JP2008169779A - パルスプラズマスラスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 推進剤の効率的な利用を図り、総発生力積を増加させて長寿命化を図るとともに、簡便な構成によって推進効率の高いパルスプラズマスラスタを提供すること。
【解決手段】 スラスタユニット１に、推進剤８によって形成された放電室２、放電室２の一端部２ａに近接して設けられた陽極３、放電室２の他端部２ｂあるいは他端部２ｂに近接するノズル５を介して設けられた陰極４、およびイグナイタ６を有するパルスプラズマスラスタであって、放電室２の形状が、その中心軸Ｍに対する垂直断面が一端部２ａから他端部２ｂへ漸次拡大し、略円錐形状を形成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パルスプラズマスラスタに関し、具体的には、人工衛星などの宇宙機に利用可能なパルスプラズマスラスタに関する。

パルスプラズマスラスタ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｔｈｒｕｓｔｅｒ、以下「ＰＰＴ」という。）は、一般に固体／昇華性物質を推進剤とする電気推進機であり、近年、人工衛星等の研究開発の活発化に伴い、例えば、宇宙での人工衛星の姿勢制御や軌道補償を行うための小型・軽量の推進手段として注目されている。固体燃料を用いることからタンクやバルブ等が不要であり、構造が単純で信頼性が高く、初期エネルギーや放電間隔を任意に変化させることにより、数１０μＮｓ〜数ｍＮｓの広い範囲でパルス的に推カを発生させることが可能であるという優れた特性を有している。一方、人工衛星等においては、その重量低減および長期間の使用などの要請から、推進剤をより効率的に利用できるＰＰＴが求められている。

図１０に、一般的なＰＰＴの模式的な構成図を示し、以下その推力発生原理を説明する（例えば非特許文献１参照）。
（１）イグナイタ６に印加されるパルス状の高電圧放電により、露出面から少量のテフロン（登録商標、以下同じ）６１を昇華させ、その一部をプラズマ化させる（図１０（Ａ））。
（２）プラズマは、陽極３と陰極４の間に広がり、高導電性の領域をつくる。これにより両電極間が短絡され、両電極につながれたキャパシタ１０内の電荷が一斉に流れ、主放電が形成される（図１０（Ｂ））。
（３）この主放電による電流がジュール加熱および輻射によってテフロン６１にエネルギーを与え昇華させる。昇華したテフロン６１は、高エンタルピー気体の膨張による気体力学的加速を受ける。また、一部は電離してプラズマとなり、主放電電流とその自己誘起磁場が作る電磁力による電磁力学的加速を受ける（図１０（Ｃ））。
（４）電磁力学的・気体力学的加速を受けたプラズマは、下流方向に加速され、その放電領域を広げつつ、スラスタ外へ放出される。
（５）放電によりテフロン６１が昇華し、その表面が後退するのに対応し、テフロン６１がスプリングで自動的に放電チャンネル内の所定の位置に供給され、新たな放電チャンネルを形成する。

具体的な使用を目的としたＰＰＴとしては、推進剤の有効利用のために、図１１（Ａ）および（Ｂ）に示すＰＰＴ推進剤供給機構が提案されている（例えば特許文献１参照）。具体的には、円盤状に形成されたＰＰＴ推進剤７５を用いたＰＰＴ推進剤供給機構７０であって、ＰＰＴ推進剤７５の中心に設けられた挿通孔７６に挿通されＰＰＴ推進剤７５を回転自在に支持する固定軸７７、ＰＰＴ推進剤７５の外周面に端部を向け周方向の間隔を開けて平行に配置された陽極７２ａと陰極７２ｂ、陽極７２ａと陰極７２ｂとを固定軸７７の中心方向に付勢する引っ張り機構、ＰＰＴ推進剤７５をその周面が固定軸７７回りに陽極７２ａ側から陰極７２ｂ側へと回転移動するように付勢する回転機構を備えてなるように構成したＰＰＴ推進剤供給機構７０である。推進剤７５を有効に使い切れず、無効推進剤が残ることを防止し、実効の推進剤消費率（比推力）の向上を図っている。

また、ＰＰＴの性能向上を目的とする研究についても、種々の研究機関からの報告がされており、その１つとして、電熱加速型ＰＰＴを用いた本発明者を含む研究報告においては、次のような報告がされている（例えば非特許文献２参照）。具体的には、放電室形状の形状については、上記の図１１に例示したるような平行平板型と、図１２に例示するような同軸型の放電室形状が検討されている。今日実用化されている衛星には平行平板型が搭載されているが、同軸型に関しても種々の性能向上の検討がなされている。図１２におけるキャビティ８２が短い時は、電磁加速型ＰＰＴ（低インパルスビット・高比推力）の特性に近づき、逆に長い時は電熱加速型ＰＰＴ（高インパルスビット・低比推力）の性能を示すことが知られている。また推進効率は，キャビティ８２の長さ１４〜２９ｍｍにピークを有するとの報告がされている。また、こうした陽極８３から陰極８４まで一定の直径ｄとなるストレートな放電室８２を有したＰＰＴ（以下、「Ｓｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴ」という）におけるエネルギー変換効率は、１０％程度であった。

