新しい「空気駆動」衛星エンジンは燃料として地球大気中に直接吸入でき、将来的には永久に軌道上に留まる可能性がある。

要約:

地球の上層大気を推進剤として直接利用できる新しい衛星エンジンが航空宇宙産業から注目を集めています。

この概念は、ドイツのシュトゥットガルト大学の研究者フランチェスコ ロマーノの博士論文に基づいています。その中心となるアイデアは、もともと衛星の速度を低下させていた大気分子を推進システムの燃料に変換し、それによって衛星の動作を妨げる要因を軌道維持に必要な動力源に変えるというものである。

地球から約 100 キロメートルから 450 キロメートル離れた超低軌道領域では、衛星は多くの独自の利点を得ることができます。地面に近づくと、リモート センシング機器はより鮮明な画像をキャプチャできるようになり、通信およびレーダー システムに必要な電力が大幅に少なくなります。同時に、この地域の大気抵抗により、衛星は自然に大気中に引き戻され、廃棄後に燃焼する可能性があるため、スペースデブリの長期蓄積の問題が軽減されます。

しかし、これらの利点には重大な欠点があります。

高度数百キロメートルであっても、残留大気が衛星の速度を低下させ続けます。推力が継続的に補充されないと、衛星の軌道高度は徐々に低下し、最終的には大気圏に落下します。したがって、現在低軌道で運用されている衛星は通常、定期的な軌道修正を行うために搭載された推進システムに依存しており、これらの推進システムが搭載できる燃料の量は限られている必要があります。

従来の電気推進システムは、主にキセノンなどの高価な推進剤を使用します。燃料が使い果たされると、衛星自体がまだ無傷であるかどうかに関係なく、通常、衛星のミッション寿命は強制的に終了します。

ロマーノが提案した解決策は、「大気呼吸電気推進システム」に属します。従来の方法とは異なり、このシステムは飛行中に接近する薄い大気を直接収集し、ガス分子をエンジンに導入し、電場を使用してこれらの分子をプラズマに変換し、その後後方に噴射して推進力を生成します。

理論的には、衛星がまだガスが残っている軌道高度にある限り、大量の追加の燃料を搭載することなく推進剤の供給源を獲得し続けることができます。

しかし、この一見単純なアイデアを現実にするのは簡単ではありません。

研究者らは、超低軌道環境における最大の課題の 1 つは原子状酸素に起因すると指摘しています。高層大気では、紫外線により通常の酸素が単原子酸素に分解されます。この物質は非常に強い酸化力を持っており、従来のイオン エンジンの金属電極、加速グリッド、カソードなどの主要コンポーネントを急速に腐食します。

特に、電荷の中和を担当する陰極システムが最も損傷を受けやすくなります。陰極が故障すると、衛星は荷電粒子を正常に放出できなくなり、推進システムも機能を失います。

さらに、上層大気は安定した環境ではありません。ガス密度は昼夜の変化、太陽活動、軌道位置によって変動するため、推進システムの設計はさらに困難になります。

これらの問題に対処するために、ロマーノは新しいタイプの高周波螺旋波プラズマ スラスターを設計しました。従来のイオン エンジンと比較して、この設計は腐食の影響を受けやすい中和剤や陰極システムに依存せず、正イオンと負イオンの両方を含む準中性プラズマ ジェットを生成することで推進タスクを達成します。

研究チームは、特殊な大気収集構造も開発しました。最も効果的なのは放物面鏡構造の吸気装置である。実験では、この設計は接近してくるガス分子の約 94.3% を捕捉することができました。衛星の姿勢が多少ずれても収集効率の低下は比較的少ない。

スラスターのコア部分は、磁気共鳴画像装置の「鳥かごアンテナ」と同様の構造設計を採用しています。テスト結果は、このソリューションが高周波エネルギーの約 99% をスラスターに伝達でき、従来のコイル構造によって引き起こされるエネルギー損失を大幅に削減できることを示しています。

実験室シミュレーションの結果によると、推進システムが安定したプラズマ流を形成するのに必要な電力は 50 ～ 60 ワットのみであり、実際の軌道環境では、連続運転を維持するために必要な電力は 1.6 キロワット未満であると予想されます。研究者らは、この需要は通常のソーラーパネルで十分に満たせると考えている。

モデルの計算によると、システムの性能が期待どおりであれば、衛星は従来の推進剤を補充することなく、高度約 190 ～ 250 キロメートルの軌道を長期間維持することができます。これは、ミッションの寿命が大幅に延長される可能性があるだけでなく、打ち上げの品質とミッションのコストも削減できることを意味します。

研究者らは、この技術はまだ実験的検証と理論的モデリングの段階にあり、実際の宇宙ミッションではまだテストされていないことを強調しました。その長期信頼性、軌道環境適応性、実際の推進効率については、さらに検証する必要があります。

これにもかかわらず、業界は一般に、大気呼吸推進システムが超低軌道衛星開発の重要な方向性を示すものであると考えています。将来、配備が成功すれば、次世代の地球観測衛星、通信衛星、さらには他の惑星探査機も、動作を維持するために周囲環境の天然ガスに依存し、従来の推進剤への依存がなくなると予想されます。