〈一般研究課題〉 100W級電気推進機における電子ビームを活用した推進剤電離手法の確立
助 成 研 究 者

国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学
市原大輔

100W級電気推進機における電子ビームを活用した推進剤電離手法の確立
市原 大輔（国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学）

Developing propellant ionization scheme by using electron
beam in 100-W-class electric propulsion
Daisuke Ichihara(Tokai National Higher Education and Research System Nagoya University)

Abstract：
In this study, we demonstrated a comparable thrust performances in electrostatic acceleration
type electric propulsion, in which the applied magnetic field had the diverging section for ionacceleration, which was followed by the field-free section to neutralize the propellant, by using
filament cathode compared to conventional hollow cathode operation. The input power to realize astable operation was 155 W and 325 W for filament and hollow cathode, respectively. By using thefilament cathode, thrust increased with increasing input power whereas discharge current wassaturated. The maximum specific impulse and thrust efficiency were 1770 s and 23% with 356 W of
input power. These performances were comparable level of the conventional hollow cathodeoperation and we successfully suppressed the input power by using the filament cathode.
1．はじめに小型宇宙機群を活用した地球観測は，その開発費用・期間及び打ち上げコストが削減可能なことから，防災・測位・気象予報・通信など人類の生活環境の向上に対して多岐にわたる貢献が期待されている．特に高度300km程度の地球近傍軌道は地上との通信や観測精度の向上といった観点から今後の活用が検討されている．しかしながら，このような低軌道では地球大気からの空気抵抗が無視できず，軌道高度を維持するためには電気推進機(電気エネルギーによって電離させた推進剤を，－ 59 －

加速/排気して推力を得る推進機)による動力航行が必須である．小型宇宙機の場合，電気推進機へ無視できず，軌道高度を維持するためには電気推進機(電気エネルギーによって電離させた推進剤の投入電力は100W程度に制限される．これは推進剤の電離に投入可能な電力量の低下に直結するを，加速/排気して推力を得る推進機)による動力航行が必須である．小型宇宙機の場合，電気推進ため，軌道維持に必要な推力の発生には小電力作動下における電離反応の促進が大きな課題であ機への投入電力は100W 程度に制限される．これは推進剤の電離に投入可能な電力量の低下に直結る．単位時間・単位体積当たりに生成されるイオン数は推進剤粒子の数密度と電離衝突反応の反応するため，軌道維持に必要な推力の発生には小電力作動下における電離反応の促進が大きな課題で速度定数との積に比例する[1]．このうち，反応速度定数は電子温度の増加関数である[2]．電気推ある．単位時間・単位体積当たりに生成されるイオン数は推進剤粒子の数密度と電離衝突反応の反進機で一般に用いられる熱電子放出型電子源では放出電子の温度は高々5eVであるため反応速度定応速度定数との積に比例する[１]．このうち，反応速度定数は電子温度の増加関数である[２]．電気数の向上は期待できない．そこで市原ら[3]は推進剤粒子の数密度向上を目的とし，陽極近傍のみ推進機で一般に用いられる熱電子放出型電子源では放出電子の温度は高々5eV であるため反応速から局所的に推進剤を供給する陽極近傍電離手法を提案した．その結果推進剤の電離が促進され，度定数の向上は期待できない．そこで市原ら[３]は推進剤粒子の数密度向上を目的とし，陽極近傍
電離電圧の比較的高いアルゴン推進剤(15.8 eV)であってもクリプトン(13.9 eV)やキセノン(12.1のみから局所的に推進剤を供給する陽極近傍電離手法を提案した．その結果推進剤の電離が促進さeV)と同程度の推力性能を達成している[4]．本研究ではこの成果に注目し，陰極にフィラメントカれ，電離電圧の比較的高いアルゴン推進剤(15.8 eV)であってもクリプトン(13.9 eV)やキセノン(12.1ソードを用いることで従来のホローカソードを用いた作動では不可能な低電力作動を試み，その際eV)と同程度の推力性能を達成している[４]．本研究ではこの成果に注目し，陰極にフィラメントカの推力性能を比較する．
ソードを用いることで従来のホローカソードを用いた作動では不可能な低電力作動を試み，その際の推力性能を比較する．
2．実験装置2.1．スラスターヘッド
2.
実験装置製作した推進機の概要図を図 1に示す．リング型陽極と下流の陰極(電子源)との間に発散磁場を
2.1.
スラスターヘッド印加した．発散磁場は2つのサマリウムコバルト磁石(①外径33 mm，内径23 mm，長さ20 mm，②製作した推進機の概要図を図 1 に示す．リング型陽極と下流の陰極(電子源)との間に発散磁場を外径65 mm，内径55 mm，長さ15 mm)と電磁軟鉄とからなる磁気回路を用いて印加し，下流のカス印加した．発散磁場は 2 つのサマリウムコバルト磁石(①外径 33 mm，内径 23 mm，長さ 20 mm，プ域に前述の電子源を設置している．この時，磁場強度は放電室中心部にて75 mT，陽極表面にて②外径 65 mm，内径 55 mm，長さ 15 mm)と電磁軟鉄とからなる磁気回路を用いて印加し，下流の250 mTであった．リング型陽極は銅製，内径27 mmであり陽極内部には外径24 mmのセラミックカスプ域に前述の電子源を設置している．この時，磁場強度は放電室中心部にて 75 mT，陽極表面プレートを設けた．これによりリング型陽極内面とセラミックプレート外面との間に幅1.5 mmのにて 250 mT であった．リング型陽極は銅製，内径 27 mm であり陽極内部には外径 24 mm のセラスリットを確保し，本スリットを通じて放電室内部に推進剤を供給した．推進剤は純度99.99%のミックプレートを設けた．これによりリング型陽極内面とセラミックプレート外面との間に幅 1.5キセノンを使用し市販の流量計(Model3660, コフロック株式会社)にて供給流量を制御した．陰極mm のスリットを確保し，本スリットを通じて放電室内部に推進剤を供給した．推進剤は純度には従来用いられてきた市販のホローカソード(DLHC-1000,Kaufman & Robinson Inc.)と線径0.399.99%のキセノンを使用し市販の流量計(Model3660,コフロック株式会社)にて供給流量を制御しmmの1%トリウム入りタングステン線を用いて自作したフィラメントカソードとの2種類を用意した．陰極には従来用いられてきた市販のホローカソード(DLHC-1000,Kaufman & Robinson Inc.)と線た．
径0.3 mm の 1%トリウム入りタングステン線を用いて自作したフィラメントカソードとの 2 種類を用意した．

