JP2007071055A - Hall thruster having magnetic circuit having magnetic field concentrating structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、宇宙推進に用いられるホールスラスタ、すなわち、円環状の加速チャネルに径方向の磁場と軸方向の電場を作用させて、加速チャネル内で生成されたプラズマからイオンのみを静電的に加速・噴出させることにより推進力を得るホールスラスタに関する。特に、改良された磁場集中構造を有する磁気回路を備えたホールスラスタに関する。 In the present invention, a hole thruster used for space propulsion, that is, an annular acceleration channel is made to act on a radial magnetic field and an axial electric field to electrostatically extract only ions from plasma generated in the acceleration channel. The present invention relates to a hall thruster that obtains a driving force by accelerating and ejecting. In particular, the present invention relates to a Hall thruster provided with a magnetic circuit having an improved magnetic field concentration structure.
図10に、ホールスラスタの基本構造を示す。ホールスラスタは、円環状の加速チャネル31を有する。加速チャネル31は、チャネル外周壁32aとチャネル内周壁32bにより形成され、その下流端が開口している。加速チャネル31の下流端の近傍には、陰極33が配置されている。加速チャネル31の上流部には、陽極34が配置されている。陽極34には、加速チャネル31に推進剤を供給するための推進剤供給口34aが設けられている。推進剤としては、例えばキセノンが用いられる。チャネル外周壁32aの外側には、外周磁気コア35が配置され、チャネル内周壁32bの内側には、中央磁気コア36が配置されている。
FIG. 10 shows the basic structure of the Hall thruster. The Hall thruster has an
加速チャネル31には、径方向の磁場と軸方向の電場が印加される。すなわち、図示しないが、外周磁気コア35と中央磁気コア35により形成される磁気回路に磁気コイルが付設され、発生する磁束が漏洩することにより加速チャネル31に径方向の磁場が印加される。また、陽極34と陰極33の間には電圧が印加されて、軸方向の電場を形成する。
A radial magnetic field and an axial electric field are applied to the
陰極33から放出され加速チャネル31内に流入した電子は、電場と磁場の相互作用によって、加速チャネル31内を円周方向に周回し、ホール電流と呼ばれる円周方向の電流を形成して電子が閉じ込められる。推進剤供給口34aから供給される推進剤は、ホール電流として閉じこめられた電子と電離衝突して、プラズマが発生する。このプラズマからイオンのみが軸方向の電場によって加速・噴出され、その反作用で推力が得られる。噴出されたイオンは陰極33から放出された電子と結合して中性粒子となる。
The electrons emitted from the cathode 33 and flowing into the
以上のとおりホールスラスタは、電気推進機の一種であり、エネルギー変換効率(推進効率)が50%以上と高く、また高比推力、すなわち、推進剤単位量当たりの加速に使えるエネルギが大きい、という特徴がある。このため、所要推進剤量が少なく、小型で軽量であり、宇宙機の姿勢制御、軌道制御用に適した宇宙用推進機として期待されている。従って、その性能を向上させるための改良が急速に進められている。 As described above, the Hall thruster is a kind of electric propulsion machine, has a high energy conversion efficiency (propulsion efficiency) of 50% or more, and high specific thrust, that is, a large amount of energy that can be used for acceleration per unit amount of propellant. There are features. For this reason, the amount of required propellant is small, it is small and lightweight, and it is expected as a space propulsion device suitable for spacecraft attitude control and orbit control. Therefore, improvements for improving the performance are being rapidly advanced.
ホールスラスタの性能を向上させるための課題の1つは、電離とイオン加速の効率を高めることであり、そのためには、加速チャネルの下流端域に磁場を集中させて、その狭い領域でのみ電離と加速を実現し、陽極近傍における漏洩磁場はできる限り小さくすることが望ましい。 One of the challenges to improve the performance of the Hall thruster is to increase the efficiency of ionization and ion acceleration. For this purpose, the magnetic field is concentrated in the downstream end region of the acceleration channel, and ionization is performed only in the narrow region. It is desirable that the leakage magnetic field near the anode be as small as possible.
