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歴史HIstory

ホールスラスタ開発の歴史

ホールスラスタ原理図

　
　ホールスラスタは，1950 年代から1960 年代にかけてロシア（旧ソ連）のクルチャトフ原子エネルギ研究所において，イオンマグネトロンの原理の応用として考え出されたのが最初である[1]．まず，1960 年代始めに，Moroэob らによってマグネティックレイヤ型ホールスラスタであるSPT(Stationary Plasma Thruster)シリーズが開発され[2] ，1960 年代後半までには，SPT は比推力1,000~2,000 s にて20~35 %程度まで得られるようになった．SPT シリーズには放電室の径の大きさによってSPT-50，70，100，140 などのラインナップが存在し，ロシアのFakel社によって開発がすすめられた．このシリーズは今日までに140 以上，ロシアおよび欧州諸国で用いられている．一方で，Zharinov らによってアノードレイヤ型ホールスラスタであるTAL (Thruster withAnode　Layer) シリーズも開発が進められてきた[3,4]．TALシリーズも径の大きさによりD-38，55，100，110，150 など数種類のラインナップを持つ．その中で最も典型的なのがD-55 と呼ばれるタイプであり，ロシアTsNIIMASHにて開発が続けられてきた．
　米国において初期のホール型推進機（加速器Acceleratorとも表現された）は推進剤を予め電離しておき, 生じたプラズマに対して径方向磁場と軸方向電場を印加してイオンの加速を行っていた[5,6]. 例えばアークジェットの噴出プラズマに対して磁場と電場を印加してイオンの加速を行った例もある[7]. しかし1966年にはArを気体の状態で放電室に導入し, ホール電流を電離に積極的に活用する方式のものが現れた[8]. 現在キセノンを推進剤とするホール型推進機の多くはこの方式を採用している. 1967年にはSpace-charge-sheath electric thrusterと呼ばれるホール型推進機が現れた[9]. これは現在もっぱらTAL(後述)と呼ばれる推進機の原型ともいえるホール型推進機である. 推進剤としてCsを用いたホール型推進機は比推力800-1200秒において30-40%（イオン源の消費電力を除いた）の推進効率が得られたが[10], 当時のイオン推進機と比べて推進効率が低く, また比推力5000-10000秒が必要な惑星間探査への関心の高まりから米国におけるホール型推進機の研究は1970年代に入ると下火になった.
　90年代に入ってからホール型推進機の有用性が見直され, NASAは既に商用レベルに達していたロシアのFakel社製のSPT-100を導入してその技術を積極的に吸収すべく研究を開始した[11]. 2004 年，Space System Loral 社のMBSAT[12]に搭載されたのが最初の商用利用であり，このとき用いられたのはSPT-100である．一方で，アメリカではホールスラスタの商用利用に向けた国内での開発も盛んに行われている．Busek 社はBHT-200 と呼ばれるモデルを開発し，2006年にはAir Force のTacSat-2 に搭載された[13]．近年では，Lockheed Martin Space System 社がAerojet社とともに開発したBPT-4000 をAir Force の防衛通信衛星Advanced-EHT に搭載する予定であることを発表した[14]．また，Aerojet社もNASA のJPLとともに，NASA の深宇宙探査にBHT-4000 を用いることを検討している[15]．
　ヨーロッパにおいては，ソビエト崩壊後に，SNECMAによってSPT-100 を基にしたPPS-1350[16,17]と呼ばれるホールスラスタが開発され，ESA により月周回軌道衛星SMART-1[18]に搭載され，デモンストレーションが行われた．
　　日本においても，准天頂衛星用の推進系として三菱電機によって５ｋＷ級のホールスラスタの開発が行われた[19]．