1 スラスターヘッドの概念図
図 1図 スラスターヘッドの概念図

2 －－ 60

2.2.
実験条件
2.2．実験条件
実験は全て直径 1.2 m，長さ 3.2 m の真空チャンバー内で行い，排気速度 8200 L/s のクライオポ
実験は全て直径1.2 m，長さ3.2 mの真空チャンバー内で行い，排気速度8200 L/sのクライオポンプ(CRYO-U20, /s, ULVAC CRYOGENICS Inc.)にて排気した．実験条件を表 1 に示す．各電子源にンプ(CRYO-U20, /s, ULVAC CRYOGENICS Inc.)にて排気した．実験条件を表 1に示す．各電子対して推進剤流量および放電電圧を 0.41 mg/s - 0.68 mg/s，250 V – 400 V の範囲でそれぞれ変化さ源に対して推進剤流量および放電電圧を0.41 mg/s - 0.68 mg/s，250 V – 400 Vの範囲でそれぞれせた際の推力と放電電流とを測定した．放電電圧の印加には市販の直流電源(N8935A, Keysight
変化させた際の推力と放電電流とを測定した．放電電圧の印加には市販の直流電源(N8935A,Technologies)を用いた．ホローカソードおよびフィラメントカソ ードの作動には定電流電源
Keysight Technologies)を用いた．ホローカソードおよびフィラメントカソードの作動には定電流
KC8002(Kaufman & Robinson Inc.)と PWR800L(菊水電子工業株式会社)とをそれぞれ使用した．ホロ電源KC8002(Kaufman & Robinson Inc.)とPWR800L(菊水電子工業株式会社)とをそれぞれ使用しーカソードの作動に必要なキセノンガスの流量は 0.49 mg/s，キーパー電流は 2 A で固定した．推力た．ホローカソードの作動に必要なキセノンガスの流量は0.49 mg/s，キーパー電流は2 Aで固定
測定には分解能 0.2 mN を有する重力振り子式スラストスタンド[４]を用いた．
した．推力測定には分解能0.2 mNを有する重力振り子式スラストスタンド[４]を用いた．
表 1
Parameter
Propellant
Flow rate

