[論文レビュー] Experimental Study of a Lorentz Actuated Orbit

William R. Gorman, James D. Brownridge+1 more|ArXiv.org|May 21, 2008

Astro and Planetary Science参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、惑星の磁場と相互作用するように宇宙船を帯電させることで発生するローレンツ力を利用した衛星軌道制御の新規手法を検討している。真空中およびプラズマ環境での実験により、宇宙船を絶縁することでアーキングを防ぎ、表面への電荷蓄積を回避しながら安定したローレンツ力の発生を実現できることを示した。

ABSTRACT

This experimental study investigates a new technique to keep a satellite in orbit utilizing electrodynamics. The technique consists of establishing a charge on a satellite such that the body's motion through a planetary magnetic field induces acceleration via the Lorentz force. In order to find the relationship between capacitance and power required to balance incident plasma current, various objects were tested in high vacuum, plasma, and Xenon gas to determine their ability to hold charge. Radioactive material (Am-241) and pyroelectric crystals were tested as a candidate power source for charging the objects. Microscopic arcing was observed at voltages as low as -300 V. This arcing caused solder to explode off of the object. Insulating the object allowed the charge to remain on the object longer, while in the plasma, and also eliminated the arcing. However, this insulation does not allow a net charge to reside on the surface of the spacecraft.

研究の動機と目的

• 惑星の磁場を通過する帯電宇宙船が発生させるローレンツ力を用いた衛星軌道制御の新規手法の探求。
• 低地球軌道のプラズマ環境下で宇宙船表面に安定した電荷を維持できるかの可能性の特定。
• アミールビウム-241 やペイロエレクトリック結晶などの候補電源が、宇宙船を帯電させるために有効であるかの評価。
• 微小アーキングなどの問題が電荷保持性を低下させるとともに宇宙船部品を損傷させる原因となることの特定と是正。
• 絶縁が表面アーキングを防止する一方で、宇宙船表面へのネット電荷の保持に与える影響の評価。

提案手法

• 放射性（Am-241）およびペイロエレクトリック材料を用いて宇宙船本体を帯電させ、持続的な電位を発生させる。
• 高真空中、プラズマ中、キセノンガス中でさまざまな物体を試験し、電荷保持性と電流バランスを測定する。
• 入射プラズマ電流を相殺するための容量と必要な電力の関係を測定し、電荷平衡状態を確立する。
• 絶縁被膜を用いて表面アーキングを抑制し、プラズマ露出下での電荷安定性を向上させる。
• -300 V までの電圧でアーキング行動を観察・記録し、構造的および電気的劣化リスクを評価する。
• 電荷保持性と、絶縁表面ではネット電荷を維持できないというトレードオフの関係を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマ環境下で、帯電宇宙船表面に微小アーキングを誘発させるために必要な最小電圧は何か？
• RQ2 宇宙船表面を絶縁すると、低密度プラズマにさらされた際の電荷保持性およびアーキング行動にどのような影響を与えるか？
• RQ3 入射プラズマ電流が存在する状況下で、容量と電荷を維持するために必要な電力の関係は何か？
• RQ4 ペイロエレクトリックまたは放射性材料は、ローレンツ力に基づく軌道制御を可能にする十分な電圧を信頼性高く発生できるか？
• RQ5 なぜ宇宙船表面を絶縁するとアーキングが防止される一方で、表面へのネット電荷の存在が不可能になるのか？

主な発見

• -300 V までの電圧で微小アーキングが観測され、試験対象物の solders の爆発といった物理的損傷が生じた。
• 宇宙船表面を絶縁することでアーキングが効果的に防止され、プラズマ環境下での電荷保持性が著しく向上した。
• 電荷安定性が向上したにもかかわらず、絶縁により宇宙船表面へのネット電荷の確立が不可能となり、ローレンツ力の発生が制限された。
• 入射プラズマ電流を相殺するために必要な電力は容量に比例することが判明し、宇宙船のサイズとエネルギーコストの直接的な関係が示された。
• 放射性（Am-241）およびペイロエレクトリック材料は、帯電源として実用的であるが、実装のためのさらなる最適化が必要である。
• 実験結果は、ローレンツ駆動による軌道制御の理論的潜在能力を裏付けたが、アーキングを回避しつつ安定した高電圧電荷を維持するという重要な課題を浮き彫りにした。