加速チャネルの下流端域に磁場を集中させるための一例として、特許文献1には、3つのコイルを用いてそれぞれが形成する磁場の組み合わせを適切に調整した構成が記載されている。
As an example for concentrating a magnetic field in the downstream end region of the acceleration channel,
また、加速チャネルの下流端域に磁場を集中させるための他の例として、図11に記載の構成が知られている。加速チャネル41は、チャネル外周壁42aとチャネル内周壁42bにより形成された円環状空間からなる。加速チャネル41の下流端近傍に、陰極43が配置されている。加速チャネル41の上流域に、陽極44が配置されている。加速チャネル41の上流端部には、推進剤供給口45が設けられている。
Further, as another example for concentrating the magnetic field in the downstream end region of the acceleration channel, the configuration shown in FIG. 11 is known. The
チャネル外周壁42aの外側に外周磁気コア46が配置され、チャネル内周壁42bの内側には、中央磁気コア47が配置されている。加速チャネル41の上流端側に配置された後端板48は、外周磁気コア46と中央磁気コア47の間の磁路を形成するヨークとして機能する。外周磁気コア46及び中央磁気コア47にはそれぞれ、外側磁気コイル49、および内側磁気コイル50が付設されている。外側磁気コイル49と加速チャネル41の間、および内側磁気コイル50と加速チャネル41の間にはマグネティックシールド51、52が配置されている。
An outer peripheral
このホールスラスタにおいては、マグネティックシールド51、52を設けて漏洩磁束を遮断し、加速チャネル41の下流端域のみにおいて漏洩磁束を通過させることにより、所望の位置に集中した磁場分布が形成される。
上記従来例の構成においては、磁束を発生させるコイルの数を増加させ、あるいはマグネティックシールドを設けることにより、所望の磁場集中を行っている。従って、磁場集中のための追加部材が必要であり、構造の複雑化を伴い、装置の小型化を阻害する要因となる。 In the configuration of the conventional example, a desired magnetic field concentration is performed by increasing the number of coils that generate magnetic flux or by providing a magnetic shield. Accordingly, an additional member for concentrating the magnetic field is necessary, which is complicated in structure and hinders downsizing of the apparatus.
本発明は、簡素な構成により、加速チャネルの下流端域に磁場が効果的に集中され、陽極近傍における磁場の強さが十分に抑制されたホールスラスタを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a Hall thruster in which the magnetic field is effectively concentrated in the downstream end region of the acceleration channel with a simple configuration, and the strength of the magnetic field in the vicinity of the anode is sufficiently suppressed.
本発明のホールスラスタは、基本的な構成として、チャネル外周壁とチャネル内周壁により形成された円環状空間からなりその下流端が開口した加速チャネルと、前記加速チャネルの前記下流端に隣接した外部に配置された陰極と、前記加速チャネルの上流域に配置された陽極と、前記加速チャネルに推進剤ガスを供給するための推進剤供給口と、前記チャネル外周壁の外側に配置された外周磁気コア、前記チャネル内周壁の内側に配置された中央磁気コア、および前記加速チャネルの上流端側において前記外周磁気コアと前記中央磁気コアとの間の磁路を形成するヨークにより形成された磁気回路と、前記外周磁気コア及び前記中央磁気コアにそれぞれ付設された磁気コイルとを備える。前記磁気コイルにより発生する磁束が前記磁気回路から漏洩することにより前記加速チャネルの径方向に印加される磁場と、前記陰極と前記陽極により前記加速チャネルの軸方向に印加される電場の作用により、前記推進剤供給口から供給される推進剤が電離し、生成されたイオンが加速されて推力を発生する。 The basic structure of the Hall thruster of the present invention is as follows: an acceleration channel comprising an annular space formed by a channel outer peripheral wall and a channel inner peripheral wall, the downstream end of which is open, and an external portion adjacent to the downstream end of the acceleration channel. , An anode disposed upstream of the acceleration channel, a propellant supply port for supplying a propellant gas to the acceleration channel, and an outer peripheral magnet disposed outside the outer peripheral wall of the channel A magnetic circuit formed by a core, a central magnetic core disposed inside the inner peripheral wall of the channel, and a yoke that forms a magnetic path between the outer magnetic core and the central magnetic core on the upstream end side of the acceleration channel And magnetic coils respectively attached to the outer peripheral magnetic core and the central magnetic core. By the action of the magnetic field applied in the radial direction of the acceleration channel by the magnetic flux generated by the magnetic coil leaking from the magnetic circuit, and the electric field applied in the axial direction of the acceleration channel by the cathode and the anode, The propellant supplied from the propellant supply port is ionized, and the generated ions are accelerated to generate thrust.
