μみゅー10 (イオンエンジン)

μみゅー10（ミューテン）は、日本にっぽんの宇宙うちゅう科学かがく研究所けんきゅうじょが開発かいはつしたイオンエンジンである。

概要がいよう

イオンエンジンの中なかでも無む電極でんきょくプラズマ推進すいしん器き（英語えいご版ばん）に分類ぶんるいされ、マイクロ波は放電ほうでんを用もちいるものとしては初はじめて実用じつよう化かされたものである^[1]。イオン源げん・中和ちゅうわ器き共ともにマイクロ波は放電ほうでん式しきを採用さいようしたことでプラズマ生成せいせい時じに電極でんきょくが不要ふようになり、他たの方式ほうしきと比較ひかくして単純たんじゅん・軽量けいりょう・高信頼こうしんらい・長寿ちょうじゅ命いのちとなった。また、加速かそくグリッドに炭素たんそ繊維せんい強化きょうか炭素たんそ複ふく合あい材料ざいりょうを採用さいようしたことでモリブデン製せいの2〜3倍ばいの寿命じゅみょうを確保かくほし、耐久たいきゅう試験しけんでは20,000時間じかん以上いじょうの稼働かどう時間じかんを誇ほこる。

名称めいしょうは直径ちょっけい10 cmのマイクロ波は放電ほうでん式しきを用もちいたミューロケット最さい上段じょうだん高だか比ひ推力すいりょくモーターであることを示しめしている。

仕様しよう

タイプ：イオンエンジン/無む電極でんきょくプラズマ推進すいしん器き（英語えいご版ばん）
推進すいしん剤ざい：キセノン65 kg
推力すいりょく：8.5 mN（改良かいりょう後ご 10 mN）
比ひ推力すいりょく：1,700 s〜3,400 s可変かへん
イオンビーム口径こうけい：100 mm
ビーム電圧でんあつ：1.5 kV
ビーム電流でんりゅう：140 mA
アクセル電圧でんあつ：-350 V
マイクロ波は電力でんりょく：32 W
イオン生成せいせいコスト：230 W/A
推力すいりょく電力でんりょく比ひ：22 mN/kW
推力すいりょく発生はっせい時じ消費しょうひ電力でんりょく：250 W / 500 W / 750 W / 1 kW（4段階だんかい切替きりかえ）
推進すいしん剤ざい利用りよう効率こうりつ：0.85
乾燥かんそう重量じゅうりょう：36 kg
設計せっけい寿命じゅみょう：14,000時間じかん（稼働かどう20,000時じ間あいだ実証じっしょう済ずみ）

採用さいよう宇宙うちゅう機き

「はやぶさ」 - 2003年ねん（平成へいせい15年ねん）打うち上あげ。2010年ねん（平成へいせい22年ねん）の6月13日にち22時じ51分ふん帰還きかん。従来じゅうらいの宇宙うちゅう機き用ようエンジンにはない特徴とくちょうによって、惑星わくせいの重力じゅうりょく圏外けんがいを飛とぶ探査たんさ機き「はやぶさ」用ようの推進すいしん機関きかんとしてμみゅー10エンジンが採用さいようされた。
「はやぶさ2」 - 改良かいりょうによって推力すいりょく10 mNとなったものを採用さいよう^[2]。
「DESTINY+」 - 推力すいりょく10 mNのエンジンを4機き同時どうじに運用うんよう。

その他た、小型こがた人工じんこう衛星えいせいや宇宙うちゅう探査たんさ機きに採用さいようされることを目標もくひょうとし、日本電気にほんでんきはエアロジェット社しゃと開発かいはつ及および販売はんばいにおいて協業きょうぎょうすることを発表はっぴょうした^[3]。2010年ねん以降いこうアメリカ市場いちばでの提案ていあん活動かつどうを行おこない、2011年ねんから販売はんばいを開始かいしする予定よていである。

はやぶさでの運用うんよう

打うち上あげ後ごの運転うんてん開始かいし当初とうしょは、探査たんさ機き周囲しゅういに残のこっている大気たいきの影響えいきょうで放電ほうでん現象げんしょうが多発たはつしたため、探査たんさ機き全体ぜんたいを暖あたためて脱だつガスを行おこなうベーキングを2回かい行おこなった結果けっか、安定あんていして運転うんてんが行おこなえるようになった^[4]。試験しけん運転うんてんを続つづける中なかでスラスタAを予備よびとし、残のこりの3台だい（スラスタB〜D）を使用しようすることになった。

