JP2001521597A - ホール効果プラズマ加速器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ホール効果プラズマ加速器は、環状の加速チャンネルを具備する。反対極性の磁極間のチャンネルを横切って、半径方向の磁界が印加される。これら磁極を、チャンネルの閉鎖端の回りに延びる磁性材料で連結して単一の磁石を形成する代わりに、本発明は、磁気的に分離された材料本体に磁極を形成することを提案する。これは、設計者に対して、一般には推進エンジン、特に磁気系の直径の選択に自由度を与え、これによって推進エンジンの効率を改善し、また利用可能な空間に応じた様々な異なった形状を有する推進エンジンを製造する機会を与える。

Description

【発明の詳細な説明】 ホール効果プラズマ加速器発明の分野 本発明は、ときには閉鎖電子ドリフト加速器として知られるホール効果プラズ マ加速器に関する。本発明は、人工衛星または他の宇宙船での反動推進エンジン （スラスター）として使用するために、このような加速器の設計を考えたときに 生まれた。しかし、本発明は、例えばプラズマエッチングおよびワークピースを 真空で加工するような他の用途にも適用可能である。発明の背景 従来のホール効果反動推進エンジン（スラスター）は、該推進エンジンの軸の 回りに円周方向に延び且つ閉鎖端から開放端へと軸方向に延びる環状の加速チャ ンネルを具備している。通常、アノードは該チャンネルの閉鎖端に位置し、また カソードはその開放端に近接して、チャンネルの外に位置している。該チャンネ ルの中に推進薬(例えばキセノンガス)を導入するための手段が設けられており、 これは、アノード自身の中またはアノードに近接して形成された通路を通して行 われることが多い。磁力系は、該チャンネルを横切る半径方向の磁界を印加する ことにより、カソードから放出された電子を、該チャンネルの回りの円周方向に 運動させる。カソードから放出された電子の全部ではないが、その幾らかは、該 チャンネルの中を通ってアノードに向けて引き寄せられる。半径方向の磁界は電 子を円周方向に偏向させるので、電子は螺旋軌道で移動し、アノードに向けて徐 々にドリフトするときにエネルギーを蓄積する。電子は、アノードに近接した領 域で推進薬の原子と衝突し、イオン化を生じる。その結果生じた正に帯電したイ オンは、当該チャンネルの開放端に向かう電界によって加速され、該開放端から 高速で噴出されることにより所望の推力を生じる。このイオンは、電子よりも遥 かに大きな質量を有しているので、磁界には直ちには影響されず、またその加速 方向はチャンネルの円周方向ではなく、主にチャンネルの軸方向である。 この明細書において、「上流」および「下流」の用語は、チャンネル内でのイ オンの運動方向を記述するために便宜的に使用される。 従来、必要とされる半径方向の磁界は、磁性材料のヨークを有する電磁石を用 いることにより、チャンネルを横切って印加されている。該ヨークは、チャンネ ルの両側にある両磁極（即ち、一方はチャンネルに対して半径方向内側、他方は チャンネルに対して半径方向外側）を構成している。その一例はヨーロッパ特許 明細書0 463 408に示されている。この明細書は、環状チャンネルの中央を通り 、且つ単一の磁化コイルを設けた単一の円筒状部分と；加速チャンネルの外周に 離間して配置され、且つそれ自身の外側コイルを設けた多くの外側円筒部材とを 有する磁性ヨークを示している。これらの内側円筒部材および外側円筒部材は、 単一の磁性ヨークを形成するように、磁性体バックプレートにボルト留めされて いる。 ホール効果加速器における加速チャンネル内部の最良の磁界分布に関して、多 くの理論的研究が行われてきた。例えば、1978年９月発行のソビエト物理学およ び応用物理学23(9)に掲載された、「長い加速ゾーンをもった全電流加速器にお ける局部プラズマ特性」と題するA N BishaevおよびV Kimによる論文が参照され る。