上記課題を解決するために、本発明の第1の構成のホールスラスタは、前記外周磁気コアと前記中央磁気コアとの間隔が、前記下流端において前記上流端よりも狭く、前記中央磁気コアに付設された内側磁気コイルは、前記中央磁気コアに対して前記下流端側に偏在して配置されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the Hall thruster according to the first configuration of the present invention is such that the distance between the outer peripheral magnetic core and the central magnetic core is narrower at the downstream end than the upstream end, The attached inner magnetic coil is arranged to be unevenly distributed on the downstream end side with respect to the central magnetic core.
本発明の第2の構成のホールスラスタは、前記中央磁気コアの直径が、前記下流端において前記上流端よりも大きいことを特徴とする。 The hall thruster of the second configuration of the present invention is characterized in that the diameter of the central magnetic core is larger at the downstream end than at the upstream end.
本発明の第3の構成のホールスラスタは、前記中央磁気コアに付設された内側磁気コイルが、前記中央磁気コアに対して前記下流端側に偏在して配置されていることを特徴とする。 The Hall thruster of the third configuration of the present invention is characterized in that an inner magnetic coil attached to the central magnetic core is arranged to be unevenly distributed on the downstream end side with respect to the central magnetic core.
上記構成によれば、外周磁気コアと中央磁気コアとの間隔、中央磁気コアの横断面積、あるいは内側磁気コイルの配置の調整、という追加部材を必要としない極めて簡素な構成により、加速チャネルの下流端域に磁場が効果的に集中され、陽極近傍における磁場の強さが十分に抑制されたホールスラスタを得ることができる。 According to the above configuration, the downstream of the acceleration channel can be achieved by a very simple configuration that does not require an additional member such as the distance between the outer magnetic core and the central magnetic core, the cross-sectional area of the central magnetic core, or the adjustment of the arrangement of the inner magnetic coil A Hall thruster in which the magnetic field is effectively concentrated in the end region and the strength of the magnetic field in the vicinity of the anode is sufficiently suppressed can be obtained.
本発明の第1の構成のホールスラスタにおいて、前記外周磁気コアは、前記加速チャネルの軸方向において、前記中央磁気コアに対して傾斜した形状を有する構成とすることができる。 In the hall thruster of the first configuration of the present invention, the outer peripheral magnetic core may have a shape inclined with respect to the central magnetic core in the axial direction of the acceleration channel.
また、前記外周磁気コアの上流端の直径D0、前記外周磁気コアの下流端の直径D1が、下記の式(1)の関係を満たすことが好ましい。それにより、加速チャネルの下流端域と陽極近傍における磁束密度の比を適切に設定することが容易になる。 Moreover, it is preferable that the diameter D 0 of the upstream end of the outer peripheral magnetic core and the diameter D 1 of the downstream end of the outer peripheral magnetic core satisfy the relationship of the following formula (1). Thereby, it becomes easy to appropriately set the ratio of the magnetic flux density in the downstream end region of the acceleration channel and the vicinity of the anode.
1.2×D1<D0<1.5×D1 (1)
本発明の第2の構成のホールスラスタにおいて、前記中央磁気コアは、前記下流端側の大径部と前記上流端側の小径部により形成された2段構造を有する構成とすることができる。
1.2 × D 1 <D 0 <1.5 × D 1 (1)
In the Hall thruster according to the second configuration of the present invention, the central magnetic core may have a two-stage structure formed by the large diameter portion on the downstream end side and the small diameter portion on the upstream end side.
この構成において、前記小径部の長さLcは、中央磁気コアの長さLに対してLc≧0.5Lの関係を満たす範囲であることが好ましい。 In this configuration, the length Lc of the small-diameter portion is preferably in a range satisfying the relationship of Lc ≧ 0.5L with respect to the length L of the central magnetic core.
また、前記中央磁気コアの前記小径部の直径W1、前記大径部の直径W2が、下記の式(2)の関係を満たすことが好ましい。それにより、加速チャネルの下流端域と陽極近傍における磁束密度の比を適切に設定することが容易になる。 The diameter W 1 of the small diameter portion of the central magnetic core, the diameter W 2 of the large-diameter portion, it is preferable to satisfy the relation of the following equation (2). Thereby, it becomes easy to appropriately set the ratio of the magnetic flux density in the downstream end region of the acceleration channel and the vicinity of the anode.