Symbolṁa

Discharge voltage
Filament power
Cathode flow rateVdPfṁcKeeper current

Jk

実験条件一覧

表1

実験条件一覧

Unit
mg/s(Aeq)
VW
mg/s(Aeq)
A

Filament cathodeXe
0.41-0.68
0.3-0.5
250-400
100, 150-

Hollow cathodeXe
0.41-0.68
0.3-0.5
250-325
0.49
0.36
2.0

3.3．実験結果
実験結果
3.1．フィラメントカソードでの作動特性
3.1.
フィラメントカソードでの作動特性
まず初めにフィラメントカソードへの供給電力P
まず初めにフィラメントカソードへの供給電力Pffが放電電流が放電電流JJdに及ぼす影響を取得した．P
f =f =d に及ぼす影響を取得した．P1002に示す．P
fに応じてJdは8倍以上異な100W Wもしくは150もしくは 150 WWにおける放電電圧Vにおける放電電圧 VddとJとdとの関係を図Jd との関係を図2 に示す．
Pf に応じてJd は 8 倍以上り，Pf = f 150dが増大した．フィラメントからの熱電子放出量はフィラメントの表面温度の異なり，P= 150WにてJW にてJd が増大した．フィラメントからの熱電子放出量はフィラメントの表面温増加関数[1]であることからPfが大きいほど熱電子放出量が増加し推進剤の電離に必要な電子が放電度の増加関数[１]であることからPf が大きいほど熱電子放出量が増加し推進剤の電離に必要な電室内部に十分供給された結果 Jdが増加したと考えられる．以降Pfは150 Wに固定した．
子が放電室内部に十分供給された結果Jd が増加したと考えられる．以降
Pf は 150 W に固定した．

1.0

Jd , A

0.80.6.
Jd=ema /mi

0.40.20150

図 2

Pf=150W

100W
200250Vd , V300350

図 2 フィラメント電力に応じた放電電流特性, ma = 0.68
フィラメント電力に応じた放電電流特性,
ṁa mg/s.
= 0.68 mg/s.

3 －－ 61次に，V3に示す．いずれの推進剤流量mdに対する推力FおよびJaにおいてもVdの増加 Vd
次に，VF およびdの関係を図Jd の関係を図3 に示す．いずれの推進剤流量ṁa においてもd に対する推力
4

次に，Vd に対する推力
F および Jddは頭打ちとなった．取得したmの関係を図3 に示す．いずれの推進剤流量ṁa においてもVd Fに対してFは単調に増加した一方でJに対するFの依存性はaおよびVdṁの増加に対してF は単調に増加した一方でJd は頭打ちとなった．
取得した
Vd に対する
a および4の増加に対してF は単調に増加した一方で Jd は頭打ちとなった．取得した ṁa および Vd に対する F
静電加速推力の傾向を示しており放電室内部で生成したイオンが電極間の加速電荷により静電加速の依存性は静電加速推力の傾向を示しており放電室内部で生成したイオンが電極間の加速電荷にの依存性は静電加速推力の傾向を示しており放電室内部で生成したイオンが電極間の加速電荷にされていることが分かった．
より静電加速されていることが分かった．
より静電加速されていることが分かった．

15.
ma , mg/s.
ma 0.41, mg/s
0.550.410.550.68

1510, mN
F ,FmN

100.685500JJdd, ,AA1.51.51.01.00.500100100200200300
300

VVd d, V,V400
400 500500

図 33 フィラメントカソードにおける推力及び放電電圧特性,フィラメントカソードにおける推力及び放電電圧特性,
=f150
W. W.
図 3 フィラメントカソードにおける推力及び放電電圧特性, Pf = 150PW.
fP
図= 150