もう一つの関連する論文は、1981年４月発行のソビエト物理学および応用物 理学26(4)に掲載された、「閉じた電子ドリフトをもつ加速器出力部でのイオン 電流パラメータに対する、磁界特性の影響」と題するV N GavryushinおよびV Ki mによる論文である。他の関連する論文は、Zhurnal Tekhnleheakoi Fiziki vol ．42 no.3に掲載された、A I Morozov，Yew V Esipchuk，A N Kapulkin，V A Ne vrovakiiおよびV A Smirnovによる論文である。これらの理論的研究で到達した 一つの結論は、磁界を最小限にすることが望ましく、また加速チャンネルの開放 端に近接した加速領域では、磁界勾配を最大限にするのが望ましいということで ある。この効果を達成するために、ホール効果プラズマ加速器は、アノード領域 における環状チャンネルの内側および外側に磁性スクリーンを組み込むように製 造されてきた。これらの磁性スクリーンは、通常、先に述べたバックプレートか ら伸びる円筒状の壁によって形成される。かかる磁性スクリーンの使用は、ヨー ロッパ特許出願0 541 309に記載されている。 当該チャンネル内の最適な磁界分布を達成するための要件、並びに加速器の重 量を最小限に維持するための要件は、従来、加速器の相対的な寸法、特に、その 軸方向長さに対する直径の比率に対して厳しい制限を課してきた。発明の概要 本発明は、チャンネルの反対側に磁極を形成している磁性体が、実質的に分離 されているホール効果加速器を提供する。 本発明に従って、分離された磁性体を用いることにより、広範囲の相対的な寸 法（特に加速チャンネルの直径に対する軸方向の長さ）を用いて、十分な特性、 または改良された特性をさえ達成できることが見出された。 内側の磁性体は、軸方向に伸びる好ましくはスプール形状の中心コアと；該中 心コアの下流端にあり、且つチャンネルに向かって半径方向外側に延出して第一 の磁極を形成する末端ピースと；中心コアの上流端にあり、且つ半径方向外側に 延出し、また軸方向下流側に延出して、前記内部磁性体の両端間で軸方向に位置 した第二の磁極を形成する第二の末端ピースとを具備している。上記第二の末端 ピースは、前記第一の末端ピースに向かって軸方向に延出しているから、磁性ス クリーンとして作用し、且つ磁界が少ししか存在しないか又は全く存在しないア ノード領域エリアを形成するように働くと考えることができ、これは最適な効率 を与えるために必要とされる。 好ましくは、前記外側磁性体は、一般に、磁性材料の円筒壁と；半径方向内側 に延出して、前記内側磁性体の第一の磁極とは逆極性の磁極を形成する第一の末 端ピースと；その上流側にあり、且つ半径方向内側に延出し、次いで戻されて軸 方向下流側に延出してもう一つの磁極で終端する第二の末端ピースとを有してい る。軸方向に延びるこの末端ピース部分も同様に、アノードエリアにおける磁界 を低減するための磁気スクリーンとして働く。 上記の磁性体が永久的に磁化されることも可能であろうが、別々の磁界源（以 下では「磁力源」という）を含むのが好ましい。これらの磁力源は、コイル、即 ち電磁石であることができる。或いは、中心コアと軸方向に延びる第二末端ピー スの「スクリーン」部分との間に部分的に囲まれるように、内側磁性体の中心コ アの回りに永久磁石が広がっていてもよい。好ましくは、外側の磁性体は、それ に付随して、前記円筒壁とこれに付随する「スクリーン」との間に部分的に囲ま れた加速器の軸と同軸の第二の磁力源を有している。図面の簡単な説明 次に、添付の図面を参照して、本発明を実施する一つの形態を説明する。添付 の図面において、 図１は、人工衛星を操縦するための公知の技術を模式的に示している。 