連続れんぞく加速かそくを続つづける中なかで毎日まいにち追跡ついせき作業さぎょうを行おこない、位置いちと速度そくどの確認かくにんを行おこなう。そして一定いってい期間きかん連続れんぞく運転うんてんをするとμみゅー10は一時いちじその運転うんてんを停止ていしし、連続れんぞく運転うんてん時じの動作どうさ履歴りれきを高速こうそく通信つうしんする。それらの結果けっかを踏ふまえてはやぶさの軌道きどう計画けいかくを決定けっていし、μみゅー10の運転うんてん計画けいかくが作成さくせいされる^[5]。当初とうしょの予定よていでは、μみゅー10の運転うんてんを続つづけながら軌道きどう決定けっていを行おこなうことになっていたが、エンジンの推力すいりょくが想定そうてい以上いじょうに変動へんどうが大おおきく、運転うんてんを続つづけながらの軌道きどう決定けっていが困難こんなんであったために、軌道きどう決定けってい時じにμみゅー10は一時いちじ停止ていしする運用うんようがなされることになった^[6]。

またμみゅー10の運転うんてんに欠かかせない電力でんりょくは、探査たんさ機きの太陽たいようからの距離きょりによって太陽たいよう電池でんちの出力しゅつりょくが大おおきく変化へんかするため、μみゅー10は出力しゅつりょくの調整ちょうせい、そして運転うんてん台数だいすうを調整ちょうせいして運用うんようを行おこなった^[7]。

予定よてい外がいの運用うんよう

はやぶさの運用うんようにおいて姿勢しせい制御せいぎょ用ようのX・Y軸じくリアクションホイール及およびヒドラジンスラスタ2系統けいとうが故障こしょうした際さい、中和ちゅうわ器きからキセノンガスを噴射ふんしゃすることで姿勢しせい制御せいぎょを行おこなった^[8]。イトカワ着陸ちゃくりく前後ぜんこうに相次あいついだトラブルの影響えいきょうで、当初とうしょの予定よていより遅おくれて地球ちきゅう帰還きかんのための軌道きどう変換へんかんを開始かいし。設計せっけい寿命じゅみょう以上いじょうの長時間ちょうじかん運用うんようを行おこなうことになった。

2007年ねん4月がつにイオンエンジンBの、2009年ねん11月にはイオンエンジンDの中和ちゅうわ器きが、劣化れっかが原因げんいんと思おもわれる機能きのうの極端きょくたんな低下ていかを起おこした。残のこるイオンエンジンCだけでは2010年ねんの地球ちきゅう帰還きかんは困難こんなんであったが、「イオンエンジンB」と「イオンエンジンAの中和ちゅうわ器き」という変則へんそく（クロス）運転うんてんに成功せいこうし、いくらかの効率こうりつの低下ていかはあったもののイオンエンジン1機き相当そうとうの推力すいりょくを確保かくほし軌道きどう変換へんかんを続つづけることができた^[9]^[10]^{[注ちゅう 1]}。本来ほんらいであればイオン源げんからの正せいの電荷でんかを持もつプラズマジェットに対たいし、定てい電流でんりゅう制御せいぎょされた電源でんげんによって中和ちゅうわ器きから放出ほうしゅつされた電子でんしを機外きがいに引ひき出だし、プラズマジェットの正せい電荷でんかを中和ちゅうわすることで宇宙うちゅう機き筐体きょうたいの電位でんいを中立ちゅうりつに保たもつシステムであるのだが、各かくエンジンのプラズマ生成せいせい部ぶ・中和ちゅうわ器きにそれぞれ独立どくりつした電源でんげんを用意よういしたことと、厳きびしい重量じゅうりょう制限せいげんゆえに中和ちゅうわ器きの回路かいろに洗練せんれんされた回路かいろを組くめず、やむなく中和ちゅうわ器きの電源でんげんに並列へいれつにバイパスダイオードを付つけたことでイオン源げんと中和ちゅうわ器きと独立どくりつして運転うんてん（論文ろんぶん中ちゅうでは『クロス運転うんてん』と記述きじゅつ）を可能かのうにした^[12]。クロス運転うんてん時じ、このダイオードにより宇宙うちゅう機き筐体きょうたいが負まけに帯電たいでん（約やく50ボルト）し、正常せいじょうな中和ちゅうわ器きから空間くうかんに向むけて電子でんしを引ひき出だすことに成功せいこうした。このような運転うんてんでは宇宙うちゅう機きの電位でんいを知しることが不可能ふかのうな上うえに、宇宙うちゅう機き筐体きょうたいの電位でんいが負まけに沈しずんだ分ぶんだけイオンの加速かそく電圧でんあつが下さがるため、推力すいりょくがテレメトリーによる観測かんそく値ちからの期待きたい値ちより下さがる問題もんだいがある（そのぶん針路しんろ予測よそくで誤差ごさが出でる）^[13]受動じゅどう的てきな制御せいぎょによるそのような運転うんてんモードが可能かのうなようにしておいたものが功こうを奏そうしたものである^[14]。原理げんり上じょう、探査たんさ機き全体ぜんたいの電位でんいが本来ほんらいとはずれた状態じょうたいになることもあり、地上ちじょうでの試験しけんは行おこなっていなかったためぶっつけ本番ほんばんの運用うんようであった。予定よていされたミッションに必要ひつような量りょう以上いじょうの推進すいしん剤ざいを搭載とうさいしていたことも、直接ちょくせつ噴射ふんしゃによる姿勢しせい制御せいぎょやエンジンの変則へんそく的てきな運転うんてん（推力すいりょくを発生はっせいしていない側がわも推進すいしん剤ざい供給きょうきゅうはカットできないため、そちら側がわは「垂たれ流ながし」とせざるをえなかった）といった予定よてい外がいの運用うんようを行おこなう余裕よゆうを生うんだ。

