JP2006029337A - イオン駆動装置および推進力発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 推進力を発生させる改善されたイオン駆動装置を提供する。
【解決手段】 推進力すなわち推力を発生させるイオン駆動装置は、エミッタ（１０）と、このエミッタから間隙（Ｄ）によって離間されたアトラクタ（１２）と、を含む少なくとも１つの段を有する。イオン化する誘電媒体が間隙内に設けられる。駆動装置は、さらにエミッタの近傍に推進剤を投入する推進剤供給源（１６）と、誘電媒体をイオン化するためにエミッタの近傍に高強度の電界を形成するとともに、エミッタから離れるようにイオンを加速させて推進力を発生させるためにアトラクタの近傍に拡散した電界を形成する電源（１４）と、を有する。好適実施例では、イオン駆動装置は複数の段を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、推進力を発生させる駆動装置に関し、特に、多段エミッタ−アトラクタ・イオン駆動装置に関する。

従来技術において多くの異なる推進装置が知られている。例えば、推進剤およびロケットモータを使用して推力を発生させる装置がある。また、ジェットエンジンを使用する装置もある。

種々の推進装置が存在するにもかかわらず、高性能の駆動装置、特に、宇宙船に推進力を与える駆動装置が求められている。

従って、本発明の目的は、推進力を発生させる改善されたイオン駆動装置を提供することである。

本発明の他の目的は、宇宙船および他の乗物の推進に使用可能な駆動装置を提供することである。

上述の目的は、本発明によって達成される。

本発明によると、イオン駆動装置は、エミッタと、このエミッタから間隙によって離間されたアトラクタと、を含む少なくとも１つの段を有する。イオン化する誘電媒体が、間隙内に設けられる。駆動装置は、エミッタの近傍に推進剤を投入する推進剤供給源と、誘電媒体をイオン化するためにエミッタの近傍に高強度の電界を形成するとともに、エミッタから離れるようにイオンを加速して推進力を発生させるために拡散した電界を形成する電源と、をさらに有する。好適実施例では、イオン駆動装置は複数の段を有する。

多段エミッタ−アトラクタ・イオン駆動装置の他の詳細およびこれに付随する他の目的および利点は、以下の実施形態および相当する要素に同一番号が付されている添付図面に記載されている。

強電界によるイオンの生成は多くの用途で行われている。イオン化後の同じ電荷の斥力を利用して、イオン源から離れるようにイオンが加速される。本発明は、これを可能な推進源として認識している。本発明は、電界集中と電界拡散との組合せを利用して最初のイオンを繰り返し加速することで、推進剤の流れを増加せずに推進力を増大させる。

図１を参照すると、イオン駆動装置の１つの段は、エミッタ（ｅｍｉｔｔｅｒ）１０と、このエミッタ１０から離間されたアトラクタ（ａｔｔｒａｃｔｏｒ）（レシーバ）１２と、を含む。エミッタ１０とアトラクタ１２とは、当該技術で既知の適切な導電性材料から製造可能である。例えば、エミッタ１０および／またはアトラクタ１２は、炭素繊維またはナノチューブから構成可能である。エミッタ１０は、イオン化機構なので、アトラクタ１２よりも面積がかなり小さい。実際には、エミッタ１０は小さくて鋭いほどいい。所望であれば、アメリシウムなどのアルファ（α）粒子エミッタを使用して、イオン化をさらに高めることができる。エミッタ１０およびアトラクタ１２は、高圧電源１４に電気的に接続されている。高圧電源１４は、直流（ＤＣ）電源または脈動直流（ＰＤＣ）電源とすることができる。

イオン駆動装置は、エミッタ１０に向かって推進剤を放出する推進剤供給源１６を含む。推進剤は、当該技術で既知の安定したガスなどの適切な推進剤を含むことができ、大気を含むがこれに限定されない。推進剤は、ほぼ非導電性である必要があるので、水は使用できない。動作時は、推進剤は爆轟せずにイオン化する。

本発明のイオン駆動装置の特有の形態の１つは、チャンバや吐出ノズルを必要としないことである。本発明のイオン化駆動装置の特別な特徴の１つは、境界層を減少させて流れを再付着させる一方で、あらゆる胴体や翼に適合してあらゆる面に推進力を与えることができることである。

各段において、エミッタが、表面積が増加したアトラクタ１２に近接して配置されたときに、アトラクタ１２の表面積に比べて減少した表面積を有するエミッタ１０に流体分解電位に近い高強度の電界が生成される。電界集中は、アトラクタ表面積に対するエミッタ表面積の比率に基づく初期の比例関係によって変動し、エミッタ１０の周囲に強電界を集中させるとともにアトラクタ１２の周囲に拡散した電界を形成する。エミッタ−アトラクタ離間距離Ｄと、この離間距離における媒体の誘電性により電界強度がさらに調整される。離間距離Ｄは、約０．００１〜６．０インチ（０．０２５４〜１５２．４ｍｍ）の間で変動しうる。電界は、エミッタ−レシーバ離間距離における調整または層化による誘電性の変更および隣接する拡散した電界の配置によってさらに調整可能である。エミッタまたはアトラクタ、またはこれらの間にコーティングを施すことにより、電界形状および局部的な強度を変更することができる。装置の近傍に強度が比較的低い荷電したプレートを配置することで、駆動電界を曲げて電界および流れを収束させることができる。

