマ点火を確認す
る実験は行わなかったため全てが未知数であった。しかし、どの推進剤も L-メン
トール同様蒸気圧が低いことから、本実験でもタンクやイオンエンジンの直接的な加熱は行わなかった。実験開始前のバルブを装着した状態のタンクの様子を図6-4 に示す。マイクロ波投入電力何 W でプラズマ点火が起こるかは定かではなかったが、L-メントールと同様に 2W から順に 4、6、8、10、20W と大きくしていき、どのタイミングでプラズマ点火するのかを確認する。また、ガス分析装置を用いた計測も併せて行い、解離の有無、二次生成物の確認を行う。

43

図 6-4：バルブを付けたタンクの様子

6-4 結果及び考察
まず、樟脳についての実験を行うことにしたが、これは失敗に終わった。実験
失敗の原因は明確で、タンクが壊れてしまったことによるものである。図 6-4 か
らもわかるように、推進剤流量をある程度制限するという目的で推進剤が通る管状の部分を非常に細く設計していたのだが、イオンエンジンに差し込むこの部分
がチャンバー内にタンクを設置する時点ですでに折れてしまっていたと考えられる。これに気づかないまま、その後チャンバー内を真空状態にし、まずはバルブの ON/OFF の確認を行ったが、最大電圧をかけてバルブを開いた状態にしても真空度に変化はなく、推進剤が流れ出していないことに気づいた。これは正確にはバルブに関係なく推進剤が漏れ出している状態であった。しかし、バルブが詰まっているもしくは壊れているのではないかと考え、タンクを取り出して調べてみたところ、イオンエンジンに差し込む部分が折れていることが発覚した。壊れてしまったタンクの様子を図 6-5 に示す。図 6-5 の左下の円で囲った部分が壊れていた部分である。イオンエンジンに繋がる部分が折れているので、プラズマ点火が見込めないのは確かだが、バルブが機能していればこの部分が折れてしまっても、圧力の変化は現れると考えられる。したがって、推進剤の漏れの原因が他にあるということになる。そこで、注目したのが図 6-5 の中央の円で囲った部分である。ここをよく観察するとバルブを差し込んだ部分が反って歪んでしまってい44

ることがわかる。これは、バルブを取り付ける部分をあまりにも薄く作りすぎた
ため、バルブ側の O リングを押しつぶすことができず反り返ってしまった結果起こったと考えられる。したがって、この部分で推進剤が漏れ出していた可能性が高い。

図 6-5：壊れたタンクの様子

以上の結果からタンクの改善案として設計したのが図 6-6 に示すタンクである。図 6-6 下側の楕円で示す部分がバルブを取り付けるところであるが、ただ取り付ける部分の厚みを増すだけでなく IN と OUT の管上の部分を管として分けずに一体にすることで強度を増した。更に、バルブはネジで固定するのだが、この際ネジより一回り大きい穴を開けボルトで固定していたところを、ネジ穴を作り更にボルトでも固定することでよりバルブとタンクを密着させ、漏れがなくなるようにした。次に、図 6-6 中央左の円で囲った部分に示す通り、実験前に折れてしまったイオンエンジンに差し込む部分は、より太く分厚くすることにより強度を増した。
また、バルブ本体に関してだが、実験を行う前に電圧をかけることによって
ON/OFF が切り替わることを確認する必要がある。動くものという前提で実験を行ったが、今回の結果はバルブが必ずしも機能していたといえる結果ではなかったように思う。漏れがあった可能性は高いが、バルブを開いても圧力に変化が全45

くないというのは不自然だからである。実験に関係のない部分で影響が出ないよ
うにすることの重要性を身に染みて感じた。

図 6-6：タンクの改善案

46

第7章

追加実験

図 6-6：タンクの改善案として示したタンクを 3D プリンターを用いて作成した。このタンクを用いて、第 6 章で述べたものと同様の実験を、推進剤として Lメントール、樟脳を用いて行った。ここで、推進剤としてこの 2 つを選択した理由を述べる。まず、L-メントールについてはバルブがある場合とない場合の比較を行いたかったことが挙げられる。樟脳については、選択した推進剤の中で L-メントールの次に蒸気圧が低く、推進剤の流量を L-メントールよりも少なくすることができるのではないかという考えの基、選択した。他の 2 つの推進剤について
は、ナフタレンに関してはプラズマ点火ができたもののイオンビーム電流の引き出しはできなかった。また、アダマンタンに関しては時間の都合上実験を行うことができなかった。本論文においては L-メントールと樟脳の結果から比較、考察を行うこととする。