参考さんこう文献ぶんけん

國中くになか均ひとし、中山なかやま宜むべ典てん、西山にしやま和孝かずたか『イオンエンジンによる動力どうりょく航行こうこう』、コロナ社しゃ、2006年ねん ISBN 4-339-01228-9
細田ほそだ聡史さとし、國中くになか均ひとし「イオンエンジンによる小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんよう」（pdf）『プラズマ・核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し』第だい86巻かん第だい5号ごう、2010年ねん5月がつ、282-293頁ぺーじ、NDLJP:10457813、2019年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。

脚注きゃくちゅう

[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]

^ イオン源げんの故障こしょうによりイオンエンジンAは早々そうそうに運用うんようを諦あきらめており、その結果けっかとして中和ちゅうわ器きはほぼ新品しんぴんのまま温存おんぞんできた^[11]。

出典しゅってん

^ “希望きぼうを現実げんじつにしたはやぶさのエンジン”. JAXA (2003年ねん). 2023年ねん1月がつ8日にち閲覧えつらん。
^ Robot Watch JAXA相模原さがみはらキャンパス一般いっぱん公開こうかいレポート〜はやぶさ後継こうけい機き、次期じき固体こたいロケットなどに注目ちゅうもく 2008年ねん8月がつ22日にち 17:04
^ Robot Watch 小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」のイオンエンジンが海外かいがい展開てんかいへ〜 NECと米べいAerojet-Generalが協業きょうぎょう、NASAの探査たんさ機きに搭載とうさいされる可能かのう性せいも 2009年ねん8月がつ4日にち 13:49
^ 国くに中ちゅう、中山なかやま、西山にしやま（2006）p.242
^ 国くに中ちゅう、中山なかやま、西山にしやま（2006）pp.240-241
^ 吉川よしかわ真しん『ISASコラム第だい56回かい「はやぶさ」生還せいかんせよ』
^ 国くに中ちゅう、中山なかやま、西山にしやま（2006）pp.244-245
^ 細田ほそだ聡史さとし、國中くになか均ひとし「イオンエンジンによる小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんよう」（pdf）『プラズマ・核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し』第だい86巻かん第だい5号ごう、2010年ねん5月がつ、283-286頁ぺーじ、NDLJP:10457813、2019年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。
^ JAXA 小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんようの再開さいかいについて 2009年ねん11月19日にち
^ 細田ほそだ聡史さとし、國中くになか均ひとし「イオンエンジンによる小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんよう」（pdf）『プラズマ・核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し』第だい86巻かん第だい5号ごう、2010年ねん5月がつ、286頁ぺーじ、NDLJP:10457813、2019年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。
^ 細田ほそだ聡史さとし、國中くになか均ひとし「イオンエンジンによる小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんよう」（pdf）『プラズマ・核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し』第だい86巻かん第だい5号ごう、2010年ねん5月がつ、286頁ぺーじ、NDLJP:10457813、2019年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。
^ 細田ほそだ聡史さとし、國中くになか均ひとし「イオンエンジンによる小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんよう」（pdf）『プラズマ・核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し』第だい86巻かん第だい5号ごう、2010年ねん5月がつ、291頁ぺーじ、NDLJP:10457813、2019年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。
^ 細田ほそだ聡史さとし、國中くになか均ひとし「イオンエンジンによる小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんよう」（pdf）『プラズマ・核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し』第だい86巻かん第だい5号ごう、2010年ねん5月がつ、291-292頁ぺーじ、NDLJP:10457813、2019年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。
^ 的いくわ川がわ泰たい宣せん「はやぶさ」プロジェクトを語かたる。 2011年ねん3月がつ15日にち (2012年ねん04月がつ17日にち閲覧えつらん)