図２は、図１と同様の図であるが、本発明による技術を用いて操縦されるべく 構成された人工衛星を模式的に示している。 図３は、本発明に従って構成されたホール効果プラズマ推進エンジンの斜視図 であり、内部構造の特徴を明らかにするために、その直径に沿って切り欠いた状 態で図示されている。 図４は、図３のＸ−Ｘ軸に沿った断面図であり、磁石部材および磁力線のみを 図示している。 図５は、図４に示した部品の平面図であるが、磁極を四つの別々の部分に分割 した設計変更例を示している。発明の最良の実施形態 先ず、図１を参照すると、これは公知の装置を極めて模式的な形で示している 。ここで、電源２を含む人工衛星１は、プラズマ反動椎進エンジン３によって推 進される。この推進エンジン３は、等しい一定の電流を受けるように電源２に直 列に接続された、内側磁石コイル４および四つの外側磁石コイル５，６，７およ び８を含んでいる。推進エンジン３は、方向制御回路１０の制御下に、スイベル 機構９によって機械的に調節することができる。このスイベル機構は、１２にお いて人工衛星にヒンジ結合されると共に、１３においてアクチュエータ１５の駆 動シャフト１４にヒンジ結合された、プラットホーム１１を具備している。 本発明に従って構成された装置は、これも極めて模式的に図２に示されており 、スイベル機構を介在することなく、固定的に連結された推進エンジン３Ａを有 する人工衛星１Ａを含んでいる。推進エンジン３Ａは、内側コイル１６と、外側 コ イル１７と、四つの補助的操縦コイル１８，１８’，１９，１９’を有している 。人工衛星の電源２Ａは制御回路１０Ａに接続されており、該回路は、（例えば 、ラジオリンクを介して地上ステーションから）推進エンジンの所望の方向を決 める方向信号SIGを受け取る。回路１０Ａは、対なった１２本の出力ラインａ１ ，ａ２；ｂ１，ｂ２；ｃ１，ｃ２；ｄ１，ｄ２；ｅ１，ｅ２；ｆ１，ｆ２を有し ており、夫々の出力ライン対に対して、何れかの極性の選択された電圧を印加す ることができる。ａ１およびａ２を横切って印加される電圧ａは、ｂ１およびｂ ２を横切って印加される電圧ｂと同様に一定である。ｃ１およびｃ２を横切る電 圧は、ｄ１およびｄ２を横切る電圧ｄとほぼ同じ値である。しかし、これら値の 間には、推進ベクトルの軸線と推進エンジンの物理上の軸線との間に存在し得る 何等かの不一致を訂正するために、または故意にこのような不一致を生じさせる ために、若干のオフセットがあってもよい。コイル１８，１８’を両方向に電流 が流れることを保証し、これによって一つの平面内で椎進方向を制御するように 、回路１０Ａによって、対応するコイル１８，１８’への接続が選択される。コ イル１９，１９’を流れる電流を制御して、直交面内での推進方向を制御するよ うに、電圧ｅおよびｆは、電圧ｃおよびｄと同じ方法で（しかし、これとは独立 に）変化される。この方法において、推進の方向は、破線で示したように、各平 面内において10°以下のの全角度に亘って調節することができる。 次に、図３および図４を参照すると、一般に、推進エンジンは軸線Ｘ−Ｘの回 りに対称的である。それは、セラミック挿入物２３の内壁および外壁２１，２２ の間に形成された、環状の加速チャンネル２０を備えている。該チャンネル２０ は、閉じた上流端（図３に示す底部）から開放された下流端へと延びており、そ の下流端では、外側壁２２が内側壁２１よりも少し下流側に延出している。内側 壁および外側壁２１，２２の両者は、その夫々の下流端において増大した厚さを 有し、外側壁２２は、少し広がった開放端を与えるように２２Ａで面取りされて いる。 チャンネルの上流端には、その回りに連続的に延びる溝をもった、正方形の断 面をもった中空管形状の円形アノード２４が配置されている。パイプ２５は、こ の中空アノードの中に推進薬（この具体例ではキセノンガスであるが、クリプト ンまたはアルゴンでもよい）を供給し、該推進薬は中空アノードから円形溝を通 してチャンネル２０に供給される。