7-1 L-メントールを用いた場合の結果及び考察
L-メントールを用いた実験では、実際にバルブを作動させて推進剤が流れる状
態と流れない状態の ON/OFF の切り替えが可能であることを確認した。しかし、本実験では、プラズマ点火はできたもののイオンビーム電流の引き出しがうまく行えなかった。この原因として、イオンエンジンのグリッド間の距離や、穴の大きさ、位置などが最適なものではなかった可能性が挙げられる。

7-2 樟脳を用いた場合の結果及び考察
L-メントールを用いた実験と同様に、樟脳を用いた実験でもバルブの正常な作動を確認できた。また、プラズマ点火と共にイオンビーム電流の引き出しも十分に行えた。イオンビーム電流のマイクロ波依存性を以下の図 7-1 に示す。比較対象としてキセノンの値も併せてグラフに載せているが、これを見ると樟脳の値が非常に良いように見える。しかし今回の実験では異常放電が何度も見られ、電流の値としては信頼性がと考えられる。また、サンプル数としても比較できるものが少ないので今後さらに追加で実験や検討を行う必要がある。しかし、この値を信頼した場合、樟脳がこのタンクやバルブ、イオンエンジンに非常に適した推進剤であるということができ、キセノンの性能を大幅に上回っていることから次世代のイオンエンジンの推進剤として昇華性推進剤の可能性を十分に示せる結果となった。また、樟脳の流量は 0.015mg/sec であった。
47

図 7-1：イオン引き出し電流のマイクロ波依存性

48

第8章

結論

1. 昇華性を持つ固体の物質がイオンエンジンの推進剤になり得るか検討を行った。L-メントールに関して、イオンエンジン作動中にプラズマ点火が確認できた。
2. L-メントールのイオンビーム電流の計測結果をキセノンのデータと比較したところ、1/6 程度のイオンビーム電流しか流れていないことがわかった。
しかしこれは、使用したイオンエンジンの設計流量と実験の際の L-メントールの流量に大きな差があったことが原因であり、流量制御を最適に行うことができればキセノンと同程度まで性能が向上する余地があると考えら
れる。
3.

4.

5.

四重極形質量分析装置を用いた二次生成物の計測結果から、解離が起こっていることがわかった。したがって、これを抑えるような最適なプラズマ
条件を探っていく必要がある。また、予想していなかったタンク由来の物
質も計測された。計測データを詳細に観察することで原子量、分子量ごとに当てはまる物質の同定を行うことが必要である。
実際に実験を行ったことで、直接的な加熱がなくても推進剤は昇華することがわかった。また、これに付随して、真空チャンバーが高真空を達成す
る前の段階で推進剤が漏れ出てしまうことがわかった。したがって、本実験で選択したような蒸気圧の低い昇華性物質を推進剤とする場合は、意図しない場面での推進剤の漏れを防ぐためにタンクにバルブをつけることが重要である。
バルブ付きのタンクを使用することで、実験開始前に意図しない形で推進剤が漏れてしまうことがなくなった。

49

参考文献
脚注1. 荒川義博,國中均,中山宜典,西山和孝：イオンエンジンによる動力飛行，コ
ロナ社，2006，pp.3-5．
脚注2.

J.A. Linnell and A.D. Gallimore, Efficiency Analysis of a Hall Thruster Operatingwith Krypton and Xenon, J. Propul. Power 22, 921 (2006)
脚注3.

N. Yamamoto et al., Development of a Microwave Discharge Ion Thruster using

Argon, Trans. of the Japan Society forAeronautical and Space Sciences,
SpaceTechnology Japan, 7, pb_119 (2009).
脚注4.