外部がいぶリンク

JAXA 宇宙うちゅう科学かがく研究所けんきゅうじょ電気でんき推進すいしん工学こうがく部門ぶもん - μみゅー10^{[リンク切きれ]}
ISAS 電気でんき推進すいしん - 技術ぎじゅつ的てき特徴とくちょう
ISASニュース No.276
林はやし寛ひろし、碓井うすい美由紀みゆき、中山なかやま宜むべ典てん、清水しみず幸夫ゆきお、西山にしやま和孝かずたか、國中くになか均ひとし：マイクロ波は放電ほうでん式しきイオンエンジンの高こう比ひ推力すいりょく化かに関かんする基礎きそ研究けんきゅう日本航空にほんこうくう宇宙うちゅう学会がっかい論ろん文集ぶんしゅう Vol.55 (2007) No.647 P604-611

[12] イオン源げんの故障こしょうによりイオンエンジンAは早々そうそうに運用うんようを諦あきらめており、その結果けっかとして中和ちゅうわ器きはほぼ新品しんぴんのまま温存おんぞんできた^[11]。

[1] “希望きぼうを現実げんじつにしたはやぶさのエンジン”. JAXA (2003年ねん). 2023年ねん1月がつ8日にち閲覧えつらん。

[2] Robot Watch JAXA相模原さがみはらキャンパス一般いっぱん公開こうかいレポート〜はやぶさ後継こうけい機き、次期じき固体こたいロケットなどに注目ちゅうもく 2008年ねん8月がつ22日にち 17:04

[3] Robot Watch 小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」のイオンエンジンが海外かいがい展開てんかいへ〜 NECと米べいAerojet-Generalが協業きょうぎょう、NASAの探査たんさ機きに搭載とうさいされる可能かのう性せいも 2009年ねん8月がつ4日にち 13:49

[4] 国くに中ちゅう、中山なかやま、西山にしやま（2006）p.242

[5] 国くに中ちゅう、中山なかやま、西山にしやま（2006）pp.240-241

[6] 吉川よしかわ真しん『ISASコラム第だい56回かい「はやぶさ」生還せいかんせよ』

[7] 国くに中ちゅう、中山なかやま、西山にしやま（2006）pp.244-245

[8] 細田ほそだ聡史さとし、國中くになか均ひとし「イオンエンジンによる小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんよう」（pdf）『プラズマ・核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し』第だい86巻かん第だい5号ごう、2010年ねん5月がつ、283-286頁ぺーじ、NDLJP:10457813、2019年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。

[9] JAXA 小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんようの再開さいかいについて 2009年ねん11月19日にち

[10] 細田ほそだ聡史さとし、國中くになか均ひとし「イオンエンジンによる小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんよう」（pdf）『プラズマ・核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し』第だい86巻かん第だい5号ごう、2010年ねん5月がつ、286頁ぺーじ、NDLJP:10457813、2019年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。

[11] 細田ほそだ聡史さとし、國中くになか均ひとし「イオンエンジンによる小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんよう」（pdf）『プラズマ・核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し』第だい86巻かん第だい5号ごう、2010年ねん5月がつ、286頁ぺーじ、NDLJP:10457813、2019年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。

[13] 細田ほそだ聡史さとし、國中くになか均ひとし「イオンエンジンによる小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんよう」（pdf）『プラズマ・核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し』第だい86巻かん第だい5号ごう、2010年ねん5月がつ、291頁ぺーじ、NDLJP:10457813、2019年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。

[14] 細田ほそだ聡史さとし、國中くになか均ひとし「イオンエンジンによる小惑星しょうわくせい探査たんさ機き「はやぶさ」の帰還きかん運用うんよう」（pdf）『プラズマ・核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し』第だい86巻かん第だい5号ごう、2010年ねん5月がつ、291-292頁ぺーじ、NDLJP:10457813、2019年ねん8月がつ7日にち閲覧えつらん。

[15] 的いくわ川がわ泰たい宣せん「はやぶさ」プロジェクトを語かたる。 2011年ねん3月がつ15日にち (2012年ねん04月がつ17日にち閲覧えつらん)

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