スラスターヘッドへの投入電力P (≡ JdVd)に対する比推力Isp,a (≡ F/(mag))と推力性能ηa (≡ F 2 /スラスターヘッドへの投入電力 aPPa (≡JdVd)に対する比推力 Isp,a (≡ F/(ṁag))と推力性能 ηa (≡スラスターヘッドへの投入電力
a (≡ JdVd)に対する比推力 Isp,a (≡ F/(ṁag))と推力性能 ηa (≡P(2m))との依存性を図4および図5にそれぞれ示す．ここでgは重力加速度である．ma aaに依らずPaF2/(2ṁP ))との依存性を図 4 および図 5 にそれぞれ示す．ここで g は重力加速度である．ṁに依444a aaF /(2ṁaPa))との依存性を図 4 および図 5 にそれぞれ示す．ここで g は重力加速度である．ṁ
a に依の増加に伴いIsp,aは増加し最大で1770 s (ma = 0.55 mg/s, Vd = 400 V)であった．ηaも同様の傾向を示
らず Pa の増加に伴い Isp,a は増加し最大で 1770 s (ṁa = 0.55 mg/s, Vd = 400 V)であった．ηa も同様の傾らず Pa の増加に伴い Isp,a は増加し最大で 1770 s (ṁa = 0.55 mg/s, Vd = 400 V)であった．ηa も同様の傾しており最大で23%となった．
向を示しており最大で23%となった．
向を示しており最大で 23%となった．

24302000

30

2000

2525

1500

201000.
ma , mg/s.
ma0.41, mg/s0.55
0.410.68
0.55

1000

500

50000a,%a ,%Isp,a , s

Isp,a , s

1500

00100

100

200300400

200 P300
a , W 400

0.68
500

500.
ma , mg/s.
0.41ma , mg/s
0.55
0.41
0.68
0.55

1510

10

505
0600

600

Paに対するIIsp,a4 a に対するの依存性,
W W
Pa , W Pf =P150
図 4図 Pの依存性,
sp,af = 150

図 420150

図 5－ 62 －

4100

200

300

400

W
200Pa , 300

0.68

500

400

600

500

Paに対するη
ηaaの依存性,
WWPa , WPfP=f =150
図 5 図P5a に対するの依存性,
150

Pa に対する Isp,a の依存性, Pf = 150 W

40100600

Pa に対する ηa の依存性, Pf = 150 W

3.3．電子源の違いによる推力性能評価
3.3.
電子源の違いによる推力性能評価
電子源にフィラメントカソードおよびホローカソードをそれぞれ用いた場合のIηa算出結
電子源にフィラメントカソードおよびホローカソードをそれぞれ用いた場合のsp,aIおよびおよび
η 算
sp,aa

果を図6および図7それぞれに示す．横軸は推進剤単位質量当たりの投入エネルギーPa/maである．
出結果を図6 および図7 それぞれに示す．横軸は推進剤単位質量当たりの投入エネルギーPa/ṁa でPある．P
a/maが同一の場合推力性能に違いは見られなかった．フィラメントカソード使用時のPa (> 155 W)
a/ṁa が同一の場合推力性能に違いは見られなかった．フィラメントカソード使用時の Pa (>4はホローカソード使用時のPa (> 325 W)に対して半分以下であることからフィラメントカソードの155 W)はホローカソード使用時のPa (> 325 W)に対して半分以下であることからフィラメントカソ採用により従来のホローカソードと同程度の推力性能を維持しつつ低消費電力での作動を実現できードの採用により従来のホローカソードと同程度の推力性能を維持しつつ低消費電力での作動をた．
実現できた．
2000

302520a , %

Isp,a , s

1500
1000
Electron source
Filament cathode
Hollow cathode50000200

400600.
Pa /ma , MJ/kg

800

1510

Electron source
Filament cathode
Hollow cathode5010000200400600.
Pa /ma , MJ/kg

800

1000

Pf =P150/maに対するI
W, W,sp,aの依存性,
図 6 図P6a/ṁPa aに対するIsp,aの依存性,
f = 150

Pf =P150
ηaに対する図 7 図P7a/ṁPaa/mに対する
ηaaの依存性,の依存性,
150 W,
f = W,

ṁc = 0.49 mg/s.

ṁc = 0.49 mg/s.

mc = 0.49 mg/s.

mc = 0.49 mg/s.

参考文献
参考文献
1 D. M. Goebel et al., Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters, John Wiley &１ D.Sons
M. Goebel(2008).et al., Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters, John Wiley & Sons
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４ D.characteristics
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performancediverging-magnetic-field
thrusterwithAppl. Phys. 122,
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fieldinelectrostatic
thruster,”J. electrostatic
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monoatomic propellants,” J. Propul. Power 35, pp. 236-238 (2019).
(2017).
4 D. Ichihara et al.,“Similar thrust performance in diverging-magnetic-field electrostatic
thruster with monoatomic propellants,”J. Propul. Power 35, pp. 236-238 (2019).

5－ 63 －