國中 均

© 2019 IAA Japan's second asteroid explorer Hayabusa2 was successfully launched on Dec 3, 2014, to return a sample from asteroid 162173 Ryugu by 2020. Four xenon ion thrusters based on electron cyclotron resonance discharge propelled the spacecraft for 547 h during its first year in space. Hayabusa2 completed an Earth gravity assist on Dec 3, 2015, followed by 798 and 2593 h of ion thruster operation, called the first and second transfer phases of delta-v, respectively. The third transfer phase of delta-v was conducted from Jan 10, 2018, to Jun 6, 2018, in which the final 2475-h ion thruster operation was executed before the rendezvous with Ryugu. The cumulative operating times for the four ion thrusters are 6,450, 11, 5,193, and 6418 h. This paper summarizes the 6515-h powered flight by the ion engine system, which produced 1015 m/s delta-v, in terms of thruster performance change, roll torques generated by various combinations of ion thrusters, and spacecraft surface erosion history measured by two quartz crystal microbalances located near the thrusters. In parallel with the space flight operation, an engineering model of the microwave discharge neutralizer has been under long-duration testing on the ground since 2012. It has accumulated 55,170 h of diode-mode operation as of Mar 15, 2019.

宇宙航空研究開発機構・宇宙科学研究所・電気推進研究室が、米欧ロとは技術的に一線を画して研究開発したマイクロ波放電式イオンエンジンは、「はやぶさ」小惑星探査機の主推進として採用され、地球〜小惑星間宇宙往復航海を世界に先駆けて実現した。高効率・省電力でプラズマを生成しながら１台当たり２年間にも及ぶ耐久性を宇宙で実証した。宇宙活動と同時並行で行われた地上におけるさらなる研究開発は、光ファイバーを用いた新たな探針法によりイオン源内部現象を解明し、性能向上をもたらした。改良されたイオンエンジンは、「はやぶさ２」小惑星探査機において、新たな小惑星に向けてその能力を今まさに発揮中である。本稿では、従前の電極を用いる直流放電式システムと比較しながら、電子サイクロトロン共鳴型イオン源の高い性能と耐久性を解説する。

宇宙工学は、宇宙への往来の実現を目指し、技術を切磋琢磨してきた。その成果の端的な例は、「はやぶさ」にて実現された地球〜小惑星間往復航行（２００３年〜２０１０年）である。それにより、科学や技術分野を越えて、より大きな世界観を得ることができた。次の新しい知見を得るために、科学的な意義はもちろんのこと、「宇宙を自在に往来する独自能力の維持発展」と「人類の活動領域の宇宙への拡大」という宇宙工学・宇宙探査に跨る目標を担い、「はやぶさ２」小惑星探査ミッションが開発中である。

The electron cyclotron resonance ion engine has long life and high reliability because of electrodeless plasma generation in both the ion generator and the neutralizer. Four mu 10s, each generating a thrust of 8 mN, specific impulse of 3200 s, and consuming 350 W of electric power, propelled the Hayabusa asteroid explorer launched on May 2003. After vacuum exposure and several baking runs to reduce residual gas, the ion engine system established continuous acceleration. Electric propelled delta-V Earth gravity assist, a new orbit change scheme that uses electric propulsion with a high specific impulse was applied to change from a terrestrial orbit to an asteroid-based orbit. In 2005, Hayabusa, using solar electric propulsion, managed to successfully cover the solar distance between 0.86 and 1.7 AU. It rendezvoused with, landed on, and lifted off from the asteroid Itokawa. During the 2-year flight, the ion engine system generated a delta-V of 1400 m/s while consuming 22 kg of xenon propellant and operating for 25,800 h.

プラズマ生成に直流放電を利用する従来式電気ロケットは、放電電極損耗という劣化要素を含み、長寿命・高信頼を必須とする宇宙機械において重大な問題を抱えていた。これをマイクロ波放電による無電極化にて根本的に解決し、日本独自のシステムとしてマイクロ波放電式イオンエンジンが開発された。「はやぶさ」小惑星探査機は、2003年５月から2年余を掛けて、太陽距離0.86天文単位から1.7天文単位に至る広範な宇宙を走破して、目的天体「いとかわ」とのランデブーに成功した。この間、主推進装置である４台のマイクロ波放電式イオンエンジンは、22kgの推進剤キセノンを消費して、総増速量1,400m/s、延べ作動時間25,800時間という世界一級の成果を挙げた。慣性（弾道）飛行していたこれまでの「人工惑星」「人工衛星」とは異なり、高性能推進機関を搭載する宇宙機は、動力航行する能力を持ち、「宇宙船」に分類されるべき新しい技術である。

Lack of neutralization is one of the most common malfunctions in ion thrusters. This phenomenon has been investigated by means of a ground experiment using a 2-cm class microwave-discharge ion thruster together with a reduced-size mock-up of the MUSES-C spacecraft. Electron leakage from the plasma beam to the high-voltage solar array has been observed to cause a slight amount of charging, its magnitude being equivalent to the operational voltage of the solar arrays. In the cases with no electron emission for ion beam neutralization, full-charging was established and the extracted ions were observed to return to the thruster body. At such experimental conditions, a so-called "virtual anode" appears in front of the deceleration grid. In this research, design guidelines for both the spacecraft and the ion engine system are proposed, based on the experimental simulation results. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

２００３年５月９日１３時２９分に鹿児島宇宙空間観測所からＭ−Ｖ５号機により打ち上げられた「ＭＵＳＥＳ−Ｃ」は正確に深宇宙軌道に投入され、「はやぶさ」と命名された。着想から１５年の歳月をかけて小惑星探査機１）の主推進としてマイクロ波放電式イオンエンジン「μ１０」は宇宙生まれ（Space-borne）となった。その後、数週間の真空暴露を経て、１ヶ月に及ぶ試運転を実施し、７月には巡航運転を開始して、１日当たり数ｍ／ｓの定常加速がなされている。規模の小さい科学衛星には電力や重量の観点から電気推進の搭載はおよそ不可能と思われていたが、イオンエンジンだけでなく衛星およびロケット全般技術の革新、深宇宙探査へのニーズに支えられてようやく実現した。本論文で述べるマイクロ波放電式イオンエンジン「μ１０」は他のイオンエンジンとは異なる独自の着想のもと、宇宙科学研究所電気推進工学部門が研究開発を進めてきたものである。打ち上げ直前地上作業から初期運用に至る経緯と飛翔の報告を行う。

The electron-cyclotron-resonance microwave-discharge ion thruster system utilizes no cathodes to emit thermionic electrons for plasma generation in both the ion source and the neutralizer The ion source can generate xenon ions at an ion-production cost of 300 eV and a propellant utilization efficiency of 88 %, with a double-charged-ion population of 8 %. The neutralizer can output 100 mA of electron current with 10 W of microwave power and 0.5 seem of xenon now. The thruster system combining the ion source and the neutralizer operated for 300 h without detectable erosion of the screen grid and ion source. Except for the primary frequency of 4.2 GHz used to generate plasmas, the system proved experimentally compatible with spacecraft electromagnetic interference requirements in the microwave frequency range.