我が国初の電気推進衛星「アジア太平洋6E」についてですが、どれも衛星なので、今回は何が新しいのでしょうか？

今年1月23日、わが国初の全電気推進衛星「アジア太平洋6E」が正式に電気推進と軌道変更の旅を開始して以来、衛星は軌道上で重要な通信の役割を果たしてきました。 「アジア太平洋6E」は、設計寿命15年の東方紅3E衛星プラットフォームを採用しています。 Kuバンドトランスポンダー25個とKaバンドトランスポンダー3個を搭載し、通信容量は30Gbps以上です。この衛星は全電気推進設計を採用しているため、打ち上げと運用の成功はメディアや宇宙愛好家から広く注目を集めています。では、電気推進衛星の利点は何でしょうか?

アジア太平洋6E衛星の概略図（写真提供：中国航空宇宙科学技術第五アカデミー）

電気推進技術は高い比推力をもたらす

電気推進システムは、衛星の主動力として化学エネルギーではなく電気エネルギーを使用します。これは現在最も先進的な宇宙推進技術であり、主要な宇宙大国からますます注目と支持を集めています。ロシア、ヨーロッパ、アメリカ、日本などの国や組織は、古くから航空宇宙分野に電気推進システムを投資しており、欧米諸国は長年にわたり商用衛星に電気推進技術を採用してきました。

電気推進技術が人気があるのは、多くの利点があるからです。衛星などの従来の宇宙船は主に化学ロケットエンジンを使用しており、燃料と酸化剤の燃焼によって推進力を得ています。化学燃料はエネルギー密度などの制約があるため、エンジンの比推力は高くありません。ロケットエンジンの比推力は自動車エンジンの燃料消費率に相当し、エンジンや宇宙船の性能を制限する重要な指標です。米国のRL10B-2エンジンなど、最高エネルギーの液体水素燃料を使用し、最適化された設計を実装した大型エンジンでさえ、比推力は465秒しか達成できません。

軌道を変更し、姿勢を調整し、軌道高度を維持するために、衛星は大量の燃料を搭載する必要があります。従来の化学エネルギーエンジンを使用する通信衛星の場合、その重量の大部分は燃料によって占められます。電気推進技術の最大の利点は、さまざまな動作原理によってもたらされる高い比推力です。比推力が低いホール電気推進エンジンでも、通常は 1500 秒を超える比推力を達成できます。

比推力が高いということは、搭載する燃料の量を減らし、ペイロードを搭載する能力を高めることを意味します。これは、打ち上げコストが非常に高い宇宙船にとって大きな経済的意義があり、衛星設計にも大きな利点をもたらします。

電動プッシャーは主に2つのカテゴリーに分けられます

現在、広く使用されている電気推進技術は、主にイオン電気推進とホール電気推進の2つのカテゴリに分けられます。イオン推進は静電推進の一種で、作動流体を静電場でイオンと電子に分解し、高速イオンを噴出させて推力を発生させます。ホール推進は、ホール効果を利用して作動流体をイオン化し、イオンの放出を加速して推力を生成する電磁推進です。

イオン推進と比較すると、ホール推進の利点は技術と構造がシンプルであることです。ただし、同じ技術レベルでは比推力は低くなります。米国とソ連はどちらも、電気エネルギーを使用して作動流体を加熱し、蒸気ジェットにして推力を発生させる電熱電気推進を開発し、使用しており、比推力は化学エネルギーエンジンとホール電気推進の中間です。電気加熱技術は最もシンプルで軽量ですが、その比推力の利点は明らかではなく、現在ではほとんど使用されていません。

電気推進技術の主な利点は、エンジンの比推力が高いことです。米国のMR-510アーク電気推進などの電熱電気推進の場合でも、その比推力は約600秒であり、化学エネルギーエンジンの比推力よりもはるかに高いです。広く使用されているPPS1350Gエンジンなど、ソ連/ロシアが開発した旧式のホール電気推進の比推力は1660秒です。米国のディープ・スペース1探査機に採用された旧式のイオン推進NSTARを例にとると、その比推力は3100秒に達する。