チャンネルの回りにおける椎進薬ガスの分布 を改善するために、バッフル（図示せず）をアノードの内側に設けてもよい。電 気的接続２６は、アノードに正の電圧を供給する。 カソード２７は、後述するように、チャンネル２０の下流端に近接して、磁石 のＮ極に装着される。このカソードには、接続２８を通してキセノンガスが供給 され、また電気的コネクタ２９を介して陰電圧源が供給される。この磁力系には 、二つの磁気的に分離されたボディつまりヨーク、即ち、両者とも透磁性材料で できた内側ヨーク３０Ａおよび外側ヨーク３０Ｂが含まれている。 内側ヨーク３０Ａはスプール形状で、重量を軽減するための中央空洞部をもっ た円筒状の中心コア部分３１を有している。この円筒状部分には、下流端から見 たときに電流が時計方向に流れるように、内部コイル１６が巻回されている。円 筒状部分３１の下流端には、フランジ３２の形状の末端ピースが半径方向外側に 延びており、これはその自由末端において、内側磁性ヨークの第一の円形磁極３ ３（磁石のＳ極）を形成している。半径方向外側に延びたフランジ３４の形態を 有するもう一つの末端ピースが、円筒部分３１の上流端に配置されており、これ は、内部コイル１６を部分的に取り囲む円筒状の壁３５を支持し、図４で一番よ く分かるように、その自由末端３６に第二の磁極（Ｎ極）を形成する。 外側ヨーク３０Ｂは、軸線Ｘ−Ｘと同軸で、且つ厚さを大きい円形リム３８を 有する円筒壁３７によって形成されている。このリムは、四つのスロットまたは 隙間によって分割されており(図３)、これらスロットは、該リムを四つの等しい 部分３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃおよび３８Ｄに分割している。これらの夫々の部分 は、その回りに巻回された補助的な操縦コイルを有している。これらの操縦コイ ルは、図２に１８，１８’，１９，１９’で示したのと同じコイルであり、これ らは、電流が一方のコイルの回りを時計回りで流れ、対向するコイルの回りを反 時計回りで流れるように構成されている。半径方向内側に延びたフランジ４０の 形態を有する第一の末端ピースが、リム３８の四つの部分に取り付けられている 。このフランジ４０は円形であり、リムセクター３８の間のギャップを橋渡しし ている。それはパス(pas)で示されている。このフランジ４０の半径方向 内側の円形エッジは、ボディ３０Ｂの第一の磁極（磁石のＮ極）を形成しており 、図４で最もよく分かるように、磁石のＳ極３３の少し下流側に位置している。 円筒壁３７の上流端は、もう一つの内側に延びた円形フランジ４１へと延出して おり、該フランジ４１はまた、軸線Ｘ−Ｘと同軸の円筒壁４２へと延出している 。壁３７，４１および４２は、主要な外側コイル１７（図２にも示されている） を収容する囲いを形成している。該コイル１７は壁４２の回りに巻回されており 、電流が図４に示す方向に流れるように接続されているので、壁４２の下流側エ ッジ４３に磁石のＳ極が形成され、フランジ４０の内側エッジ４４に磁石のＮ極 が形成される。 図４は、電流が内側コイル１６および外側コイル１７を通過するが、操縦コイ ル１８，１８’，１９，１９’を通過しない場合の磁界線を示している。図４か ら、磁極３３と磁極４４のオフセットによって、動作に際してイオンが加速され る環状加速ゾーン４５の中に、傾斜した磁界が生じることが分かるであろう。こ の磁界の傾斜は、軸線Ｘ−Ｘに向かう矢印Ｖで示した方向にイオンを加速させる 。この目的は、推進エンジンから生じるイオンの煙霧の発散を制限することであ る。無価値な点は、円筒壁３５および４２がアノードの配置されている領域４５ ’を磁界の影響から遮蔽するように働くことである。 図示の推進エンジンの動作は次の通りである。電子はカソード２７から放出さ れて、二つの流れに分割される。