Mark A. Hopkins∗ and Lyon B. King, Performance Comparison Between a

Magnesiumand Xenon-Fueled 2 Kilowatt Hall Thruster, J. Propul. Power 32 (2016)
脚注5.

Anita Sengupta et al., An Overview of the VHITAL Program: A Two-Stage

Bismuth Fed Very High Specific Impulse Thruster With Anode Layer, 29th
International Electric Propulsion Conference (2005)
脚注6.

James Szabo et al., Iodine Propellant Space Propulsion, 33th International

Electric Propulsion Conference (2013)
脚注7.

Kristof Holste, In Search of Alternative Propellants for Ion Thrusters (2016)池田 凌：ドラッグフリー衛星への搭載を目指した 100 N 級超小型イオンエンジンの開発，九州大学修士論文，2019
脚注9. 栗木恭一，荒川義博：電気推進ロケット入門，東京大学出版会，(2003)
脚注8.

脚注10. 荒川義博，國中均，中山宜典，西山和孝：イオンエンジンによる動力飛行，コロナ社，(2006) pp.10~.
脚注11. 荒川義博，國中均，中山宜典，西山和孝：イオンエンジンによる動力飛行，コロナ社，(2006) pp.26~.
脚注12. 荒川義博，國中均，中山宜典，西山和孝：イオンエンジンによる動力飛行，コロナ社，(2006) pp.50~.
脚注13. 荒川義博，國中均，中山宜典，西山和孝：イオンエンジンによる動力飛行，コロナ社，(2006) pp.80~.
脚注14. N. Yamamoto et al., Antenna Configuration Effects on Thrust Performance ofMiniature Microwave Discharge Ion Engine, (2006)
脚注15. 佐鳥 新，國中 均，大滝 基之：マイクロ波放電型イオンエンジンのビーム計測, 日
本航空宇宙学会誌, 46 (1998), pp.406-412
脚注16. Takegahara, H. et al., Beam Characteristics Evaluation of ETS-VI Xenon Ion
Thruster, IEPC Paper 93-235, (1993)
脚注17. 広辞苑より脚注18.
脚注19. 竹末 一平：イオンビームの duty 制御による推力可変イオンエンジンの開発，九州大学修士論文，201950

脚注20. 一般社団法人日本分析機器工業会(JAIMA)/https://www.jaima.or.jp/jp/analytical/basic/mass/qms/
脚注21. 江崎 徹：推進剤にアルゴンを用いた小型イオンスラスタの性能向上に関する研究，
九州大学卒業論文，200951謝辞
初めに、宇宙や電気推進機への興味だけでこの研究室に飛び込み、工学などの基礎的な知識のない私に笑顔で向き合い、根気強く指導してくださった山本直嗣
教授に心から感謝いたします。言葉が悪いかもしれませんが、私の実験に付き合って頂く際にも、山本直嗣教授自身が本当に心から楽しんで実験をしておられるように感じ、私自身も楽しくなってしまったことが印象に残っています。最後まで、宇宙へのわくわくするような好奇心が尽きることはなく、それどころか何倍にも膨れ上がる幸せな時間を過ごさせていただいたことに感謝の気持ちでいっぱいです。
いつも鋭い指摘で自分の理解不足や勉強不足に気づかせてくださった森田太智
助教、研究室を優しく温かく見守って下さった中島秀紀名誉教授に深く感謝いた
します。
研究活動に集中できるようにいつも陰で支えて下さり、時には友人のように、時には母のように優しく寄り添ってくださった大内田映子事務補佐員に心よりお礼申し上げます。
本研究を行うにあたり、先進宇宙ロケット工学研究室に在籍された全ての方々に研究生活や私生活でお世話になりました。最高に幸せな 2 年間を過ごせたのは皆様のおかげです。厚く御礼申し上げます。
高木麻理子さん、同期で私以外の唯一の女性が同じ研究室にいてくれてこんなに心強いことはありませんでした。黒江雄貴君、いつも静かだけどふとした瞬間の一言にいつも笑顔にさせてもらいました。西岡裕輝君、酔っぱらった時の貴方は今までに出会ったことのない面白い生物でした。齊木淳君、とても純粋で優しい貴方をたくさん騙したのは友情があってこそのいい思い出です。西牟田直君、研究室一のイケメンが研究室一変な人というギャップが更に素敵さに磨きをかけているのだろうと感慨深かったです。山村徹君、同期で一番気が合うといっても過言ではない貴方のスベりネタが大好きでした。大学院へ入学する前はこんなに素敵な同期に出会えるとは思っていませんでした。本当に楽しい毎日を共に過ごしてくれたことに心から感謝いたします。
最後に、大学院まで通わせてくれた両親、そしていつも支えてくれた弟たちに感謝いたします。いつも私が好きなことをできるように支え、励まし、勇気づけてくれた両親へ感謝の気持ちと尊敬の念でいっぱいです。
今まで関わった全ての皆様へ、ありがとうございました。