栗木恭一、荒川義博著「電気推進ロケット入門」１５９−１６０頁（東京大学出版会、２００３年５月） 竹ケ原春貴、荒川義博、都木恭一郎、橘武史、田原弘一、枝光敏章著「マイクロパルスプラズマスラスタ」（「日本航空宇宙学会誌」第５２巻第６１０号２９２−２９６頁（日本航空宇宙学会、２００４年１１月）） 特開２００２−３３２０００号公報

しかしながら、従来のＰＰＴでは、実際の使用時にいくつかの課題があり、実用化されないことも多くあった。

例えば、比較的高インパルスビットを発生できるＰＰＴにおいては、燃料供給技術の確立が課題であった。また、人工衛星の使用期間の長期化に伴う、ＰＰＴの長寿命化が重要な課題であった。

また、上記のＰＰＴ推進剤供給機構については、無効推進剤の低減には有効であるが、機構のコンパクト化、簡便さの面では更なる改善が求められ、エネルギー効率の面においても、更なる推進剤の有効利用が求められている。

さらに、人工衛星等においては、その人工衛星の姿勢の修正や軌道の補償のために推進力の微妙な調整が必要となり、単純な宇宙機ではなく、推進力を複数レベルで調整しかつ瞬間的な強度を制御することができる精密な機能が必要されてきている。こうした様々なミッションに対応するためには、ＰＰＴのさらなる推進力、推進効率の向上が必要となっている。

そこで、この発明の目的は、こうした要請に対応し、推進剤の効率的な利用を図り、総発生力積を増加させて長寿命化を図るとともに、簡便な構成によって推進効率の高いＰＰＴを提供することにある。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、以下に示すＰＰＴによって、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は、スラスタユニットに、推進剤によって形成された放電室、該放電室の一端部に近接して設けられた陽極、該放電室の他端部あるいは該他端部に近接するノズルを介して設けられた陰極、およびイグナイタを有するパルスプラズマスラスタであって、前記放電室の形状が、その中心軸に対する垂直断面が前記一端部から他端部へ漸次拡大し、略円錐形状を形成することを特徴とする。

ＰＰＴの推進力および推進効率に対し、その放電室の容積が大きな影響を与えることは従前からよく知られていたが、放電室の形状がこれらの特性にどのような影響を与えるかは不明であった。そこでＰＰＴの種々の形状におけるプラズマの発生状態や電子温度、昇華率あるいは圧力などを検証の結果、平行平板形状や同軸形状（円筒形状）の放電室においては、陽極付近から加速放出されたプラズマと陰極付近での壁面との相互作用によって運動量の損失が生じることを見出した。本発明は、放電室の形状を陽極から陰極にかけて空間を大きくすることによって、こうした運動量の損失を低減するもので、具体的には、放電室の中心軸に対する垂直断面が前記一端部から他端部へ漸次拡大し、略円錐形状を形成することを特徴とした。また、放電室を推進剤によって形成することによって、推進源を分散し寿命までの総発生力積を従来よりも増加させ、長寿命化を図ることができる。このようにして、本発明は、推進剤の効率的な利用を図り、総発生力積を増加させて長寿命化を図るとともに、推進効率の高いＰＰＴを提供することを可能とした。なお、ここでいう「スラスタユニット」とは、放電室や電極などを設ける固体（媒体）をいい、ＰＰＴの筐体を構成する。

本発明は、上記パルスプラズマスラスタであって、前記放電室が、一端部を上面とし他端部を底面とする正円錐台形状を形成することを特徴とする。

上記のように、本発明は、放電室の内面形状を、陽極に近接する一端部から発散状に拡大することを特徴とする。このとき、放電室の中心軸を含む縦断面の側線が直線である場合、つまり放電室が一端部を上面とし他端部を底面とする正円錐台形状を形成する場合には、放電室の内面の拡大率は一定となり、理論的にプラズマの発生・移動・放出という流れに対して壁面との相互作用は殆どない状態となる。従って、プラズマと陰極付近での壁面との相互作用による運動量の損失を低減することができるとともに、プラズマの加速された流れの撹乱を防止する機能によって、推進効率の高いＰＰＴを提供することが可能となった。