このような電子の一つの流れは、アノード２４ へと引き付けられて、環状チャンネル２０の中へ入る。チャンネル内における磁 界の半径方向成分は、電子を円周方向に運動させ、アノードに向けて徐々に軸方 向にドリフトさせる。最小の磁化しか存在しないアノード領域４５’では、チャ ンネルを下降するその螺旋運動が、パイプ２５に沿って供給される推進薬ガスを イオン化させる。 生じたイオン（正に帯電している）は、アノードとカソードとの間の約300ボ ルトの電位差により生じる電界によって、下流方向へと加速される。推進薬イオ ンは、電子の質量に比較してその質量が相対的に高いため、磁界によって大きく は影響されない。しかし、幾らかはこのような影響があり、加速領域４５におけ る磁極３３と４４との間の磁界の傾斜特性は、推進エンジンの下流側から発生す るイオンの流れを生じさせ、文字Ｖによって示す方向に収斂させる傾向がある。 電流がコイル１８，１８’を通して流れると、推進エンジンの一方の側から発生 するイオンへの磁界の影響は、磁界強度が増大するため増加する一方、この影響 は推進エンジンの反対側では減少する。こうして、図４にＶ’およびＶ”で示す ように、ベクトルの方向の偏向が達成される。一方ではコイル１８，１８’を通 る電流を制御し、他方ではコイル１９，１９’を通る電流を制御することにより 、推進の方向を如何なる方向にも変えることができる。 カソード２７から放出された電子が二つの流れに分割されること、並びにその 一方の流れは加速チャンネルに入ることについては既に述べた。電子の他方の流 れは、推進エンジンから噴射されるときイオンを中和するのに効果的であり、そ の結果生じる負の電荷が推進エンジンに残留するのを回避する。推進ベクトルの 操縦によって生じる外側セラミック壁２２の下流側エッジの腐蝕は、面取り２２ ａの存在によって低減される一方、対応する内側壁２１のエッジ腐蝕の低減は、 外側壁２２の対応する面取りされたエッジに対する上流方向でのその置換によっ て低減される。 磁性体３０ａおよび３０ｂの重要な特徴は、それらが磁気的に分離されており 、夫々が独自のＮ極およびＳ極を有する別個の電磁石を構成していることである 。このため、磁気系の全体の寸法が図３および図４に示した寸法とは異なり、し かも広範囲に異なる寸法をもった加速チャンネルのなかでも、必要な磁気特性を 得ることが可能である。例えば、所定の出力について、軸方向には短く且つ直径 の大きな(又は逆の)、ホール効果推進エンジンを製造することが可能であろうこ とが予測される。従って、推進エンジンは、人工衛星またはロケットの利用可能 な空間を上手く使用するように設計することができる。 図５に示した変形例では、内側磁石のＳ極を構成する磁石３０Ａは、半径方向 のスロットによって四つの切片Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３およびＳ４に分割されており； また外側磁石のＮ極を定義する円形フランジ４０は、同様にして四つの切片Ｎ１ ，Ｎ２，Ｎ３およびＮ４に分割される。こうして形成された個々のＮ極間のスロ ットまたはギャプは、操縦コイル１８，１８’，１９，１９’に適合した遥かに 大きなスロットまたはギャップ３９よりも著しく小さい。従って、個々のＮ極は 、 コイルの末端部分（そこではコイルがギャップを通過する）と重なる。図５に示 したこの設計変更は、改善された操縦能力を提供する。 図面に示した本発明の特定の実施例は、例としてのみ説明されたものであり、 本発明はこの例の特定の特徴に制限されないことが理解されるであろう。例えば 、本発明は、また、いわゆるアノード層推進エンジンにも適用可能である。図示 の構成に類似した構成が用いられる場合、種々の設計変更が可能である。例えば 、フランジ４０をセクター３８ａ，３８ｂ，３８ｃおよび３８ｄに対応した四つ の別々の部分に分割し、これにより四つの別々の主磁石のＮ極を形成することに よって、操縦効果を改良することができるであろう。