現在、いくつかの国では新世代の電気推進エンジンを開発しています。ホール電気推進は 3,000 秒以上の持続時間を達成でき、イオン電気推進では 4,000 秒以上に達する例も多数あります。より高度な概念である磁気プラズマスラスタと可変比推力磁気プラズマロケットは、6,000 秒と 12,000 秒の比推力も達成できます。

ツィオルコフスキー方程式によれば、エンジンの比推力が増加すると、ペイロード質量比が指数関数的に増加する可能性があります。例えば、重量 4.8 トン、設計寿命 15 年の静止通信衛星は、3 トンの化学燃料とタンクを搭載しています。イオン電気推進を使用すれば、810キログラムの燃料を節約できます。全電気推進ソリューションを使用すれば、衛星の重量を 2 トン未満に減らすことができます。

「アジア太平洋6E」は我が国初の全電気推進衛星であり、衛星本体の質量はわずか2トン程度です。従来の化学エネルギーエンジンを使用する同レベルの通信衛星の質量は一般的に約5トンであるため、電気推進がもたらす性能上の利点は明らかです。

アジア太平洋6E衛星（写真提供：中国第五航空宇宙科学技術研究所）

幅広い応用の可能性

現在、米国とロシアは、電気推進技術の最も深い蓄積と、最も優れたエンジニアリングの実践と商業的応用を有しています。特に米国の商用通信衛星では、電気推進が標準的な構成となっている。

欧州の宇宙船メーカーも、さまざまな電気推進エンジンを導入・独自開発し、独自の電気推進衛星を開発してきました。エアバス・スペース・アンド・ディフェンス社は、従来の大型商用通信衛星の開発に加え、電気推進を使用するワンウェブ衛星も開発している。日本の電気推進技術も注目に値する。商業通信衛星の分野では日本は競争力が乏しいため、その名声は主にはやぶさなどの深宇宙探査機に反映されている。

2012年に我が国が打ち上げた「実践9号」衛星は我が国の衛星として初めて電気推進を実現し、我が国の軌道上電気推進技術の応用におけるギャップを埋めました。この衛星により、我が国はイオン推進とホール推進の技術を飛躍的に進歩させ、習得することができました。当社は現在、新世代の推進力とさまざまな新概念の推進技術の研究と応用に積極的に取り組んでいます。

「東方紅4E」や「東方紅3E」などのプラットフォームの通信衛星が相次いで就航し、さらに東方紅5号衛星プラットフォームも登場しており、わが国の電気推進衛星は徐々に主流になってきています。

電気推進技術は現在最も先進的かつ最も強力な宇宙船推進方法として、宇宙推進技術の重要な発展方向であり、徐々に新世代衛星の標準構成になってきています。同時に、電気推進技術は各種商用通信衛星への採用が進んでいるだけでなく、深宇宙探査でも高速化が求められており、電気推進技術が強みを発揮できる分野でもあります。

ディープ・スペース1号やドーン号に代表される米国の探査機は、電気推進技術を採用し始めている。極めて技術的な信頼性を追求し、新技術の適用には比較的保守的な有人宇宙飛行の分野でも、電気推進技術が適用されてきました。わが国の天河コアモジュールにはすでに電気推進エンジンが搭載されています。米国が建設を計画している月面ゲートウェイ宇宙ステーションの電力エネルギーモジュールには、より高度な性能を備えた新世代の高出力電気推進エンジンが使用される予定だ。

さらに、米国は将来の有人火星探査施設の主エンジンとして電気推進エンジンを使用することも計画している。

もちろん、電気推進技術はすべての問題を完璧に解決できる万能薬ではありません。電気推進エンジンは比推力が高いものの、電力供給とエンジン設計によって制限され、その推力は化学エンジンのそれには遠く及びません。高い推力、迅速な応答、急速な軌道変更が求められる状況では、化学エンジンがまだ提供できるものがたくさんあります。 （著者：張雪松）