本発明は、上記パルスプラズマスラスタであって、前記放電室の中心軸を含む縦断面の側線が、１つの変曲点を有し中心軸に接近する曲線を形成するとともに、該変曲点が、該側線の中央よりも一端部側にあることを特徴とする。

前項の形状は、理想的にはプラズマと壁面との相互作用は殆どない。しかし、実際に検証した結果では、放電を繰り返した後の放電室の内面は、陽極より所定の距離が離れかつその中心軸の中央よりも陽極側に推進剤の比較的大きな減少範囲があった。つまり、繰り返し行う放電によって生じる推進剤の昇華による減少は、陽極に近いほど多く陰極に近いほど少なくなることによるものと推定されるが、長期的にはこうした状態は、陰極側でのプラズマと壁面との相互作用を発生させる誘因となる。そこで、本発明は逆に減少が激しい範囲の推進剤を僅かに盛り上がり状態にすることによって、こうした部分的な減少の影響を補完し、長期的に推進効率の高い状態を維持することができるＰＰＴを提供することが可能となった。

本発明は、上記パルスプラズマスラスタであって、前記放電室の内面が、前記一端部を基点として他端部側に対して半頂角が０°超１５°以内に開口する形状を形成することを特徴とする。

上記のように、放電室の形状を陽極から陰極にかけて空間を拡大することによって、プラズマと壁面との相互作用を低減することができる一方、拡大しすぎると推進力が低下する。本発明は、放電室を、一端部を基点として他端部側に対して所定の半頂角に開口する形状によって規制し、同一容積の放電室について検証した結果、半頂角が０°超１５°以内に開口する形状を形成する放電室が最適な形状であることを見出した。これによって、高い推進効率を確保することができるＰＰＴを提供することが可能となった。

本発明は、上記パルスプラズマスラスタであって、前記スラスタユニットに、前記放電室を複数設けるとともに、該放電室の内の少なくとも２以上を連通する誘発路を設けることを特徴とする。

従来のＰＰＴにおいては、１つの放電室（キャビティ）を基本としてパルスの周期あるいは印加電圧などによって推進力の制御を行い、推進力の増大等のために複数の放電室を設けた場合にも放電室ごとに独立して制御する方法が実施されていた。この場合、各放電室にイグナイタを設けると、イグナイタおよびその駆動用回路（イグニッション回路）が複数必要となり、ＰＰＴ全体として負荷が過大なものとなる。本発明は、スラスタユニットに、推進剤によって形成された複数の放電室を設けるとともに、隣接する放電室を連通する誘発路を設け、イグナイタを単数とすることによって、１つのイグナイタで複数の放電室を略同時に作動させることを可能とした。これによって、複数の放電室による長期の使用が可能で、高い推進効率を確保・維持することができるＰＰＴを提供することが可能となった。

以上のように、本発明によれば、推進剤の効率的な利用を図り、総発生力積を増加させて長寿命化を図るとともに、簡便な構成によって推進効率の高いＰＰＴを提供することが可能となった。また、従来困難であった長寿命化の要請にも対応可能で、簡便な構成によって長期の使用が可能で、高い推進効率を確保・維持することが可能となった。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜本発明に係るＰＰＴの基本的な構成＞
本発明に係るＰＰＴは、スラスタユニットに、推進剤によって形成された放電室、放電室の一端部に近接して設けられた陽極、放電室の他端部あるいは他端部に近接するノズルを介して設けられた陰極、およびイグナイタを有するＰＰＴであって、放電室の形状が、その中心軸に対する垂直断面が前記一端部から他端部へ漸次拡大し、略円錐形状を形成することを特徴とする。

図１は、この発明に係るＰＰＴの基本的な構成（第１構成例）を例示している。スラスタユニット１に、一端部２ａおよび他端部２ｂに開口部を有し所定の半頂角αを有する放電室２を設け、その両端２ａ，２ｂに近接して陽極（アノード）３と陰極（カソード）４を配設する。図１では、陽極３側を放電室２の一端部２ａ、陰極４側を他端部２ｂとし、陽極３の一部として放電室２からの気流に対し広がりを有するノズル５を設け、陽極３の一部にイグナイタ６を配設する構成としている。また、放電室２は、推進剤８の一部によって形成されている。