W2/2<W1<3W2/4 (2)
以上の構成において、前記中央磁気コアに付設された内側磁気コイルは、前記中央磁気コアに対して前記下流端側に偏在して配置されている構成とすることができる。
W 2/2 <W 1 <
In the above configuration, the inner magnetic coil attached to the central magnetic core may be arranged to be unevenly distributed on the downstream end side with respect to the central magnetic core.
内側磁気コイルが前記中央磁気コアに対して前記下流端側に偏在して配置されている構成とする場合、前記中央磁気コアの上流端から前記内側磁気コイルの上流端までの距離Lbは、前記中央磁気コアの長さLに対して、Lb≧0.5Lの関係を満たす範囲であることが好ましい。 When the inner magnetic coil is configured to be unevenly distributed on the downstream end side with respect to the central magnetic core, the distance Lb from the upstream end of the central magnetic core to the upstream end of the inner magnetic coil is A range satisfying the relationship of Lb ≧ 0.5L with respect to the length L of the central magnetic core is preferable.
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
実施の形態1におけるホールスラスタの構造について、図1の断面図を参照して説明する。加速チャネル1は、チャネル外周壁2aとチャネル内周壁2bにより形成された円環状空間からなり、その下流端は開口している。チャネル外周壁2a、およびチャネル内周壁2bは、例えば窒化ホウ素(BN)等のセラミックを用いて形成される。加速チャネル1の下流端に隣接した外部には、従来例と同様に中空陰極が配置されるが、図示を省略する。加速チャネル1の上流端は、封口部材3により封口されている。封口部材3には陽極4が固定され、加速チャネル1の上流域に位置している。陽極4には、加速チャネル1に推進剤を供給するための推進剤供給口4aが設けられている。
(Embodiment 1)
The structure of the hole thruster in the first embodiment will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. The
チャネル外周壁2aの外側に外周磁気コア5が配置され、前端板6を介して連結部材7と連結されている。連結部材7は封口部材3と結合され、従って、外周磁気コア5は、前端板6、連結部材7および封口部材3を介して、加速チャネル1に対する位置が固定されている。チャネル内周壁2bの内側には、中央磁気コア8が配置されている。加速チャネル1の上流端側に配置された後端板9は、外周磁気コア5と中央磁気コア8とを結合して中央磁気コア8を支持するとともに、外周磁気コア5と中央磁気コア8との間の磁路を形成するヨークとして機能する。従って、外周磁気コア5、中央磁気コア8および後端板9により磁気回路が形成される。外周磁気コア5及び中央磁気コア8にはそれぞれ、外側磁気コイル10、および内側磁気コイル11が付設されている。
The outer peripheral
外側磁気コイル10、および内側磁気コイル11により発生される磁束が磁気回路から漏洩することにより、加速チャネル1の径方向に磁場が印加される。また、陰極と陽極4により加速チャネル1の軸方向に電場が印加される。この磁場と電場の作用により、推進剤供給口4aから供給される推進剤が電離し、生成されたイオンが加速されて推力を発生する。
A magnetic field is applied in the radial direction of the
本実施の形態においては、外周磁気コア5と中央磁気コア8との間隔が、下流端において上流端よりも狭くなるように設定される。図の構成では、外周磁気コア5は、加速チャネル1の軸方向において、中央磁気コア8に対して傾斜した形状を有する。すなわち、外周磁気コア5の上流端の直径D0は、下流端の直径D1よりも大きい。それにより、加速チャネル1に印加される磁場は下流端部に集中される。
In the present embodiment, the distance between the outer
更に、中央磁気コア8に付設された内側磁気コイル4は、下流端側に偏在して配置されている。すなわち、図1に示した中央磁気コア8の上流端から内側磁気コイル4の上流端までの距離Lbは、0.5Lに設定されている。それにより、磁束の発生する位置が下流端側に偏るため、加速チャネル1の下流端域に対する磁場の集中度が向上する。
Furthermore, the inner magnetic coil 4 attached to the central
以上の構成により、加速チャネル1に印加される磁場は下流端部に集中され、陽極4の近傍では磁場の強さが十分に抑制される。その結果、磁場が集中された狭い領域に集中して電離と加速が行われ。電離とイオン加速の効率を高めることができる。
With the above configuration, the magnetic field applied to the
本実施の形態による磁気回路の構成に基づく効果を、図2および図3に示す。図2は、図1のホールスラスタにおいて形成される磁場を示す。但し、図1におけるホールスラスタの上半分の断面のみを示す。12は磁力線である。図3は、図2の加速チャネル1の軸方向における位置と印加される磁場の強さ(磁束密度)の関係を示す。P1は加速チャネル1の下流端に対応する位置である。Laは、中央磁気コア8の長さLの1/2であり、従って、P0は陽極4の近傍の位置に対応する。磁束密度は、最大値Bmaxに対する比率で表わされる。
The effects based on the configuration of the magnetic circuit according to the present embodiment are shown in FIGS. FIG. 2 shows the magnetic field formed in the Hall thruster of FIG. However, only the upper half section of the Hall thruster in FIG. 1 is shown.
