微小電力マイクロアークジェット推進機 Very Low-Power Micro

微小電力マイクロアークジェット推進機
Very Low-Power Micro-Arcjet Thrusters
堀澤秀之*，芦谷穂高*，木村逸郎**
Hideyuki Horisawa, Hotaka Ashiya, and Itsuro Kimura
*東海大学工学部航空宇宙学科，**東京大学名誉教授
Keywords: Micropropulsion, Electric propulsion, Micro-arcjet, Very low-power arcjet, Thrust
performance.
１．はじめに
このような状況の中で，各種微細加工技術を駆使し
マイクロ機械加工や MEMS（Microelectromechanical
て，既存の推進機を単に小型・低電力化したものから，
Systems）などの各種精密加工技術の成熟は，宇宙工学
全く新しいシステムを構築したものなど，種々の方式
の分野においても，革新的な夢に挑戦する好機をもた
の超小型推進（micropropulsion）システムが検討される
らしたといえる．超小型の高機能衛星システムが構築
ようになってきた 1~4)．小型衛星に課せられるミッショ
可能になってきたことなどがこの一例である．さらに，
ンの要求は様々に変わり得るので，ときには一機の衛
このような超小型衛星群が，地球周回軌道上でフォー
星に幅広い作業性が要求されることもあり得る．この
メーションフライトし，各種高機能デバイスを駆使し
ように，超小型推進機には，万能で多才なシステムが
て極めて複雑な任務を果たすことなどが現実のものと
求められているといっても過言ではない．従って，高
1)
なってきた．複数の超小型衛星群が様々な任務を担う
推力の化学推進から高比推力の電気推進に至るまで，
場合は，一機の大型衛星を用いる場合よりも安価で，
様々なシステムが候補に上げられ，検討されている．
1)
かつ，より柔軟で信頼性の高い運用を実現し得る．
このように，小型衛星群の各々が一つのシステムと
この中で電気推進については，これまで消費電力が 100
W 以下のシステムについて，イオン推進機，FEEP，PPT，
して有効に機能するためには，各衛星に制御性の高い
ホール推進機，レジストジェット，アークジェットな
推進システムが必要になることはいうまでもない．し
ど，様々な研究が各国で進められている 1)．本稿では，
かしながら，小型衛星では，質量，体積，電源，最大
筆者らが試作ならびに性能評価を重ねてきた超小型微
電圧などが大幅に制限される．従って，推進システム
小電力アークジェットについて取り上げる 5~13)．
の設計においては，可能な限り高い推進性能を維持し
一般にアークジェット推進機は，システムや構造が
つつ，小型化・低電力化を実現することなど，多くの
比較的単純で軽量化に適している．また，推力密度が
ハードルを乗り越えなければならない．
大きく，電熱型推進機の中でも比較的高比推力が発生
可能で，これまで，静止軌道上での南北制御などをは
じめ，多くの実用衛星に搭載されてきた
14)
．第 1 図に
示すように，アークジェットにおいては，棒状の陰極
Arc column
と同軸に配置された環状陽極との間に推進剤ガスを導
Feed
Gas Cathode
入し，直流アーク放電を発生させることで電極間の推
Constrictor
Anode
進剤を加熱（ジュール加熱）・電離して，最高温度が
10,000 ∼ 30,000 K 程度のプラズマを生成する．なお，
推進剤は，主として放電室内部のスロート（コンスト
第1図アークジェット内部の流れ
およびアーク放電の様子．
リクタ）部でアーク放電陽光柱により加熱される．こ
こで電気的に生成されたプラズマの高いエンタルピは，
末広ノズル（陽極）で空気力学的に加速されることで
運動エネルギに変換される 14~17)．
アークジェットの推進効率には，熱効率，凍結流効
率およびノズル効率などが影響する
14~17)
．この効率を
1
支配する主たる損失は，陽極への熱損失と凍結流損失
である．陽極への熱損失は，放電モードや電流分布に
影響される．すなわち，高電圧モード時においては比
較的小さい
18)
．これまでの研究から，分子ガスの推進
剤を用いた方が，またコンストリクタ径を小さくして
放電室上流部におけるプレナム圧力を高くした方が高
電圧モードになりやすいことが知られている．凍結流
損失については，ノズル内部での圧力を大幅に上げて，
(a) 構造図
再結合反応を促進させない限り低減が期待できない．
Nozzle
また，比入力（電力／流量比）を高くした場合，比推
Cathode
力は上がるが，これに伴いプラズマ温度が上昇し，凍
結流損失が増大することなどにより，推進効率は低下
する．アークジェットの耐久性については，陰極損耗
Quartz window
の程度で決まる．特に，アーク放電始動時にはかなり
(b) 6 mA.