リチウム、アルゴン、およびキセノンなどのイオン化する誘電媒体が高強度の電界に投入されるとイオン化が起こる。イオン化する誘電媒体は低いイオン化電位を有することが好ましい。図２に示すように、生成されたイオンは、イオン源（エミッタ１０）と同じ電荷を有してこれと反発する。本発明は、イオン化を起こすには不充分であるがイオン源と反発したイオンを引きつける十分に強い拡散した電界を有するアトラクタ１２を利用する。この引力により、イオンが引き続き加速するとともに、発生したイオンに向かってアトラクタが加速する。これらの両方の動作が、前方推進力に寄与する。イオンが拡散したアトラクタ／レシーバ１２を通過すると、電界のイオン消失が起こりうる。しかし、ほとんどのイオンが、エミッタ１０から離れる運動量を維持しながらレシーバ１２の近傍を通過する。上記では、推進力を発生させる単一段のエミッタ−アトラクタ・イオン駆動装置について説明した。

次に図３を参照すると、追加の段が加えられたイオン駆動装置２０が示されている。各々の段は、エミッタ１０とアトラクタ１２とをそれぞれ含む。図示のように、各々のエミッタ１０およびアトラクタ１２は共通の電源１４に電気的に接続されている。この種の装置では、推進効果を減少させてしまう反対の電荷を有する粒子の逆流を防止するために追加の段を絶縁する必要がある。このような絶縁を達成するために２つの対策を使用することができる。第１の対策は、隣接するエミッタ−アトラクタ対の極性を逆転させることである。これは図３で示されている。第２の対策は、次のエミッタを前の段の拡散したレシーバ電界の下流に配置することである。これらは同じ極性を有するので、逆流が防止されるとともに、前のアトラクタ／レシーバ１２の引きつける電界強度が増大する。

本発明のイオン駆動装置は、特に宇宙船推進装置で有用である。例えば、軌道推進および深淵宇宙推進を達成するために使用可能である。さらに、本発明のイオン駆動装置は、大気中および真空中で使用および動作が可能である。また、イオン駆動装置は、高高度推進、静かな推進、および他の種類の乗物の推力増大に使用することもできる。

単一段イオン駆動装置の説明図である。 図１の駆動装置のイオンおよび力の特性を示す説明図である。 本発明に係る多段エミッタ−アトラクタ・イオン駆動装置の説明図である。

符号の説明

１０…エミッタ
１２…アトラクタ
１４…高圧電源
１６…推進剤供給源
Ｄ…エミッタ−アトラクタ離間距離

Claims (14)

1. エミッタと、このエミッタから間隙によって離間されたアトラクタと、を有する少なくとも１つの段と、
   前記間隙に設けられたイオン化する誘電媒体と、
   前記エミッタの近傍に推進剤を投入する推進剤供給源と、
   前記誘電媒体をイオン化するために前記エミッタの近傍に高強度の電界を形成するとともに、前記エミッタから離れるようにイオンを加速して推進力を発生させるために前記アトラクタの近傍に拡散した電界を形成する電界形成手段と、を有することを特徴とするイオン駆動装置。
2. 前記電界形成手段は、ＤＣ電源を含むことを特徴とする請求項１記載のイオン駆動装置。
3. 前記電界形成手段は、ＰＤＣ電源を含むことを特徴とする請求項１記載のイオン駆動装置。
4. 複数の段をさらに含み、各々の段はエミッタとアトラクタとをそれぞれ有することを特徴とする請求項１記載のイオン駆動装置。
5. 隣接する前記段は、反対の電荷を有する粒子の逆流を防止するために絶縁されていることを特徴とする請求項４記載のイオン駆動装置。
6. 隣接する前記段は、隣接するエミッタ・アトラクタの対の極性を逆転することによって絶縁されていることを特徴とする請求項５記載のイオン駆動装置。
7. 隣接する前記段のうちの後の段は、前の段の拡散したレシーバ電界の下流にエミッタを有することを特徴とする請求項５記載のイオン駆動装置。
8. 前記エミッタは第１の表面積を有し、前記アトラクタは第１の表面積よりも大きい第２の表面積を有することを特徴とする請求項１記載のイオン駆動装置。
9. 前記誘電媒体は、リチウム、アルゴン、キセノンからなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のイオン駆動装置。
10. 推進力発生方法であって、
    エミッタと、このエミッタから間隙によって離間されたアトラクタと、を有する少なくとも１つの段を提供し、
    前記間隙内にイオン化する誘電媒体を提供し、
    前記エミッタの近傍に推進剤を投入する推進剤供給源を提供し、
    前記誘電媒体をイオン化するためにエミッタの近傍に高強度の電界を形成するとともに、前記エミッタから離れるようにイオンを加速させて推進力を発生させるために前記アトラクタの近傍に拡散した電界を形成することを含むことを特徴とする推進力発生方法。
11. 少なくとも１つの段を提供することは、エミッタとアトラクタとをそれぞれ有する複数の段を提供し、
    前記段のうちの隣接する段を絶縁して、反対の電荷を有する粒子の逆流を防止することを含むことを特徴とする請求項１０記載の推進力発生方法。
12. 前記絶縁は、隣接するエミッタ・アトラクタの対の極性を逆転することを含むことを特徴とする請求項１１記載の推進力発生方法。
13. 前記絶縁は、前記隣接する段のうちの後の段において、前の段の拡散したレシーバ電界の下流にエミッタを設けることを含むことを特徴とする請求項１１記載の推進力発生方法。
14. 前記誘電媒体の提供は、リチウム、アルゴン、キセノンからなる群から選択される誘電媒体を提供することを含むことを特徴とする請求項１０記載の推進力発生方法。

Images