図3から判るように、加速チャネル1の下流端域に磁場が十分に集中し、陽極近傍での磁束密度B0が十分に抑制されている。このような磁場の集中は、B0<0.2Bmaxの条件を満足する程度であれば、実用的に十分である。そのためには、外周磁気コア5の上流端の直径D0、外周磁気コア5の下流端の直径D1が、下記の式(1)の関係を満たすように構成することが望ましい。
As can be seen from FIG. 3, the magnetic field is sufficiently concentrated in the downstream end region of the
1.2×D1<D0<1.5×D1 (1)
印加される磁場の状態は、中央磁気コア8の長さLによっても影響を受けるが、長さLと直径D1の実用的な範囲において、式(1)の関係を満たすことにより、上述の磁束密度の関係を得ることが可能である。寸法の一例として、L=80cm、D1=180cmであれば、上記磁束密度の条件を容易に充足することができる。
1.2 × D 1 <D 0 <1.5 × D 1 (1)
State of the applied magnetic field is also affected by the length L of the central
また、中央磁気コア8の上流端から内側磁気コイル4の上流端までの距離Lbは、Lb≧0.5Lの範囲であれば、上記効果を十分に得ることが可能である。
In addition, if the distance Lb from the upstream end of the central
(実施の形態2)
実施の形態2におけるホールスラスタの構造について、図4の断面図を参照して説明する。基本的な構造は図1に示した実施の形態1と同様であり、同一の要素については同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
(Embodiment 2)
The structure of the hole thruster in the second embodiment will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. The basic structure is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, and the same reference numerals are assigned to the same elements, and the description is not repeated.
本実施の形態においては、中央磁気コア20、及び外周磁気コア22の形状が実施の形態1とは相違する。外周磁気コア22は、中央磁気コア20に対して傾斜せず、平行である。中央磁気コア20は、上流端側の小径部20aと下流端側の大径部20bとにより形成された2段構造を有する。すなわち、小径部20aの直径W1に対して、大径部20bの直径W2の方が大きい。直径W1の小径部20aの長さLcは、中央磁気コア20の長さLの1/2である。内側磁気コイル21、外側磁気コイル23はいずれも、軸方向全域に亘って配置されている。
In the present embodiment, the shapes of the central
この構成によれば、実施の形態1と同様に、外周磁気コア22と中央磁気コア20との間隔が、下流端において上流端よりも狭くなっている。従って、加速チャネル1に印加される磁場は下流端域に集中され、陽極4の近傍では磁場の強さが十分に抑制される。その結果、磁場が集中された狭い領域に集中して電離と加速が行われ。電離とイオン加速の効率を高めることができる。なお、小径部20aの長さLcは、Lc≧0.5Lであれば、上記効果を十分に得ることが可能である。
According to this configuration, as in the first embodiment, the distance between the outer
本実施の形態による磁気回路の構成に基づく効果を、図5および図6に示す。図5は、図4のホールスラスタにおいて形成される磁場を示す。但し、図4におけるホールスラスタの上半分の断面のみを示す。図6は、図5の加速チャネル1の軸方向における位置と印加される磁場の強さの関係を示す。図3と同様、P1は加速チャネル1の下流端に対応する位置である。Laは、中央磁気コア20の長さLの1/2であり、従ってP0は陽極4の近傍の位置に対応する。磁束密度は、最大値Bmaxに対する比率で表わされる。
The effects based on the configuration of the magnetic circuit according to the present embodiment are shown in FIGS. FIG. 5 shows the magnetic field formed in the Hall thruster of FIG. However, only the upper half section of the Hall thruster in FIG. 4 is shown. FIG. 6 shows the relationship between the position of the
図6から判るように、加速チャネル1の下流端域に磁場が十分に集中し、陽極近傍での磁束密度B0は十分に抑制されている。実施の形態1と同様にB0<0.2Bmaxの条件を満足するためには、下記の式(2)の関係を満たすように構成することが望ましい。
As can be seen from FIG. 6, the magnetic field is sufficiently concentrated in the downstream end region of the
W2/2<W1<3W2/4 (2)
