超小型マイクロ波エンジンのシステム設計

１． “マイクロ波エンジン”とは？

　マイクロ波エンジンとは、衛星の推力源として利用される、電気推進⁽¹⁾の一種である。ガスの噴出圧力を利用する化学推進との大きな違いは、衛星に搭載されているガスをプラズマ化して利用する点である。プラズマ化（電離）させることで、電圧によって噴出速度・噴出量を調整でき、ガスの消費を抑えることができる。表１は、化学推進の一種であるヒドラジンスラスタと、電気推進の簡単な比較である。表のように、電気推進は化学推進に比べて比推力⁽²⁾が一桁大きく、推進剤の利用効率が高い。推進機関は、噴出質量と噴出速度の積で評価され、噴出量・噴出速度を変化させられる電気推進は、化学推進にくらべて、大きく性能を上げることができる。

表１．性能比較

(1)電気推進：ガスなどの燃料（推進剤）をプラズマ化させ、電界によるイオンの加速によって、推力を得るタイプの推進器。1960年代に旧ソビエトで開発が始まり、現在はイオンエンジン、ホールスラスタなど数種類が世界各国で研究されている。

(2)比推力：推進器の性能を表す指標の一つ。有効に推力を発生できる時間を表す。

２． マイクロ波エンジンを取り巻く環境

u 小さくなる衛星

数年前から、各国の大学を中心として、CubeSat⁽³⁾プロジェクトが進められている。CubeSatとは一辺10[cm]の立方体の衛星である。2003年6月に、ロシアで一回目の打ち上げが行われ、日本からは東京大学、東京工業大学が参加した。

u 高度化する要求

現在のCubeSatは、各大学が独立のミッションを運用しているが、今後、フォーメーションフライト（編隊運用）などのコラボレートミッションの出現が予想される。その場合、長時間にわたり相対位置を保つことが必要となるが、化学推進では難しく、そのようなミッションには比推力の大きな電気推進が適している。

(3)CubeSat：キューブサット。1999年に米国スタンフォード大学教授のTwiggs氏より提案された、学生主導の超小型衛星プロジェクト。一辺が10[cm]の立方体形状、総重量1[kg]以下、総消費電力3[W]という規定が設けられている。日本では東京大学、東京工業大学、日本大学、創価大学、九州大学が参加し、海外ではスタンフォード大学（アメリカ）、カリフォルニアポリテクニク（アメリカ）、オールボー大学（デンマーク）など、その他世界各国の大学が参加している。

３． マイクロ波エンジンの原理

電気推進は、推進剤をプラズマ化して利用するが、各方式の違いは、そのプラズマ化の方法にある。マイクロ波エンジンは、マイクロ波と磁場、電子による共鳴現象（ECR）を利用し、推進剤の電離を行う。図１はマイクロ波エンジンの原理図である。

図1．マイクロ波エンジン原理図

マイクロ波エンジンは、スラスタヘッド内に磁石（図中の黒い四角■）を設置し、磁力線周りに存在する電子の運動を、磁場とマイクロ波の作用によるECR（電子サイクロトロン共鳴現象）により加速させる。加速された電子と衝突させることで推進剤を電離し、プラズマを生成する。プラズマから、イオン加速電源により陽イオンを抽出し、その反力によって推力を得ることができる。

４． 研究の目的

　マイクロ波エンジンのシステムの設計にあたり、次の項目を目的とした。

u CubeSatに搭載可能であること。（10×10×10[cm]以下、消費電力3[W]以下）

u 20[μN]程度の推力を発生できること。

　この二つの目的にために、次の①～③を開発目標とした。

① マイクロ波電力1[W]で動作可能なエンジンヘッドの開発

② 小型マイクロ波電源の開発

③ イオン加速電源の開発

５． マイクロ波エンジンシステムの製作

　今回作成するマイクロ波エンジンシステムは、以下のような構成となっている。

図２．超小型マイクロ波エンジンシステム

表２．スラスタヘッド設計指針
推力[μN]	16
マイクロ波電力[W]	1
マイクロ波周波数[GHz]	1.5
スラスタ形状[mm]	φ15×9×高さ
磁場形成用磁石	サマリウムコバルト
推進剤流量[cc/min]	≦0.3

u スラスタヘッドの設計

図３はスラスタヘッドの断面図である。図中の黒の部分のように、磁場形成用のサマリウムコバルト磁石が設置されている。

表２にスラスタヘッドの設計指針を示した。マイクロ波エンジンシステムとしての推力目標は20[μN]だが、スラスタヘッド単体では、マイクロ波電力1[W]のときに、16[μN]を目標とした。またスラスタヘッドは円筒形状であり、今回の設計では、外径15[mm]、内径9[mm]とした。高さは設計自由度とするため、指針には明記しない。