稼動状態においては、図１０および既述の推進発生原理と同様、以下の（１）〜（４）のステップによって１ショットが形成され、これを繰り返すことによって、ＰＰＴを搭載した推進機（例えば宇宙機）の推進機能を確保することができる。
（１）イグナイタ６にパルス状の電圧を印加し、高電圧のパルス状の放電を発生させることによって、まず放電室２の表面を形成する推進剤８を昇華させ、その一部をプラズマ化させる。
（２）推進剤８によって形成されたプラズマは、陽極３と陰極４の間に広がり高導電性の領域をつくる。これにより陽極３と陰極４の間が短絡され、両電極３，４につながれた放電室２内の電荷が一斉に陰極４に流れ、主放電が形成される。
（３）これらの主放電による電流が、ジュール加熱および輻射によって推進剤８にエネルギーを与え、さらに昇華させる。昇華した推進剤８は、高エンタルピー気体の膨張による気体力学的加速を受け、加速された流れを形成する。また、一部は電離してプラズマとなり、主放電電流とその自己誘起磁場が作る電磁力による電磁力学的加速を受け、同様に加速された流れを形成する。
（４）電磁力学的・気体力学的加速を受けたプラズマは、下流方向に加速され、その放電領域を広げつつ、陰極４の内面に形成されたノズル５を介してスラスタユニット１の外部へ噴出される。

ここで、ＰＰＴの特性は、放電室２の内容積に関係するとともに、放電室２の形状に関係する。本発明においては、略円錐形状を形成することを特徴とするとともに、図２に例示するように、一端部２ａからの半頂角αおよび放電室長Ｄを選択することによって、後述するように最適な形状を形成することができる。具体的には、放電室２の陽極３側の一端部２ａの内径ｄが１〜５ｍｍ程度、一端部２ａからの半頂角αが０〜１５°程度、放電室長Ｄが１０〜３０ｍｍ程度にピークを有すると推算している。実機においては、さらに、寿命までの総発生力積などを考慮して形状設定が行われる。図２に、一端部２ａの内径ｄ（陽極３の平端面の外径に相当）を１ｍｍ、一端部２ａからの半頂角αが１０°、放電室長Ｄが２０ｍｍのときの断面構造を例示する。

略円錐形状における半頂角αについては、０〜１５°よりも５〜１５°が好適であり、さらに５〜１０°がより好適である。放電に伴い発生するプラズマと壁面との相互作用を減少させるために効果的な略円錐形状を確保するとともに、開口の過剰な拡大による加速機能の減衰を防止することが可能となる。検証結果の詳細については後述する。

また、図１では、放電室２の形状を、一端部２ａを上面とし他端部２ｂを底面とする正円錐台形状を形成する場合を例示している。放電室２の内面形状を、陽極３に近接する一端部２ａから発散状に拡大し陰極付近でのプラズマと壁面との相互作用によって運動量の損失を低減するとともに、放電室２の内面の拡大率を一定とすることによって、略円錐形状と比較してプラズマの加速された流れの撹乱を防止する機能をより強く有することができる。特に、一端部２ａの開口部に陽極３の平端面を近接させることによって、陽極３から陰極４へのプラズマの流れを均一にすることが可能となり、相乗的にプラズマの加速を促進することができる。

なお、放電室２の形状については、放電室２を長期使用する場合には、図３（Ａ）に例示するように、放電室２の中心軸Ｍを含む縦断面の側線が、１つの変曲点Ｔを有し中心軸Ｍに接近する曲線を形成するとともに、変曲点Ｔが、該側線の中央よりも一端部側にある形状を選択することも好ましい。図１に例示された放電室２の形状のＰＰＴを用いて多数回放電を繰り返した状態を検証したところ、放電室２の内面における推進剤８の減少が均一ではなく、中心軸Ｍの中央よりも陽極３側に近い方が比較的大きな減少が生じていた。陽極３に近いほど放電エネルギーが強く、陰極４に近づくほど放電室２内部での放電エネルギーの減少があることから、放電を繰り返した後の放電室２の内面での昇華量の僅かな差異の累積として生じるもの推定できる。従って、逆に予め印加エネルギー（つまり印加電力と放電の繰り返し回数の積）と推進剤８の減少量の差異およびその差異が最大となる位置との関係を求め、放電室２の内面形状を補正することによって、長期的にプラズマと壁面との相互作用あるいはプラズマの加速された流れの撹乱を防止することができる。

図３（Ｂ）に、中心軸Ｍを含む縦断面の側線の状態を拡大して示す。具体的には、図１に例示される略円錐形状の内側面を一点鎖線Ｌｏとし、そのときの繰り返し放電後の推進剤８の減少状態を示す曲線を破線Ｌｄとした場合に、実線Ｌａで示すように、１つの変曲点Ｔを有し中心軸Ｍに接近する補正曲線を有する内面を形成する。このときの補正量を、繰り返し放電後の推進剤８の減少状態の全量ではなく、例えばその半分の量とすることによって、補正された内面形状による長期的にプラズマと壁面との相互作用あるいはプラズマの加速された流れの撹乱の発生を軽減することができる。