印加される磁場の状態は、中央磁気コア20の長さL、外周磁気コア22の外径D、チャネル外周壁2aの内径D2、チャネル内周壁2bの外径D3によっても影響を受けるが、それらの寸法の実用的な範囲においては、式(2)の関係を満たすことにより、上述の磁束密度の関係を得ることが可能である。寸法の一例として、L=80cm、D=180cm、D2=100cm、D3=56cmであれば、上記磁束密度の条件を容易に充足することができる。
W 2/2 <W 1 <
The state of the applied magnetic field is also affected by the length L of the central
(実施の形態3)
実施の形態3におけるホールスラスタの構造について、図7の断面図を参照して説明する。基本的な構造は図4に示した実施の形態2と同様であり、同一の要素については同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
(Embodiment 3)
The structure of the hole thruster in the third embodiment will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. The basic structure is the same as that of the second embodiment shown in FIG. 4. The same reference numerals are assigned to the same elements, and the repeated description is omitted.
本実施の形態においては、下流端域での磁場の集中効果を更に高めるために、中央磁気コア20に付設された内側磁気コイル24は、下流端側に偏在して配置されている。すなわち、図7に示した中央磁気コア20の上流端から内側磁気コイル24の上流端までの距離Lbが、0.5Lに設定されている。それにより、磁束の発生する位置が下流端側に偏るため、加速チャネル1の下流端域に対する磁場の集中度が向上する。距離Lbは、Lb≧0.5Lであれば、上記効果を十分に得ることが可能である。
In the present embodiment, in order to further enhance the magnetic field concentration effect in the downstream end region, the inner
本実施の形態による磁気回路の構成に基づく効果を、図8および図9に示す。図8は、図7のホールスラスタにおいて形成される磁場を示す。但し、図7におけるホールスラスタの上半分の断面のみを示す。図9は、図8の加速チャネル1の軸方向における位置と印加される磁場の強さの関係を示す。図3と同様、P1は加速チャネル1の下流端に対応する位置である。Laは、中央磁気コア20の長さLの1/2であり、従ってP0は陽極4の近傍の位置に対応する。
The effects based on the configuration of the magnetic circuit according to the present embodiment are shown in FIGS. FIG. 8 shows the magnetic field formed in the Hall thruster of FIG. However, only the upper half section of the Hall thruster in FIG. 7 is shown. FIG. 9 shows the relationship between the position of the
図9から判るように、加速チャネル1の下流端域に磁場が十分に集中し、陽極近傍での磁束密度をB0は十分に抑制されている。実施の形態1と同様にB0<0.2Bmaxの条件を満足するためには、上述の式(2)の関係を満たすように構成することが望ましい。
As can be seen from FIG. 9, the magnetic field is sufficiently concentrated in the downstream end region of the
なお、図示しないが、中央磁気コアに付設された内側磁気コイルを、中央磁気コアに対して下流端側に偏在して配置することのみにより、加速チャネル1の下流端域に磁場を十分に集中させることも可能である。
Although not shown, the magnetic field is sufficiently concentrated in the downstream end region of the
本発明のホールスラスタは、加速チャネルの下流端域に磁場が集中して、電離とイオン加速の効率が向上するので、人工衛星や惑星探査機等、宇宙機の姿勢制御あるいは軌道制御等に用いられる宇宙航行機用推進装置として有用である。 The Hall thruster of the present invention concentrates the magnetic field in the downstream end region of the acceleration channel and improves the efficiency of ionization and ion acceleration. Therefore, it is used for attitude control or orbit control of spacecraft such as artificial satellites and planetary probes. It is useful as a propulsion device for spacecraft.