の損耗があり，これを低減することが実用化に際して
Nozzle
Cathode
の最も重要な課題である．これらのことから，アーク
ジェットを微小電力作動させる場合においては，これ
らの損失や電極損耗などの抑制が期待できる．
Quartz window
投入電力が 500 ∼ 1,000 W 程度のいわゆる低電力型
(c) 13 mA.
直流アークジェットは，小型・軽量衛星用の推進機と
16~21)
して，数多くの特性・性能評価がなされてきた
．
Nozzle
Cathode
また，100 ∼ 300 W 程度の微小電力アークジェットに
ついては，マイクロ波加熱型
いは直流定常作動型
5~13)
22)
，パルス型
23,24)
，ある
などについて，高性能化を目
指した研究がなされてきた．このような状況の中で，
Quartz window
筆者らは，さらに低電力の 100 W 未満の微小電力領域
(d) 13.5 mA.
で作動する直流アークジェットの放電特性
5,6)
および
推進性能等について評価・検討を行ってきた 7~13)．微小
第2図
各種放電電流におけるアークジェット
作動中の内部プラズマの様子．
電流領域で安定作動可能な超小型高性能アークジェッ
トが実現できれば，その構造上小型・軽量化が容易で，
比較的高い推力密度が期待できることなどから，超小
型衛星用推進機として適していると考えられる．
本稿では，まず，筆者らによる微小電力放電の観察
用アークジェットを用いた実験から得られた典型的な
結果について紹介する12)．ついで，超小型のマイクロア
ークジェットをレーザ加工機で試作し，これまでの研
究で得られた最適作動条件を適用して，性能評価を行
った結果の一例についても紹介する13)．
2.1 微小電力放電評価用アークジェット
微小電力放電で生成されるプラズマ評価用のアーク
ジェットの構造図を第 2 図(a)に示す．サイズは，全長
41 mm，最大直径 17 mm である．放電室内部のプラズ
マの発光を計測できるように石英ガラス製の観察窓を
設けた．一般的なアークジェットノズルは金属製で，
スロート部は電極（陽極）とアーク柱のコンストリク
タとしての 2 つの役割を担っている 14~17)．本研究では，
コンストリクタ上流側に絶縁材を挿入したノズルを使
２．微小電力放電評価用アークジェットによる各種特
用した．これにより，アークを絶縁材コンストリクタ
性評価
下流部へ強制的に付着させて高電圧モードの放電を維
微小電力領域で作動する直流アークジェットの放電
やプラズマの特性などについては，これまで評価・検
討された例は数少ない
5,6)
．そこで本節では，我々のこ
れまでの研究により得られたこれらの特徴について述
べる．
持させ，かつ，ノズルへの熱損失の低減をはかった．
2.2 放電特性
第 2 図(b)∼(d)は放電電流を変化させたときのアーク
ジェット作動中の放電室内部プラズマの様子をカラー
CCD カメラで撮影した画像である．図に示すように，
2
較的大きいことが予想され，これによる局所的熱損失
本実験条件下における放電電流 13 mA 程度以下の作動
も少なからず影響していると考えられる 15~17)．
では，一般的なアーク放電のように高輝度の放電が陰
極先端の一点に集中してはいない．すなわち，陰極に
おいて比較的低輝度の青色のシース状の発光が広範囲
に発生し，グロー放電に近い放電形態であることが確
認された．また，同図(c)のように放電電流を増加する
につれて，この発光が陰極先端部から全体に広がって
いくことが確認された．
これに対して，放電電流が 13.5 mA 以上に達した場
合，アーク放電に遷移することが確認された（同図(d)）．
この場合，初期の発光は(c)に類似していたが，陰極が
次第に加熱されるにつれて，放電が陰極先端に集中し，
図のように陰極先端付近の輝度が非常に高くなり，ア
ーク放電に遷移した．このように，本実験条件の範囲
第 3 図マイクロアークジェットノズルの加工
に用いたレーザ加工システムの概略図．
では，13 mA 以上ではアーク放電に遷移するため，放
電電流および放電電圧が不安定となった．この場合，
電極および絶縁材が急激に加熱され，一部で溶融がみ
られた．また，質量流量増大により放電室プレナム圧
力が 0.1 MPa 程度に上昇した場合も，アーク放電に遷移
３．マイクロアークジェットの試作
これまでの成果 5~12)にもとづき，アークジェットの更
13)
．本節では，そ
した．これらのことから，アーク放電に遷移しない安
なる小型化および性能評価を試みた
定な作動条件において評価を行った．従って，本アー
の加工法ならびに推進特性について紹介する．
クジェットは厳密にはアーク放電で作動していないと
いえる．このことは，放電電流−電圧特性からも確認
している 5~13)．いずれにしても，このような微小電流条
件下においても，安定な直流放電が実現できることが
確認された．
