天宮にはすでにホールスラスタが搭載されているのに、なぜそこまで化学燃料を輸送する必要があるのでしょうか?

2022年7月24日14時22分22秒、文天実験モジュールを搭載した長征5号B堯3号ロケットが宇宙に打ち上げられた。

ウェンティアン実験モジュールの打ち上げ総重量は23トンを超え、そのうちモジュール全体の乾燥重量は約21.5トン、ヒドラジン燃料は1,550キログラムあった。いわゆるヒドラジン燃料は、実際には非対称ジメチルヒドラジンと四酸化窒素と呼ばれるもので、どちらも化学燃料です。これによっていくつかの疑問が生じます。ご存知のとおり、化学燃料は重く、多くのスペースを占め、輸送コストも高くなります。これらは理想的な航空宇宙用動力源ではありません。天宮宇宙ステーションでは、元素番号54のキセノンを燃料として使用し、化学燃料を一切必要としないLHT-100ホール電気スラスタが使用されています。なぜこれほど大量の化学燃料を宇宙ステーションに輸送する必要があるのでしょうか?

ホールスラスタとは何ですか?

ホールスラスタは静電スラスタの一種です。電気スラスタファミリには、静電スラスタに加えて、電磁スラスタと電熱スラスタも含まれます。ホールスラスタは、その名の通り、1879年に物理学者ホールが発見したホール効果を利用しています。簡単に言うと、電流が外部磁場に対して垂直に半導体を通過すると、電流と磁場に対して垂直な方向に追加の電界が発生し、半導体の両端に電位差が発生します。ホールスラスタは、ホール効果を生成できる装置と電子源で構成されています。ホールスラスタでは、電子源から放出された電子がホール効果によりリング状の電子ビームを形成し、それがホールスラスタをSFのような外観にしています。

ホールスラスタにキセノンガスを投入すると、円形電子ビーム内の高速電子がキセノンガスをイオン化します。イオン化されたキセノンイオンは高速で後方に放出され、推力を生み出します。

ホールスラスタは非常にハイテクに見えますが、原理を理解すれば、ホールスラスタと従来の化学スラスタの間には実際には本質的な違いがないことがわかります。どちらも、物体を後方に投げることで発生する反力を利用して前方に進みます。唯一の違いは、化学スラスタは化学燃料の燃焼によって生成された高速ジェットを放出するのに対し、ホールスラスタはイオン化されたキセノンイオンを放出することです。これはホールスラスタの利点でもあります。ホールスラスタはイオンだけを放出するため、燃料消費量が極めて少なく、電気は宇宙で容易に入手できるものなのです。

ホールスラスタに欠点があるとすれば、それは推力の不足です。

作用力と反作用力は等しい。放出されるイオンはごくわずかであるため、生成される推力は当然それほど大きくなく、通常はわずか数ニュートンです。数ニュートンの推力では、地球上では基本的に何も押すことができませんが、宇宙では事情が異なります。宇宙には抵抗がないので、宇宙船を動かすのに必要なのはわずかな推力だけです。そのため、ホールスラスタを宇宙船に搭載することは非常に適しており、今後も開発の余地が残されています。つい最近、我が国のHET-450シングルチャンネルホールスラスタは地上実験で4.6ニュートンの推力を達成しました。ホールスラスタは宇宙船への搭載に非常に適しており、天宮宇宙ステーションでは実際にホールスラスタが使用されているのに、なぜそこまで大量の化学燃料を輸送する必要があるのでしょうか?

ホールスラスタは優れていますが、万能ではありません。最大の欠点は推力が低すぎることであり、そのため特殊な状況に直面したときには少々無力に感じられる。

周知のとおり、宇宙には多くの宇宙ゴミが存在し、宇宙ステーションの運用中にこれらの宇宙ゴミの軌道と重なる可能性が高くなります。これらの宇宙ゴミが宇宙ステーションに衝突した場合、宇宙ステーションに計り知れない損失をもたらすことになります。以前、国際宇宙ステーションのロボットアームが非常に小さな宇宙ゴミに衝突し、非常に目立つ穴が残ったことがありました。宇宙ゴミは怖いですが、その軌道は事前に予測できます。しかし、事前に予測するだけでは十分ではなく、時間内に回避することもできなければなりません。ホールスラスタの推力は非常に低いです。宇宙ゴミは1か月ほど前に発見されれば回避できる。しかし、わずか数日しか先でない場合は、ホールスラスタだけでは不十分で、化学燃料を使用する必要があります。

宇宙ゴミを避けるだけでなく、宇宙船とドッキングする際にも化学燃料が必要です。

打ち上げられた宇宙船と天宮宇宙ステーションの軌道には違いがあります。ドッキングを成功させるには、宇宙船が徐々に位置を調整して宇宙ステーションに追いつく必要があり、ドッキング時間が大幅に長くなります。しかし、宇宙ステーションが化学燃料を動力として使い、自ら姿勢や位置を調整すれば、ドッキング時間を大幅に短縮できる。短時間で迅速な調整を必要とするこの種の作業は、ホールスラスタの小さな推力では絶対に不可能です。しかし、これらはすべて一時的なものです。高出力ホールスラスタ技術の継続的な進歩により、将来的には宇宙船から化学燃料を完全に排除することが可能になるかもしれません。

詳細については、公式アカウントをフォローしてください：sunmonarch