1、31、41 加速チャネル
2a、32a、42a チャネル外周壁
2b、32b、42b チャネル内周壁
3 封口部材
4、34、44 陽極
4a、34a、45 推進剤供給口
5、22、35、46 外周磁気コア
6 前端板
7 連結部材
8、20、36、47 中央磁気コア
9、48 後端板
10、、23、49 外側磁気コイル
11、21、50 内側磁気コイル
12 磁力線
20a 小径部
20b 大径部
33、43 陰極
51、52 マグネティックシールド
1, 31, 41
Claims (10)
前記加速チャネルの前記下流端に隣接した外部に配置された陰極と、
前記加速チャネルの上流域に配置された陽極と、
前記加速チャネルに推進剤ガスを供給するための推進剤供給口と、
前記チャネル外周壁の外側に配置された外周磁気コア、前記チャネル内周壁の内側に配置された中央磁気コア、および前記加速チャネルの上流端側において前記外周磁気コアと前記中央磁気コアとの間の磁路を形成するヨークにより形成された磁気回路と、
前記外周磁気コア及び前記中央磁気コアにそれぞれ付設された磁気コイルとを備え、
前記磁気コイルにより発生する磁束が前記磁気回路から漏洩することにより前記加速チャネルの径方向に印加される磁場と、前記陰極と前記陽極により前記加速チャネルの軸方向に印加される電場の作用により、前記推進剤供給口から供給される推進剤が電離し、生成されたイオンが加速されて推力を発生するホールスラスタにおいて、
前記外周磁気コアと前記中央磁気コアとの間隔が、前記下流端において前記上流端よりも狭く、
前記中央磁気コアに付設された内側磁気コイルは、前記中央磁気コアに対して前記下流端側に偏在して配置されていることを特徴とするホールスラスタ。 An acceleration channel comprising an annular space formed by a channel outer peripheral wall and a channel inner peripheral wall, the downstream end of which is open;
An externally disposed cathode adjacent to the downstream end of the acceleration channel;
An anode disposed upstream of the acceleration channel;
A propellant supply port for supplying propellant gas to the acceleration channel;
An outer peripheral magnetic core disposed outside the outer peripheral wall of the channel, a central magnetic core disposed inside the inner peripheral wall of the channel, and between the outer peripheral magnetic core and the central magnetic core on the upstream end side of the acceleration channel A magnetic circuit formed by a yoke forming a magnetic path;
Magnetic coils respectively attached to the outer peripheral magnetic core and the central magnetic core,
By the action of the magnetic field applied in the radial direction of the acceleration channel by the magnetic flux generated by the magnetic coil leaking from the magnetic circuit, and the electric field applied in the axial direction of the acceleration channel by the cathode and the anode, In the Hall thruster in which the propellant supplied from the propellant supply port is ionized and the generated ions are accelerated to generate thrust,
An interval between the outer peripheral magnetic core and the central magnetic core is narrower at the downstream end than at the upstream end,
The hall thruster, wherein an inner magnetic coil attached to the central magnetic core is arranged to be unevenly distributed on the downstream end side with respect to the central magnetic core.
1.2×D1<D0<1.5×D1 (1) 3. The Hall thruster according to claim 1, wherein a diameter D 0 of an upstream end of the outer magnetic core and a diameter D 1 of a downstream end of the outer magnetic core satisfy a relationship of the following formula (1).