陽極３は、材質および構造について特に限定されるものではないが、長期の使用に対する強度や耐性、推進剤８への固定の確実などを考慮するとタングステン電極が好ましい。つまり、陽極３においては、電流密度が高くなるので、エロージョンと呼ばれる侵食現象が発生するため、金属の中でも融点が高く、化学的にも安定なタングステンを用いることが好ましいためである。構造は、図１のように、放電室２の一端部２ａに対して平面を近接することが可能で、推進剤８の交換等保守も可能な棒状体などが好ましい。また、上記のように陽極３が放電室２と近接する端部は平端面とすることが好ましい。

陰極４は、陽極３のような侵食作用が少なく、材質および構造について特に限定されるものではないが、長期の使用に対する強度や耐性等を考慮するとステンレス製の電極が好ましい。ただし、ステンレスよりも融点が高い金属ならば代替が可能である。また、図１に例示するように、機能の共有化による部品点数の削減効果からノズル５が陰極４の内面に形成された構造が好ましい。むろん、これに限定されるものではなくノズル５を別体で形成することが可能である。ノズル５の形状は、放電室２の加速機能を損なわずにその推進能力を維持するために、放電室２の略円錐形状をそのまま延長する内面を形成することが好ましい。

イグナイタ６は、高電圧のパルス状放電を発生させる機能があれば、特に限定されるものではないが、長期の使用に対する強度や耐性等を考慮すると陽極３と同様にタングステンが好ましい。また、図１においては陰極４の側面に配設された構造を例示しているが、放電室２に近接し、主放電を誘因することができる位置であれば特に限定されるものではない。

推進剤８は、別途放電室に順次供給する手段を設けるよりも、その全てによって放電室２を形成することが好ましい。放電室２の表面の推進剤８の昇華に伴う新規推進剤８の供給が可能となり、駆動部を設けることによるエネルギー供給の必要性やＰＰＴの機能の複雑化を防止することができる。

推進剤８としては、軽量で加工性も高く、取り扱いが容易であることから、４フッ化エチレン（以下「ＰＴＦＥ」という）を用いることが好適である。また、ポリエチレン（ＰＥ）は後述する比推力に優れ、４フッ化エチレン−エチレン共重合樹脂（ＥＴＦＥ）は後述する推進効率に優れていることから、これらを用いることも好適である。さらに、高密度の素材の方が推進剤８の減少が小さく、融点が低いほど高濃度の物質昇華による大きな推進力を期待することができることから、例えば低融点のガラス材を推進剤８として挙げることができ、同一の推進力を得るために必要な推進剤８の体積をＰＴＦＥに比べ少なくすることができる。推進剤８の減少によって生じる放電室の断面積増加を実質的に緩やかにすることができ、推進剤８の長寿命化を図ることが可能となる。ここで、低融点ガラスとは、例えば融点が１００〜７００℃程度で軟化するガラス材の総称をいい、具体的には、鉛ガラスなどを挙げることができる。本発明においては、特に３００〜５００℃程度で軟化する低融点ガラスが好ましい。また、後述するように、推進剤８としては、１種類の素材ではなく複数種の素材を組み合わせることも可能である。実施時においては、ＰＰＴの機能や要求仕様によって、推進剤８の選択を行うことが好ましい。

また、スラスタユニット１を、推進剤８によって形成することが好ましい。ＰＰＴは人工衛星のような人為的な保守が不可能な用途が主であり、構造の複雑化を排除することが好ましく、軽量化の要請にも対応可能である。つまり、所定の成形性・剛性あるいは強度を有する素材であれば、図１のように、スラスタユニット１を、推進剤８によって形成するとともに、簡単な加工処理によって放電室２を形成することが可能である。また、推進剤８の使用に伴うスラスタユニット１の減量によって、ＰＰＴ自体の負荷の軽減にも役立つこととなる。また、スラスタユニット１を別素材とし、用途に応じた最適の推進剤８を選択することも可能である。例えば、スラスタユニット１の素材をセラミックとし、内部に放電室２を有する円形パイプ型のＰＴＦＥ製の推進剤８を配設した構成例を挙げることができる。

