数値シミュレーションによる地上試験環境におけるイオンスラスタのプラズマプルーム電位の評価

摘要

近年，イオンスラスタ等の電気推進はその高比推力性能から，動力航行による深宇宙探査や大型商用衛星の姿勢制御・軌道上昇等にも使用され，その用途はさらに拡大しつつある．イオンスラスタの定常作動時，すなわちイオンスラスタ完全中和においては，イオン源から高速イオンビーム電流と電子源である中和器から熱的電子電流を同量放出しており，宇宙空間に電気的に浮動である宇宙機電位がおよそ0Vに維持される．このとき，イオンスラスタ下流にはプラズマプルームが形成され，例えば「はやぶさ」では正のポテンシャルを持つ．プルームはビームイオンと中性原子で構成されており，プルーム内では，熱速度を有する中性原子が高エネルギーのビームイオンと衝突し，次の電荷交換反応を引き起こす2)．Xe~+_(fast) + Xe_(slow) → Xe~+_(slow) + Xe_(fast) (1)この反応により電荷交換イオン（＝Xe~+_(slow)）が生成される．宇宙機電位とプルームポテンシャルの電位差によって，プルーム内で生成された電荷交換イオンが宇宙機構体に向かって加速し，バックフローとなり，宇宙機構体に衝突する（図１）．この衝突により，イオンスラスタ周辺の宇宙機表面損耗を引き起こす可能性がある．実際に，小惑星探査機「はやぶさ2」では，最大90[ng/cm2/h]の損耗が観測されている3)．この宇宙機表面材料損耗を定量的に評価するためには，宇宙機に逆流するイオンのエネルギーが重要であるが，これは，イオンスラスタ作動時における宇宙機電位とプルーム電位の差で決定される．現在，本研究グループでは，バックフローイオンによるイオンスラスタ近傍材料の損耗評価をするための地上試験を実施中であり，地上試験におけるイオンスラスタ試験では，宇宙機電位（スラスタ基準電位）を0V 固定としている．しかし，軌道上ではスラスタ基準電位が浮動である6)ため，スラスタ基準電位の差により形成されるプルーム電位に差異があるかを検討する必要がある．そこで，本研究では，これまで本研究グループが開発した，3 次元完全粒子静電コードを使用7)し，イオンスラスタの完全中和時の宇宙機電位とプルーム電位およびプルーム形成過程における諸量を解析することを目的とする．本稿では，小型イオンスラスタの完全中和を再現し，宇宙機電位を0V 固定と浮動にした場合の宇宙機電位およびプルーム電位解析について報告する．