一般的に，アークジェットのノズルにはタングステ
ン（合金）などの高融点材料が用いられている．通常，
この種の材料について機械加工を施す場合，機械的特
性から加工が困難で，自由な三次元形状を構築し難い．
2.3 放電室内部プラズマの熱的非平衡性と推進特性
我々は，放電およびプラズマの特性が推進性能に対
していかなる影響を及ぼすかについて，すなわち，両
者の相関関係についても検討した
3.1 レーザ加工によるマイクロノズルの微細加工
12)
．分光分析により
これに対して，短パルスレーザを用いる場合，このよ
うな材料に対しても比較的容易に微細加工を施すこと
が可能である
25)
．そこで我々は，短パルスレーザ加工
を適用し，マイクロノズルの試作を行った．
放電室内部プラズマの熱的非平衡性を調べたところ，
マイクロノズルの微細加工を実現するために，第 3
各条件における窒素分子の振動励起温度は 2,000∼
図に示すようなレーザ加工システムを構築した 13,25)．特
2,500 K 程度，回転励起温度は 1,000∼1,800 K 程度で，
に，レーザ照射部における溶融・ひび割れなどの熱影
多くの場合熱的に非平衡状態であることがわかった．
響を局限し，精密な加工を実現するために，紫外レー
特に，投入電力および質量流量が小さい場合に顕著で
ザを使用した．レーザ発振器には，Q-sw 駆動 Nd:YAG
あった．
レーザ（NEW WAVE RESERCH 社製 Tempest-10）の第
推進性能については，作動電力が 5 W 以下の微小電
5 高調波（Fifth-HG，波長 213 nm，パルス幅 5 nsec，パ
力領域においても，推力と比推力が電力増大に伴って
ルス繰返し周波数 10 Hz）を用いた．仕様を第 1 表に示
直線的に増大することが確認された．また，質量流量
す．本システムは，紫外光発生用に複数の非線形光学
が大きい場合に推進効率が高くなることがわかった．
結晶を備えており，すなわち第 2 高調波（SHG）用に
この場合，放電室プラズマが熱平衡状態に近く，放電
KTP，第 3 高調波（THG）用に BBO，第 5 高調波
（Fifth-HG）
エネルギが有効に運動エネルギに変換されていること
用に BBO を使用している．ノズル材料には，耐熱・絶
によると考えられる．本アークジェットの場合，放電
縁材料で低熱膨張率の石英ガラス（あるいはサファイ
中の電極間の放電電圧が高いことから，陰極降下が比
ヤ）を用いた．レーザ光は，試料に対して集光レンズ
（f = 40 mm）で集光して大気中で照射した．図に示す
ように，試料は PC 制御 X-Y-Z 軸ステージ上に固定し，
3
を蒸着し，ガス供給管を設置した様子を示した写真であ
あらかじめプログラム化した目的形状にならって移動
る．なお，推進剤ガスには窒素ガスを使用した．
させた．この方法により試料面上でレーザ光を相対的
にスキャンさせ，三次元構造の微細加工を実現可能と
した．なお，ステージの最小送り速度は 0.2 µm/sec で，
X-Y 方向の最大移動距離はそれぞれ 100 mm である．
我々は，マイクロノズルの形状加工に先立ち，穴加
工，溝加工，表面除去加工などを行い，これら基本形
状の微細加工特性の評価を行った．すなわち，各場合
の形状精度および熱影響（溶融範囲･ひび割れの程度）
などについて比較･評価を行った 25)．その結果，いずれ
の場合においても熱影響を局限した良好な加工形状が
30um
得られることが確認された．特に，表面加工において
は，均一なエネルギ分布のビームを照射することで，
(a) 走査型電子顕微鏡画像
平均表面粗さが 200 nm 程度の良好な表面が実現できた．
(b)
また，ビームスポット径が 10 µm 程度の場合，フルエ
ンス（エネルギ密度）を抑えてパルスを畳重させるこ
520um
とで，深さ方向の除去量制御が 1 µm/pulse 程度の精度
で実現可能なことが確認された．これにより，任意形
状，すなわち直方体や四角推などの精密な除去加工が
可能となった．これらの結果を応用して，様々なサイ
ズのノズル形状の加工を試みた．なお，レーザで形成
したノズルの形状は，走査型電子顕微鏡（SEM, JOEL
JSM5410LV ）およびレーザ顕微鏡（ KEYENCE,
VK-8500）により評価した．
典型的な矩形ノズルの SEM 画像およびレーザ顕微鏡
画像をそれぞれ第 4 図に示す．この場合の試料はサフ
(b)レーザ顕微鏡画像
ァイヤで，レーザフルエンスは 5 J/cm2 とした．試料表
面上のビームスポット径は原理的にはレーザ波長程度
第4図
試作したマイクロアークジェットノズル．
まで縮小可能であるが，加工レートを考慮して 40 µm
とし，集光点を試料表面から深さ 10 µm の位置に設定
した．なお，このときのステージ送り速度は 100 µm/sec
とした．この場合のノズル出口サイズは一辺 240 µm で，