＜第１構成例に係るＰＰＴの性能評価＞
ＰＰＴの特性は、１ショット当たりの発生力積をインパルスビットＩ_ｂ（Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｂｉｔ）、１ショット当たりの燃料消費量をマスショットΔｍ（Ｍａｓｓ ｓｈｏｔ）、比推力Ｉ_ｓｐ（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｍｐｕｌｓｅ）と推進効率η_ｔ（Ｔｈｒｕｓｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）によって評価することができる。ここで、比推力Ｉ_ｓｐと推進効率η_ｔは、重力加速度をｇ、初期エネルギーをＥ_０とすると、各々下式１および下式２の通り表される。他の要素が同一であれば、インパルスビットＩ_ｂが高いほど効率的であり、マスショットΔｍが低いほど長寿命であり、ＰＰＴの総合的な評価としては、比推力Ｉ_ｓｐと推進効率η_ｔが高いほど優れているといえる。
Ｉ_ｓｐ＝Ｉ_ｂ／（Δｍｇ）・・（式１）
η_ｔ ＝Ｉ_ｂ ^２／（２ΔｍＥ_０）・・（式２）

上記第１構成例について、放電室の形状を変えて、ＰＰＴとしての基本特性である、インパルスビットＩ_ｂ、マスショットΔｍ、比推力Ｉ_ｓｐおよび推進効率η_ｔを検証した。

〔実施例１〕 Ｓｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴの特性の導入
（１）実験条件
図４（Ａ）に例示するスラストスタンドに被験用Ｓｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴをセットし、Ｓｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴにおける放電室長Ｄを変化させたときのインパルスビットＩ_ｂ、比推力Ｉ_ｓｐおよび推進効率η_ｔを検証した。このとき、図４（Ｂ）に例示するように、１００〜１２００μＮｓの範囲においてインパルスビットＩ_ｂの正確な測定が可能である。

（２）実験結果
放電室長Ｄが短い条件では、主に主放電回路におけるジュール熱損失により輸送効率が下がり推進効率η_ｔが低下し、放電室長Ｄが長い条件では、ＰＰＴ本体におけるエネルギー損失により加速効率が下がり推進効率η_ｔが低下することが判明した。つまり、図５に例示するように、推進効率η_ｔを最大にする最適な放電室長Ｄが存在する判明し、１４〜２９ｍｍのとき最大となった。

〔実施例２〕 第１構成例に係るＰＰＴとＳｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴとの比較
（１）実験条件
実施例１と同様、第１構成例に係るＰＰＴとＳｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴをセットし、下表１に示す条件によって、各ＰＰＴにおける放電室長Ｄを変化させたときのインパルスビットＩ_ｂ、マスショットΔｍ、比推力Ｉ_ｓｐおよび推進効率η_ｔを検証した。なお、第１構成例に係るＰＰＴの半頂角αは１０°とし、いずれのＰＰＴの材質もＰＴＦＥとする。

（２）実験結果
（２−１）インパルスビットＩ_ｂについて
第１構成例に係るＰＰＴの初期性能（１〜２００ショットまでの性能）としてインパルスビットＩ_ｂは８２０μＮｓであった。また、図６（Ａ）に示すように、Ｓｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴに対し、同じ放電室長Ｄで５０μＮｓ程度のインパルスビットＩ_ｂの向上が確認された。放電室長が短くなるほど両者のインパルスビットＩ_ｂの差が大きくなるので、発散型の放電室形状がＰＰＴ全体の小型化に有効であることが示唆された。
（２−２）マスショットΔｍについて
第１構成例に係るＰＰＴのマスショットΔｍ、つまり１ショット当りのＰＴＦＥの昇華量が、図６（Ｂ）に示すように、Ｓｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴに対し、同じ放電室長Ｄで約５０〜８０μｇ程度の減少が確認された。推進剤の軽量化の可能性も示唆され、システム全体の小型化・軽量化も可能になると考えられる。
（２−３）比推力Ｉ_ｓｐについて
第１構成例に係るＰＰＴの初期性能として比推力Ｉ_ｓｐは６２７ｓであった。また、図６（Ｃ）に示すように、Ｓｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴに対し、同じ放電室長で１５０〜２００ｓ程度の比推力Ｉ_ｓｐの向上が確認された。放電室長Ｄが短い条件でも、Ｓｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴよりも効果的にプラズマが加速されていることが確認された。
（２−４）推進効率η_ｔについて
第１構成例に係るＰＰＴの初期性能として推進効率η_ｔは１７．３％であった。また、図６（Ｄ）に示すように、Ｓｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴに対し、同じ放電室長Ｄで５％程度の推進効率η_ｔの向上が確認された。放電室長Ｄが２０ｍｍの条件で最も良い値を示し、適正な放電室長Ｄについて実施例１とほぼ同じ結果が得られた。

〔実施例３〕 第１構成例に係るＰＰＴにおける半頂角αの影響
（１）実験条件
実施例１と同様、第１構成例に係るＰＰＴをセットし、下表２に示す条件によって、各ＰＰＴにおける半頂角αを変化させたときのインパルスビットＩ_ｂ、マスショットΔｍ、比推力Ｉ_ｓｐおよび推進効率η_ｔを検証した。