もう一つは、円筒状の磁性 壁３７の内側ではなく、外側である。もう一つの可能な変形例は、コイル１７を 省略して、その代わりにより大きなコイル１８，１８’１９，１９’を使用する ことであろう。また、勿論、コイル１６および１７の何れか又は両方を永久磁石 で置き換えることもできるであろう。或いは、磁石３０Ａおよび３０Ｂを永久磁 石で形成することも可能であろう。更にもう一つの可能な変形例は、三つだけ、 または四つより多い何れかの数の操縦コイルをもたせることであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バラノフ ヴィ イー ロシア連邦 123481 モスコウ ウリッサ プラネルナヤ 12―３―57 (72)発明者 ヴァシン アー イー ロシア連邦 109387 モスコウ プロスペ クト 40 レティヤ オクトヤブルヤ ▲ ＩＩ▼―46

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ホール効果プラズマ加速器であって、閉鎖端および開放端を有する実質的に 環状の加速チャンネルと、該チャンネルの両側に設けられた複数の磁性部材と を具備し、これら複数の磁性部材の各磁性体は一対の磁極を形成し、また前記 チャンネル内に磁界を形成するために、夫々の磁性体が物理的も、実質的に磁 気的にも、前記磁性部材の他の何れの磁性体からも分離されているプラズマ加 速器。 ２．前記磁性部材が、 前記加速器の軸と同軸の円筒壁部分を有する外側磁性体と、 前記円筒壁部分の下流端にあり且つ第一の磁極を定義する第一の末端ピース と、 前記チャンネルの上流端および下流端との間で離間した第二の磁極を定義す るように、前記円筒壁部分から半径方向内側へと延び、次いで軸方向下流側へ と延びる第二の末端ピースとを具備する、請求項１に記載の加速器。 ３．前記外側磁性体が、前記第二の末端ピースの円筒状部分（この部分は軸方向 下流側へと延びている）を取り囲み、且つ前記円筒状部分と前記円筒壁部分と の間に位置する第一の磁力源を更に具備する、請求項２に記載の加速器。 ４．前記第一の磁力源がコイルである、請求項３に記載の加速器。 ５．前記第一の磁力源が永久磁石である、請求項３に記載の加速器。 ６．前記磁性部材が、 ほぼスプール形状を有すると共に、軸方向に延びる中央部分と、 該中央部分の下流端にあり、且つ前記チャンネルに向けて半径方向外側へと 延びて第一の磁極を形成する第一の末端ピースと、 前記中央部分の上流端から半径方向外側に延びる第二の末端ピースと、 前記第二の末端ピースから下流方向に延びて第二の磁極で終端する円筒壁と を有する内側磁性体を具備する、請求項１に記載の加速器。 ７．前記内側磁性体が、前記内側磁性体の中央部分を取り囲む第二の磁力源を具 備する、請求項６に記載の加速器。 ８．前記第二の磁力源がコイルである、請求項７に記載の加速器。 ９．前記第二の磁力源が永久磁石である、請求項７に記載の加速器。 10．前記磁性部材が、 前記加速器軸と同軸の円筒壁部分と、 該円筒壁部分の下流端にあり、且つ前記内側磁性体の対応する第一の磁極と は逆極性の第一の磁極を定義する第一の末端ピースと、 前記円筒壁部分から半径方向内側に延び、次いで軸方向下流側に延びて、前 記チャンネルの上流端と下流端との間の離間した第二の磁極を定義する第二の 末端ピースとを更に具備する、請求項６，７，８または９のいずれか一項に記 載の加速器。 11．前記外側磁性体が、前記第二の末端ピースの円筒部分（該部分は軸方向下流 側に延び、前記円筒部分と円筒壁部分との間に位置する）を取り囲む第一の磁 力源を具備する、請求項１０に記載の加速器。 12．前記第一の磁力源がコイルである、請求項１１に記載の加速器。 13．前記第一の磁力源が永久磁石である、請求項１１に記載の加速器。