超小型マイクロ波エンジンの研究 Study of Nano Microwave Engine 上島広史 Hirofumi UESHIMA 田中吹雪佐鳥 Fubuki TANAKA 北海道工業大学新 Shin SATORI Hokkaido Institute of Technology １．はじめに近年の衛星開発は、小型化へと情勢が変化しつつあり、大学による衛星開発も可能となった。そのような中、大放電・加速室 Xe ガス + 学生による衛星開発のひとつの到達点として、米 Stanford 大学の Twiggs 教授により、一辺の大きさがイオンビーム + + + e e e マイクロ波 10[cm]、重量 1[kg]以下、総消費電力 3[W]の立方体状の超小型衛星である CubeSat が提案された。衛星本体の小加速電源中和器型化に伴い、姿勢制御・推進機器にも小型化が求められるため、推力源として従来のガスジェットよりも、小型・高比推力な電気推進が適している。電気推進とは、推進剤を電離・プラズマ化し、イオンに電位を与えその反作図１マイクロ波エンジン原理図３．エンジンヘッドの設計用によって、推進力を得るものである。現在用いられて本研究のために、4 種類のエンジンヘッドと、2 種類いるイオンエンジンでは、イオンの抽出・加速のためにのアンテナの設計を行った。マイクロ波エンジンの作多孔電極を用いらなければならないが、本研究で用いた動特性は、各エンジンヘッドの放電室形状（磁場形状）、マイクロ波エンジンは多孔電極を使用せず、本体からのアンテナ形状・配置により変化するため、磁石の設置加速電圧によってイオンを抽出・加速する。そのため簡位置および、放電室の形状を変更した、A から D 型の易な構造となり、小型・軽量化が期待できる。 4 タイプのエンジンヘッドを設計した（図 2）。本研究では、CubeSat に搭載可能な小型・省電力なマ：磁力線方向イクロ波エンジンの開発を行うために、 ① マイクロ波電力 1[W]で動作可能な、超小型マイクロ波エンジンの設計 ② 超小型マイクロ波エンジンの推力を評価を目的とした。２．動作原理Ａ型図２Ｂ型Ｃ型Ｄ型エンジンヘッド 1/2 断面図マイクロ波エンジンの簡単な原理を図１に示す。マイまた各エンジンヘッドは、磁場形状は異なるが、いずクロ波エンジンは放電・加速室（エンジンヘッド）と中れも ECR に必要である磁場強度の領域が交わるよう和器より構成される。推進剤にはキセノンガスを使用し、設計されている。ここで ECR に必要な磁場強度は、放電室内の磁場と共鳴周波数 fc のマイクロ波による ECR fc=1.5[GHz]のとき、53.5[mT]である。またプラズマ生（電子サイクロトロン共鳴）によって電子を加速し、キ成は、磁場の交わる付近でおこなわれると考えられるセノンを電離・プラズマ化する[1]。さらにエンジン本体ため、L 字型と角度つきの 2 種類のアンテナ（図 3）に加速電圧を与えることで、プラズマ化した推進剤からは、それぞれその先端が、磁場の交わる領域に接する陽イオンを抽出し、その反作用によって推力を得る。まように設計されている。図 4 におけるプラズマ生成領た抽出された陽イオンは中和器から放出される電子によ域では、ECR によって加速された電子による気体の電り、中性粒子として排出することで、イオンの拡散によ離が行われ、イオンと電子が発生している。その際にる推力密度の低下、マイクロ波エンジン本体の帯電を防イオンは慣性のためとどまり、電子は磁力線に絡みついでいる。実験には 1.5[GHz]のマイクロ波を使用した。く性質のために、磁場に閉じ込められる。この電子を加速し気体に衝突させることで、プラズマ生成（電子生成とイオン生成）を連続的に行うことができる。真空での動作を想定しているため、実験は真空チャンバー内にて行った。５．特性測定結果Ｌ字角度付き図３マイクロ波用アンテナプラズマ生成の A 型、B 型、C 型、D 型の各エンジンヘッドの作動 ECR に必要な磁場行われる領域特性を測定した結果、L 字型アンテナを使用した場合に最も良い値が得られた。次に各エンジンヘッドと L 字型アンテナの組み合わせから得られた結果を式(1)、 (2)を用いて推力、電力に換算したものが以下の結果である。結果から B 型エンジンヘッド使用時に電力 1.15[W]で、約 14[µN]の推力を得られたことが分かる。 b)．等磁面中のプラズマ生成領域ズマ生成領域図４推力[µN] a)．磁力線中のプラ磁場とプラズマ生成の様子４．実験方法・装置本研究ではエンジンヘッド部分での消費電力ンジンヘッド部分での消費電力 1.15[W] （理想的条件は、加速電圧（理想的条件は、加速電圧 150[V]、ビーム電流 1[mA]） 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 A型 B型 C型 D型 1 1.05 1.1 のときの推力を測定する。また中和器を用いず、エンジのときの推力を測定する。また中和器を用いず、エンジ図５ンヘッド部分のみでの実験を行った。陽イオンの中和に 1.15 電力[W] 1.2 1.25 推力換算による特性の比較は、エンジンヘッド本体からの 2 次電子放出を利用した。測定対象とするのは、加速電圧 Va、イオン生成に伴う加まとめ速電流 Ia、放電室から抽出されたイオンがコレクタ（イ ① マイクロ波電力 1[W]で動作可能な超小型マイクロオン捕集電極）に捕集されることによるビーム電流 Ib、波エンジンの設計を行い、開発に成功した。放電室へのマイクロ波入射電力Ｐµ である。実験で得られ ② 本研究で設計した B 型のエンジンヘッドとＬ字型た電流値から、推力及び電力を求め、それをもとに各エアンテナを使用した場合に、電力 1.15[W]で約ンジンヘッドの性能評価を行う。推力及び電力はそれぞ 14[µN]の推力を得た。れ式(1)、(2)のように定義される[2]。謝辞 2 M iV a I b [ N] T =γ e (1) Ptot . = I aVa + Pµ [ W ] (2) 設計にご協力いただいた、北海道工業大学大学院修士田中吹雪氏、本研究のための設備を提供してくださっここで、Mi はキセノンイオンの質量、Va は加速電圧[V]、た㈲先端技術研究所に深く感謝いたします。参考文献 Ia は加速電流[A]、Ib はビーム電流[A]、e は電子の電荷で [1] 研究代表者ある。Pµ はマイクロ波電力であり、本研究では 1[W]であための物理的諸現象の解明る。発散係数 γ=cosθ（θ：ビームの発散角）は実験か研究所補助金研究成果報告書」、宇宙科学研究所、1983、ら求められる。 178-182 理想的条件から、式(1)、(2)を用いてマイクロ波エンジンの性能目標を求める。推力、電力の理想値は・推力 T＝17.035 ・電力 P＝1.15 [µN] [W] となる。4 種類のエンジンヘッドと、2 種類のアンテナを組合せ、８種類のエンジンヘッドについての作動特性の測定を行う。またエンジンヘッドには、放電室内に一定のガス圧力を保つため、φ5.5[mm]の開口部を設ける。推進剤流量は 0.2[sccm]とした。マイクロ波エンジンは吉川孝雄「電気推進システム実現の平成７∼平成８年度科学 [2] 伊藤康正「マイクロ波エンジンの大型化に関する性能予測」、(有)先端技術研究所、2002、1-2