（２）実験結果
図７（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、半頂角αが３．５°および５°において、インパルスビットＩ_ｂ、マスショットΔｍ、比推力Ｉ_ｓｐおよび推進効率η_ｔのいずれも放電室長に対しても、安定した作動が認められ、特に２０〜３０ｍｍにおいて良い推進効率η_ｔの値を示した。

〔実施例４〕 第１構成例に係るＰＰＴにおける最適条件の検証
第１構成例に係るＰＰＴの最適条件において、ＰＰＴとしての基本特性である、インパルスビットＩ_ｂ、マスショットΔｍ、比推力Ｉ_ｓｐおよび推進効率η_ｔを検証した。
（１）実験条件
被験用ＰＰＴとして、推進剤をＰＴＦＥとし、半頂角αを１０°、放電室長Ｄを２０ｍｍ、陽極平端面の外径ｄをφ１ｍｍとする放電室を有するＰＰＴに対し、実施例１〜３とどう条件で検証した。
（２）実験結果
初期性能を下表３に示す。２０．１％という高い推進効率η_ｔを得ることができた。

〔実施例５〕 多数のショット後の放電室内側面の形状の検証
（１）実験条件
被験用ＰＰＴとして、第１構成例に係るＰＰＴおよびＳｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴについて推進剤をＰＴＦＥとし、実施例１〜３と同条件で３５０ショット後の各放電室の表面形状の変化を検証した。
（２）実験結果
（２−１）図８（Ａ）および（Ｂ）に、初期性能測定後の放電室の断面写真を示す。実験後スラスタユニットを切断し、放電室の表面形状の変化を比較すると、それぞれの写真の右側で特に黒い部分が見られるが、これは陽極に付着した汚れによるものだと考えられる。図８（Ａ）に示すＳｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴの燃料表面では、放電室の前面に渡って凹凸と、テフロンが焦げたと思われる黒い点の様な汚れが見られた。一方、図８（Ｂ）に示す第１構成例に係るＰＰＴの表面では、陽極付近に多少の汚れはあったものの、表面全体としては滑らかで、Ｓｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴの様な凹凸は見られなかった。推進剤が均一に昇華していると考えられる。
（２−２）また、この結果から、両者の推進剤の減少が最も大きい部分を盛り上げた放電室を有するＰＰＴによって、多数のショット後に対しても部分的に推進剤の減少が生じることを軽減することが示唆され、長期間安定な比推力Ｉ_ｓｐおよび推進効率η_ｔの維持が可能なＰＰＴとすることができと考えられる。

＜複数の放電室を有するＰＰＴ（第２構成例）の機能＞
第１構成例に係るＰＰＴにおいては、１つの放電室を有する場合を例示したが、むろん２以上の放電室を有するＰＰＴを構成することができる。また、その配置についても特に制限はなく、ＰＰＴの使用条件などによって最適な推進効率となる配置が選定される。例えば、図９に示すように、３つの放電室２１，２２および２３を、誘発路７を介して並列的に配置した場合などを挙げることができる（第２構成例）。ストレート型と同程度のインパルスを保ちつつ、１ショット当たりの燃料の消費量を減少させることが可能になることから、宇宙空間で同じミッションを行う際に、ＰＰＴに搭載する燃料を軽量化することができる。そのため、衛星の小型・軽量化にも寄与することが可能となる。

本発明においては、上記ＰＰＴの基本構成、およびこれを駆動するキャパシタに加え、電力供給機能あるいはＰＰＴを制御する機能も重要な役割を果たしている。つまり、上記のような、誘発路７の配設によって、イグナイタ６の低減とともに、イグニッション回路の低減を図ることができる。つまり、図９に示す構成において、電極間に印加する高電圧についても、陽極３ａ−陰極４ａ間、陽極３ｂ−陰極４ｂおよび陽極３ｃ−陰極４ｃ間において、安価なダイオード２０ａ、２０ｂおよび２０ｃを用いた電気回路２０により各放電室へのエネルギーを均等に分散させることができる。また、高電圧スイッチなどを一切使わずに、イグナイタ６の制御のみで、放電室２１、２２および２３を放電させることができる。隣り合う放電室２１、２２および２３の間をノズル５ａ、５ｂおよび５ｃの出口付近において貫通する誘発路７ａを，第１の主放電で生成された荷電粒子が通過し，放電室２２における主放電を誘発する。その後同様にして、放電室２３で主放電が誘発される。