1.2 × D 1 <D 0 <1.5 × D 1 (1)
前記加速チャネルの前記下流端に隣接した外部に配置された陰極と、
前記加速チャネルの上流域に配置された陽極と、
前記加速チャネルに推進剤ガスを供給するための推進剤供給口と、
前記チャネル外周壁の外側に配置された外周磁気コア、前記チャネル内周壁の内側に配置された中央磁気コア、および前記加速チャネルの上流端側において前記外周磁気コアと前記中央磁気コアとの間の磁路を形成するヨークにより形成された磁気回路と、
前記外周磁気コア及び前記中央磁気コアにそれぞれ付設された磁気コイルとを備え、
前記磁気コイルにより発生する磁束が前記磁気回路から漏洩することにより前記加速チャネルの径方向に印加される磁場と、前記陰極と前記陽極により前記加速チャネルの軸方向に印加される電場の作用により、前記推進剤供給口から供給される推進剤が電離し、生成されたイオンが加速されて推力を発生するホールスラスタにおいて、
前記中央磁気コアの直径は、前記下流端において前記上流端よりも大きいことを特徴とするホールスラスタ。 An acceleration channel comprising an annular space formed by a channel outer peripheral wall and a channel inner peripheral wall, the downstream end of which is open;
An externally disposed cathode adjacent to the downstream end of the acceleration channel;
An anode disposed upstream of the acceleration channel;
A propellant supply port for supplying propellant gas to the acceleration channel;
An outer peripheral magnetic core disposed outside the outer peripheral wall of the channel, a central magnetic core disposed inside the inner peripheral wall of the channel, and between the outer peripheral magnetic core and the central magnetic core on the upstream end side of the acceleration channel A magnetic circuit formed by a yoke forming a magnetic path;
Magnetic coils respectively attached to the outer peripheral magnetic core and the central magnetic core,
By the action of the magnetic field applied in the radial direction of the acceleration channel by the magnetic flux generated by the magnetic coil leaking from the magnetic circuit, and the electric field applied in the axial direction of the acceleration channel by the cathode and the anode, In the Hall thruster in which the propellant supplied from the propellant supply port is ionized and the generated ions are accelerated to generate thrust,
The hall thruster characterized in that the diameter of the central magnetic core is larger at the downstream end than at the upstream end.
W2/2<W1<3W2/4 (2) The hall thruster according to claim 5 or 6, wherein a diameter W 1 of the small diameter portion and a diameter W 2 of the large diameter portion of the central magnetic core satisfy a relationship of the following formula (2).
W 2/2 <W 1 < 3W 2/4 (2)
前記加速チャネルの前記下流端に隣接した外部に配置された陰極と、
前記加速チャネルの上流域に配置された陽極と、
前記加速チャネルに推進剤ガスを供給するための推進剤供給口と、
前記チャネル外周壁の外側に配置された外周磁気コア、前記チャネル内周壁の内側に配置された中央磁気コア、および前記加速チャネルの上流端側において前記外周磁気コアと前記中央磁気コアとの間の磁路を形成するヨークにより形成された磁気回路と、
前記外周磁気コア及び前記中央磁気コアにそれぞれ付設された磁気コイルとを備え、
前記磁気コイルにより発生する磁束が前記磁気回路から漏洩することにより前記加速チャネルの径方向に印加される磁場と、前記陰極と前記陽極により前記加速チャネルの軸方向に印加される電場の作用により、前記推進剤供給口から供給される推進剤が電離し、生成されたイオンが加速されて推力を発生するホールスラスタにおいて、
前記中央磁気コアに付設された内側磁気コイルは、前記中央磁気コアに対して前記下流端側に偏在して配置されていることを特徴とするホールスラスタ。 An acceleration channel comprising an annular space formed by a channel outer peripheral wall and a channel inner peripheral wall, the downstream end of which is open;
An externally disposed cathode adjacent to the downstream end of the acceleration channel;
An anode disposed upstream of the acceleration channel;
A propellant supply port for supplying propellant gas to the acceleration channel;
An outer peripheral magnetic core disposed outside the outer peripheral wall of the channel, a central magnetic core disposed inside the inner peripheral wall of the channel, and between the outer peripheral magnetic core and the central magnetic core on the upstream end side of the acceleration channel A magnetic circuit formed by a yoke forming a magnetic path;
Magnetic coils respectively attached to the outer peripheral magnetic core and the central magnetic core,
By the action of the magnetic field applied in the radial direction of the acceleration channel by the magnetic flux generated by the magnetic coil leaking from the magnetic circuit, and the electric field applied in the axial direction of the acceleration channel by the cathode and the anode, In the Hall thruster in which the propellant supplied from the propellant supply port is ionized and the generated ions are accelerated to generate thrust,
The hall thruster, wherein an inner magnetic coil attached to the central magnetic core is arranged to be unevenly distributed on the downstream end side with respect to the central magnetic core.
The distance Lb from the upstream end of the central magnetic core to the upstream end of the inner magnetic coil is a range satisfying a relationship of Lb ≧ 0.5L with respect to the length L of the central magnetic core. , 8, and 9. The hall thruster according to claim 1.
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