52

付録
図表目次
≪図目次≫
第1章
図 1-1：はやぶさ 2
図 1-2：月軌道プラットフォームゲートウェイ

第2章
図 2-1：様々なエンジンの推力密度と比推力の関係
図 2-2：イオンエンジンの作動概略図
図 2-3：イオンビーム引き出しの流れ

第3章
第4章
図 4-1：安全データシート(L-メントール)
図 4-2：実験装置
図 4-3：ナフタレンの温度-圧力グラフ
図 4-4：アダマンタンの温度-圧力グラフ
図 4-5：L-メントールの温度-圧力グラフ
図 4-6：樟脳の温度-圧力グラフ
図 4-7：実験後の試験管の様子

第5章
図 5-1：実験装置
図 5-2：作成したタンク(初号機)
図 5-3：イオンエンジンの写真 19)
図 5-4：放電室内部の写真(Sm-Co 磁石および Mo 製5mm の星型アンテナ)
図 5-5：実験前のタンクと放電室の様子
図 5-6：イオンエンジン作動中の写真(推進剤：L-メントール)
図 5-7：実験後のタンクの様子
図 5-8：実験装置
図 5-9：マイクロ波発生装置
図 5-10：イオンビーム電流測定の概略図
図 5-11：作成したタンク(弐号機)
図 5-12：イオンエンジンの写真 8)
図 5-13：イオンエンジンの断面図 8)
図 5-14：放電室内部の写真(Sm-Co 磁石および Mo 製5mm の円盤型アンテナ)
図 5-15：ガス分析装置
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図 5-16：四重極形アナライザーにおけるイオンの分離と検出の概念図 20)
図 5-17：実験前のタンクと放電室の様子
図 5-18：実験後のタンクの様子
図 5-19：イオン引き出し電流のマイクロ波依存性
図 5-20：QMS を用いた計測結果(2W)
図 5-21：QMS を用いた計測結果(4W)
図 5-22：QMS を用いた計測結果(6W)
図 5-23：QMS を用いた計測結果(8W)
図 5-24：QMS を用いた計測結果(10W)
図 5-25：QMS を用いた計測結果(20W)
図 5-26：水素の値とマイクロ波投入電力の関係
図 5-27：QMS を用いた計測結果(マイクロ波なし)
図 5-28：QMS を用いた計測結果(タンクなし)

第6章
図 6-1：マイクロ波発生装置
図 6-2：マイクロ波増幅装置
図 6-3：作成したタンク(参号機)
図 6-4：バルブを付けたタンクの様子
図 6-5：壊れたタンクの様子
図 6-6：タンクの改善案

第7章
図 7-1：イオン引き出し電流のマイクロ波依存性

≪表目次≫
第1章
第2章
表 2-1：イオンスラスタの性能(キセノン使用 Ver.)

第3章
表 3-1：使用した推進剤の概要

第4章
表 4-1：各推進剤の昇華が始まる温度

第5章
表 5-1：使用した真空排気装置のスペック
表 5-2：推進性能

第6章
表 6-1：使用したバルブの仕様

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