電気推進のためのイオンスラスターニッチ技術をゲームチェンジャーに発展させる科学的課題

Ion thrusters for electric propulsion: Scientific issues developing a niche technology into a game changer.

• K Holste
• P Dietz
• S Scharmann
• K Keil
• T Henning
• D Zschätzsch
• M Reitemeyer
• B Nauschütt
• F Kiefer
• F Kunze
• J Zorn
• C Heiliger
• N Joshi
• U Probst
• R Thüringer
• C Volkmar
• D Packan
• S Peterschmitt
• K-T Brinkmann
• H-G Zaunick
• M H Thoma
• M Kretschmer
• H J Leiter
• S Schippers
• K Hannemann
• P J Klar

抄録

商業化の進展に伴う旧宇宙から新宇宙への移行は、宇宙飛行全般に大きな影響を与え、特にイオンスラスタによる電気推進（EP）に大きな影響を与えている。イオンスラスタは、現在では宇宙での主要な推進システムとして使用されています。本稿では、これらの新宇宙に関する変化が、EPシステムの開発に重要な様々な側面にどのような影響を与えるのかを説明する。宇宙飛行の発展とEPシステムの技術の歴史的概観から始まり、EPを搭載した多くの重要なミッションとその基礎技術を紹介する。ここでは、グリッド型イオンスラスタの代表的な技術である高周波イオンスラスタの技術に焦点を当てて議論します。この議論に基づいて、代替推進剤の探索、新しい挿入材料に基づく信頼性の高い中和剤コンセプトの開発、及び中和剤を使用しない有望な推進コンセプトなどの重要な研究課題について概説する。さらに、スラスターのモデル化と試験設備の要件についても議論する。さらに、高効率電子部品の開発に関する宇宙電子工学の側面や、電磁適合性や放射線の硬さの側面についても論じる。この論文は、EPシステムと宇宙船との相互作用についてのプレゼンテーションで締めくくられている。

The transition from old space to new space along with increasing commercialization has a major impact on space flight, in general, and on electric propulsion (EP) by ion thrusters, in particular. Ion thrusters are nowadays used as primary propulsion systems in space. This article describes how these changes related to new space affect various aspects that are important for the development of EP systems. Starting with a historical overview of the development of space flight and of the technology of EP systems, a number of important missions with EP and the underlying technologies are presented. The focus of our discussion is the technology of the radio frequency ion thruster as a prominent member of the gridded ion engine family. Based on this discussion, we give an overview of important research topics such as the search for alternative propellants, the development of reliable neutralizer concepts based on novel insert materials, as well as promising neutralizer-free propulsion concepts. In addition, aspects of thruster modeling and requirements for test facilities are discussed. Furthermore, we address aspects of space electronics with regard to the development of highly efficient electronic components as well as aspects of electromagnetic compatibility and radiation hardness. This article concludes with a presentation of the interaction of EP systems with the spacecraft.