Μ1 (イオンエンジン)

μ1（ミューワン）

μ1は、宇宙航空研究開発機構（JAXA）の宇宙科学研究所が開発を進めている、特定の宇宙ミッション向けに特化されたイオンエンジンです。特に、複数の宇宙機が一体となって精密な編隊を組む、宇宙空間での重力波観測計画において重要な役割を果たすことが期待されています。

開発の目的と背景

宇宙重力波望遠鏡は、広大な宇宙空間に複数の探査機を配置し、探査機間にレーザー光を往復させることで、重力波による空間の微細な歪みを検出します。このような観測を行うためには、探査機間の相対位置を極めて高い精度で一定に保つ必要があります。しかし、宇宙空間においても、太陽からの光の圧力（太陽輻射圧）や、地球・月・その他の天体からの微弱な引力といった様々な外乱力が探査機に常に作用し、その位置や姿勢をわずかに変動させてしまいます。

これらの外乱力によって探査機が意図しない方向に流されることを「ドラッグ」と呼びます。高精度な重力波観測を実現するためには、このドラッグの影響を可能な限り排除し、探査機が慣性運動のみを行う「ドラッグフリー」状態を達成する必要があります。μ1は、このような微細な外乱力をリアルタイムに検出し、それを打ち消すための精密な推力を発生させることを目的として開発されています。

技術的特徴と要求性能

ドラッグフリー制御を実現するためには、推進システムに高度な性能が求められます。μ1の開発においては、以下の要求仕様を満たすことが目指されています。

長期間の安定運用: 数年に及ぶミッション期間中、継続的に微細な推力を発生させ続ける信頼性。
十分な最大推力: 太陽輻射圧など、予測される最大の外乱力に打ち勝つための推力（μ1の場合は250 μN）。
極めて低い推力雑音: スラスタが発生する推力自体の微細な変動（ノイズ）が、高精度な位置制御の妨げにならないレベルであること。
高い応答速度: 外乱力の変化に素早く対応し、迅速に適切な推力を発生させる能力。

μ1は、無電極プラズマ推進器という形式のイオンエンジンです。推進剤としてキセノンガスを使用し、マイクロ波エネルギーを用いてキセノン原子をプラズマ化（イオン化）します。生成されたイオンは電極によって加速され、高速で噴射されることで推力を生み出します。

特にμ1の革新的な点は、イオンを加速する「推進器」と、宇宙機がプラスに帯電するのを防ぐために電子を放出する「中和器」が、構造的に一体化されていることです。この一体構造は、電気的な切り替えによって推進モードと中和モードを柔軟に変更することを可能にし、複雑かつ多様なドラッグフリー制御パターンを実現する上で有利となります。

比推力についての考慮

一般的にイオンエンジンは化学推進に比べて比推力が非常に高く、少ない燃料で大きな速度変化を得られる点が大きな利点とされます。しかし、μ1の比推力は1,500秒と比較的一般的なイオンエンジンより低い値となっています。これはμ1が、軌道投入や大きな軌道変更といった「大きな速度変化を得る」用途ではなく、「極めて小さな外乱力を精密に相殺し続ける」という特殊な用途に特化して設計されているためです。ドラッグフリー制御では、必要な推力は微細であり、燃料消費量はそれほど大きくならないため、比推力よりも推力の精度、応答性、低雑音性といった要素が優先されるため、低比推力は性能上の問題とはみなされていません。

主要仕様

搭載検討ミッション

μ1は、宇宙空間重力波望遠鏡計画であるDECIGO（予定）や、その技術実証を目的としたDECIGOパス・ファインダー（DPF）への搭載が検討されています。DPFはイプシロンロケットでの打ち上げを目指しており、μ1の宇宙空間での実証試験が行われる可能性があります。DECIGO計画は、欧米のLISA計画や地上の重力波検出器では観測困難な、中間質量ブラックホールの合体や宇宙誕生時の重力波といった、低周波数帯域の重力波を観測することを目指す野心的な計画です。μ1のような高精度なドラッグフリー制御技術は、このような将来の科学観測ミッションにとって不可欠な基盤技術となります。

μ1の開発は、日本の宇宙科学が目指す高精度な宇宙観測を実現するための重要なステップであり、その技術は将来の様々な宇宙探査に活かされる可能性があります。

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