キャパシタ１０は，通常のＰＰＴにおけるキャパシタブロックを３つのブロックに均等に分割し，それぞれのキャパシタブロック１０ａ、１０ｂおよび１０ｃで蓄えられたエネルギーがそれぞれ１つずつの放電室２１、２２および２３に供給されるよう接続される。通常、ＰＰＴ用に用いられる高耐電圧のキャパシタは、容量が非常に小さいため複数のキャパシタを並列に接続して用いられる場合が多く、キャパシタブロックを分割することは多くの場合可能である。

充電回路中にダイオード２０ａ、２０ｂおよび２０ｃが使用されているのは，第１の主放電が誘発される放電室２１に，３つのキャパシタ内の全エネルギーが投入されるのを防ぐためである。これらのダイオード２０ａ、２０ｂおよび２０ｃは数１０００Ｖの高い逆電圧に耐え得るものでなければならないが、非常に小型・軽量であるため、ダイオードの追加による重量・体積増加分は、推進系全体の重量・体積と比較すると無視できる。
以上の構造を応用して，さらに多くの放電室を１つのイグナイタ６で誘発することが可能であり、イグナイタ６の数を増やせば、数１０個以上の放電室を有するスラスタユニットを構成することができる。

以上、単一のスラスタユニットにおいて、１つまたは複数の放電室を有する単一のＰＰＴを作動させる場合について説明したが、さらに、本発明では、単一のスラスタユニットにおいて、複数のＰＰＴを作動させることが可能である。つまり、単一のスラスタユニットにおいて、複数のスラスタユニットを用いた場合と同様、多軸方向のＰＰＴの作動を制御することが可能となり、これによって、宇宙機の小型化・軽量化を図ることが可能となる。

また、１つまたは複数のＰＰＴを配設した複数のスラスタユニットを適用することによって、推進力を複数レベルで調整しかつ瞬間的な強度を制御することができる、人工衛星などの宇宙機を構成することが可能となる。

本発明に係るＰＰＴの基本的な構成を例示する説明図。 本発明に係るＰＰＴの放電室の断面構造を例示する説明図。 使用による放電室の形状の変化およびその補正方法を例示する説明図。 ＰＰＴ実験用のスラストスタンドの構成を例示する説明図。 Ｓｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴの特性を例示する説明図。 第１構成例に係るＰＰＴとＳｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴとの比較試験の結果を例示する説明図。 第１構成例に係るＰＰＴとＳｔｒａｉｇｈｔ−ＰＰＴとの比較試験の結果を例示する説明図。 第１構成例に係るＰＰＴにおける半頂角αの影響特性を例示する説明図。 第１構成例に係るＰＰＴにおける半頂角αの影響特性を例示する説明図。 多数のショット後の放電室内側面の形状の検証結果を例示する説明図。 本発明に係る複数の放電室を有するＰＰＴの構成を例示する説明図。 一般的なＰＰＴの模式的な構成を例示する説明図。 従来技術に係るＰＰＴ推進剤供給機構の構成例を概略的に示す説明図。 同軸型の放電室を有する従来技術に係るＰＰＴの構成例を示す説明図。

符号の説明

１ スラスタユニット
２、２１、２２、２３ 放電室（放電室）
２ａ 一端部
２ｂ 他端部
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 陽極（アノード）
４ 陰極（カソード）
５、５ａ、５ｂ、５ｃ ノズル
６ イグナイタ
７ａ、７ｂ 誘発路
８ 推進剤
１０ キャパシタ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ キャパシタブロック
２０ 電気回路
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ ダイオード
Ｄ 放電室長
ｄ 一端部の内径
Ｍ 中心軸
Ｔ 変曲点
α 半頂角

Claims (5)

1. スラスタユニットに、推進剤によって形成された放電室、該放電室の一端部に近接して設けられた陽極、該放電室の他端部あるいは該他端部に近接するノズルを介して設けられた陰極、およびイグナイタを有するパルスプラズマスラスタであって、前記放電室の形状が、その中心軸に対する垂直断面が前記一端部から他端部へ漸次拡大し、略円錐形状を形成することを特徴とするパルスプラズマスラスタ。
2. 前記放電室が、一端部を上面とし他端部を底面とする正円錐台形状を形成することを特徴とする請求項１記載のパルスプラズマスラスタ。
3. 前記放電室の中心軸を含む縦断面の側線が、１つの変曲点を有し中心軸に接近する曲線を形成するとともに、該変曲点が、該側線の中央よりも一端部側にあることを特徴とする請求項１記載のパルスプラズマスラスタ。
4. 前記放電室の内面が、前記一端部を基点として他端部側に対して半頂角が０°超１５°以内に開口する形状を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパルスプラズマスラスタ。
5. 前記スラスタユニットに、前記放電室を複数設けるとともに、該放電室の内の少なくとも２以上を連通する誘発路を設けることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパルスプラズマスラスタ。

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