  1. Kaufman, H. R., “Technology of Closed-Drift Thrusters,” AIAA journal, Vol. 23, No. 1,
    1985, pp.78-86.
  2. Kim, V., “Electric propulsion activity in Russia,” IEPC Paper 2001-005, October 2001.
  3. M. T. Domonkos, C. M. Marrese, J. M. Haas, and A. D. Gallimore, “Very Near-Field Plume
    Investigation of the D55,” AIAA-1997-3062, 33rd JointPropulsion Conference, Seattle,
    Washington, July 6–9, 1997.
  4. S. O. Tverdokhlebov, A. V. Semenkin, and A. E. Solodukhin, “Current status of multi-mode
    TAL development and areas of potential application,” AIAA-2001-3779, 37th Joint Propulsion
    Conference, Salt Lake City, Utah, July 8–11, 2001.
  5. A. I. Morozov and V. V. Savelyev, “Fundamentals of Stationary Plasma Thruster Theory,” in the book Review of Plasma Physics, Vol. 21, pp. 203-391, Edited by B. B. Kadomtsev and V. D. Shafranov, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2000.
  6. E. A. Pinsley, C. O. Brown and C. M. Banas, “Hall-current Accelerator Utilizing Surface Contact Ionization,” Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 1, No. 5, pp.525-531, 1964.
  7. G. L. Cann and G. L. Marlotte, “Hall Current Accelerator,” AIAA Journal, Vol. 2, No. 7, pp.1234-1241, 1964.
  8. G. S. Janes and R. S. Lowder, “Anomalous Electron Diffusion and Ion Acceleration in a Low-Density Plasma,” The Physics of Fluids, Vol. 9, No. 6, pp.1115-1123, 1968.
  9. R. X. Meyer, “A Space-Charge-Sheath Electric Thruster,” AIAA Journal, Vol. 5, No. 11, pp.2057-2059, 1967.
  10. C. O. Brown and E. A. Pinsley, “Further Experimental Investigations of a Cesium Hall Current Accelerator,” AIAA Journal, Vol. 3, No. 5, pp.853-859.
  11. N. Gascon and M. Dudeck, “Wall Material Effects in Stationary Plasma Thrusters. Ⅰ Parametric Studies of an SPT-100,” Physics of Plasmas, Vol. 10, No. 10, pp. 4123-4136, 2003.
  12. D. L. Pidgeon, R. L. Corey, B. Sauer, and M. L. Day, “Two Years On-Orbit Performance of
    SPT-100 Electric Propulsion, ” AIAA 2006-5353,42nd Joint Propulsion Conference,
    Sacramento, California, July 9–12,2006.
  13. T. Yee, “Roadrunner, a High-Performance Responsive Space Mission,” Proceedings of the
    18th AIAA/USU Conference on Small Satellites, SSC04-I-5, Logan, Utah, August 2004.
  14. K. H. de Grys, B. Welander, J. Dimicco, S. Wenzel, B. Kay, V. Khayms, and J. Paisley, “4.5
    kW Hall Thruster System Qualification Status,” AIAA 2005-3682, 41st Joint Propulsion
    Conference, Tucson, Arizona, July 10–13, 2005.
  15. R. R. Hofer, T. M. Randolph, D. Y. Oh, J. S. Snyder, “Evaluation of a 4.5 kW Commercial
    Hall Thrusters System for NASA Science Missions,” AIAA-2006-4469, 42nd Joint Propulsion
    Conference, Sacramento, California, July 9–12, 2006.
  16. M. Lyszyk, E. Klinger, J. Bugeat, and D. Valentian, “Development Status of the PPS-1350
    Plasma Thruster,” AIAA-1998-3333, 34th Joint Propulsion Conference, Cleveland, Ohio, July
    13–15, 1998.
  17. C. R. Koppel and D. Estublier, “The SMART-1 Electric Propulsion Subsystem,”
    AIAA-2003-4545, 39th Joint Propulsion Conference, Huntsville, Alabama, July 20–23, 2003.
  18. C. R. Koppel and D. Estublier, “The SMART-1 Hall Effect Thruster around the Moon: In
    Flight Experience, ” IEPC-2005-119, 29th International Electric Propulsion Conference,
    Princeton, New Jersey, October 31–November 4, 2005.
  19. Ozaki T, Inanaga Y, Nakagawa T, Kasai Y, Matsui K. Development status of high power
    xenon Hall thruster of MELCO. In: ISTS2006-b-34, 25th international symposium on space
    technology and science, 2006.