スロートまでの深さは 520 µm である．図に示すように，
熱影響によるひび割れや角部のダレなどがほとんどみ
られない良好なノズル形状が得られているのがわかる．
第 5 図には，厚さ 1.2 mm の石英板ガラスを試料に用
いた場合のマイクロアークジェットノズルの模式図を
示す．ノズル出口は一辺 440 µm の正方形で，コンスト
リクタが一辺 100 µm である．第 6 図(a)には電極を配置
した後の断面の模式図を示す．図のように，陽極・陰極
には Au の薄膜（膜厚 100 nm）を真空蒸着装置を用いて
蒸着した．この場合も，前節で紹介したアークジェット
同様，コンストリクタ部を絶縁するために，この部分を
マスクして蒸着した．同図(b)は，レーザ加工後，電極
第5図
マイクロアークジェットノズルの形状．
4
第 1 表レーザ発振器の仕様
（NEW WAVE RESEARCH Nd:YAG laser: Tempest-10）．
Wavelength
[nm]
Fundamental
Second-HG
Third-HG
Fourth-HG
Fifth-HG
(a) マイクロアークジェット断面図および薄膜電極．
第2表
1,064
532
355
266
213
Maximum energy
[mJ/pulse]
Pulse width
[nsec]
200
100
50
30
7
3~5
マイクロアークジェットの推進性能試験結果．
Propellant : N2
(@ 1.0 mg/sec)
Thrust
[mN]
Specific impulse
[sec]
Thrust
efficiency
0W
0.4
39.7
-
3.6 W
1.4
138.1
0.24
Nozzle
従来，アークジェットの陰極には棒状の高融点金属が
(b) マイクロアークジェットの外観写真．
第6図
試作したマイクロアークジェットの外観．
使用されてきた．これが電流で高温に加熱され，熱電子
放出が活発になることで，安定な放電を維持している．
一方，微小電力作動の場合，前述のようにアーク放電モ
ードでは，安定な作動を長時間維持することは困難で，
むしろ，グロー放電に近い条件で安定作動が可能となっ
た．なお，棒状陰極を用いた場合も作動試験を試みたが，
Thrust, mN
1.5
アーク放電に遷移しやすく，すなわち，作動が不安定で
あった
1
13)
．これらの結果から，我々は，棒状陰極より
もむしろ平面状の陰極でも十分機能すると判断した．さ
らにこの場合，構造も単純なので有利と考えられる．ま
0.5
た，アーク放電ではないので，電極が局所的に高温にな
0
ることはなく，従って，電極および周囲の絶縁体が特別
0
1
2
Mass flow rate, mg/sec
な耐熱材である必要がない．作動後の電極および周辺部
における溶融・ひび割れなどの問題はほとんど見られな
かった．
第 7 図コールドガスジェット作動（0 W）
の場合の質量流量と推力の関係．
3.2 マイクロアークジェットの推進性能
第 7 図には，試作したマイクロアークジェットについ
Nozzle
てコールドガスジェット作動（投入電力が 0 W）の場合
の推進剤流量に対する推力の関係を示す．図より，質量
流量 0.2∼2 mg/sec に対して，推力は 0.02∼1.3 mN，比
推力は 63 sec 程度であった．このマイクロアークジェッ
トに対して電力を供給した場合のカラーCCD 画像を第
8 図に示す．この場合，質量流量 1.0 mg/sec，放電電流 6
mA，放電電圧 600 V，すなわち投入電力 3.6 W（あるい
は比入力 3.6 MW/kg），放電室プレナム圧力 80 kPa で，
第8図
安定作動中のマイクロアークジェットの様子．
図に示すように安定に作動した．これまでの分光分析結
果
12)
から，この作動条件におけるコンストリクタ部分
の最高温度は 1,500 K 程度であることが推察される．こ
の場合の推進性能を第 2 表に示す．投入電力が 3.6 W の
場合，推力は 1.4 mN に増大し，比推力は 138 sec となっ
た．また，この場合の推進効率は 24 %であった 13)．
４．まとめ
本稿では，超小型の微小電力マイクロアークジェッ
トをレーザ加工機で試作し，これまでの研究から得ら
れた最適作動条件を適用して，性能評価を行った結果
の一例について紹介した．
今後は，プラズマディスプレイのようにマイクロア
ークジェットを平面にアレイ状に加工・配置し，アー
クジェット・パネルを構築することを予定している．
これについては，パネル中の任意の位置におけるマイ
クロアークジェット単体あるいは複数をそれぞれ任意
の投入電力で作動させることを目指している．これで
要求に応じた動作や停止を制御することで，より高度
で柔軟な機動性を有する推進システムとなり得ると期
待している．
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