JP2009543980A - 電気推進システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気推進（ＥＰ）システムを提供する。
【解決手段】電気推進システム(100)は、第１の加速グリッド(104A)及びスクリーングリッド(104B)を有する第１の出力アパーチャー(103)と、第２の加速グリッド(106A)及びスクリーングリッド(106B)を有する第２の出力アパーチャー(105)とを含むプラズマチャンバー(102)を備えている。スクリーングリッドは、一定の正の電位に維持される。使用中に、２つのアパーチャーから逆平行の方向にイオンが排出される。加速グリッドの電位を独立して制御して出力アパーチャーからのイオン抽出の割合を調整することによって、μＮレベルでの小さな合成推力を得ることができると共に、合成推力をゼロまで連続的に減少することができる。スクリーングリッドの一方のアパーチャーを閉止することによりｍＮでの推力をμＮ以下の精度で得ることができる。それ故、このシステムは、従来複数の形式の電気推進システムでしか達成できない機能を発揮し、このようなシステムを含む衛星又は宇宙探査機に対して重量及び複雑さの節減を果たすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気推進（ＥＰ）システムに係る。

ＥＰシステムは、イオンエンジンからの加速イオンの高速放出により少量の推力を与えるもので、衛星及び宇宙探査推進及び衛星ステーション維持のような分野に適用される。放出されたイオンは、化学的ロケットの燃焼生成物と同様に推進剤として作用する。ＥＰシステムにより発生される推力の絶対量は、化学的ロケットのものと比較して非常に僅かであるが、ＥＰシステムのイオンエンジンからイオンが放出される速度が非常に高いことは、単位質量流量当たりの推力の量が化学的ロケットの場合に比して非常に大きいことを意味する。例えば、ボーイング(Boeing)（登録商標）７０２ＥＰシステムは、１６５ｍＮの推力を発生し、約３７．５ｋｍｓ^-1の推進剤放出速度に対応する約４．４ｍｇｓ^-1の質量流量を有している。これと対照的に、ＮＡＳＡスペースシャトルのメイン水素／酸素エンジンは、２ＭＮ程度の推力を発生し、約７００ｋｇｓ^-1の質量流量を有し、燃焼生成物は、２．８ｋｍｓ^-1の速度で排出される。

異なる形式のＥＰシステムは、異なるレベルの推力範囲及び推力分解能を発生する。例えば、電界効果ＥＰ（ＦＥＥＰ）システムは、数μＮの推力を発生し、μＮ分解能が可能である。しかしながら、複数のシステムが並列に使用されない限り、最大推力レベルは、かなり制限される。ＱｉｎｅｔｉＱ（登録商標）Ｔ５のようなグリッド型イオンエンジンシステム（ＧＩＥ）は、数十ｍＮの推力を発生できるが、推力分解能は、１０μＮに制限される。更に、ＧＩＥの推力を、ある最小レベルより低く減少することはできない。しかしながら、ある用途では、μＮ以下の分解能でｍＮ程度の推力を発生でき、且つｍＮ推力レベルからゼロまで絞る能力も有するＥＰシステムが要求される。このような用途は、集団における宇宙船又は衛星の相対的な位置を極めて微細に制御することを含む。しかしながら、既存のＥＰ技術は、この機能を与えることができない。既存のＧＩＥ技術の場合には、これは、推力の制御がイオン発生プロセスの制御により達成されるためである。このメカニズムは、比較的高パワーのプロセスであるから、正確に制御することが本来困難で且つ複雑である。

又、これは、ＥＰシステムの他の要素、特に、推進制御や、パワーコンディショニング及び制御を与える要素に、厳しい要件を課する。このような要件は、ＥＰシステムのコスト及び質量を著しく増加させる。推力をｍＮレベルからゼロまで減少する能力は、現在、既存のＥＰ技術では実現できない。というのは、推力がゼロとなる程度までイオン発生を制御し維持することが不可能だからである。

本発明は、出力アパーチャーを有するプラズマチャンバーと、その出力アパーチャーに配置された加速グリッド及びスクリーングリッドと、これら加速グリッドとスクリーングリッドとの間の電界を調整するための手段とを備えたＥＰシステムを提供する。

加速グリッドとスクリーングリッドとの間の電界を変化させることにより、出力アパーチャーからのイオン電流出力を正確に制御して高度の推力分解能を与えることができる。プラズマチャンバー内のプラズマ密度が一定で、且つ加速グリッドとスクリーングリッドとの間の電界が一定である状態では、スクリーングリッドの内側にプラズマシースが形成される。シースの表面積は、イオンを収集できる面積を表し、それ故、イオンを抽出できる数を表す。電界強度が増加される場合には、プラズマシースが延び、イオンが収集される面積を増加すると共に、イオン抽出率を高める。非イオン化推進剤の流れの非常に正確な調整もイオンの発生を制御する電子装置も必要とせずに、μＮ以下の推力分解能が実現されるので、従来技術に勝るシステム質量、コスト及び複雑さの節減が達成される。

加速グリッドとスクリーングリッドとの間の電界を調整する手段は、加速グリッドの電位を調整する手段を含む。スクリーングリッドを一定の電位に維持する手段も設けられるのが好ましい。これは、イオンが出力アパーチャーから放出される速度を一定に保持し、更なる推力制御及び分解能を与える。スクリーングリッドの電位は、簡単な接地基準低電力電圧源によって維持することができ、これを合体しても、システムの質量、コスト及び消費に対する影響は無視できるものである。

本発明のＥＰシステムは、第１及び第２の出力アパーチャーを有するプラズマチャンバーと、第１の出力アパーチャーに配置された第１の加速及びスクリーングリッドと、第２の出力アパーチャーに配置された第２の加速及びスクリーングリッドとを備え、更に、このシステムは、第１の加速グリッドとスクリーングリッドとの間、並びに第２の加速グリッドとスクリーングリッドとの間の各電界を調整する手段も備え、そして実質的に逆平行の各方向に第１及び第２のアパーチャーからイオンを排出するように構成される。

これは、ＥＰシステムが、２つの方向の各々に数十μＮ程度の正味推力を発生できるようにする。２つの出力アパーチャーから若干異なるイオンビーム電流を出力するように２つの電界を調整することによりμＮ以下の推力分解能が達成される。従って、２つの互いに逆の各方向に推力を発生できるμＮ以下の分解能をもつＧＩＥが提供される。従来、このような機能は、２つのμＮシステム（例えば、２つのＦＥＥＰ装置）を互いに逆方向に向けることを必要とした。システムの正味の推力は、各アパーチャーから抽出されるイオン電流の絶対値とは独立しているので、ゼロまで絞ることができる。２つのアパーチャーから抽出されるイオン電流が等しいときにゼロの正味推力が達成される。

２つの電界を調整する手段は、第１及び第２のスクリーングリッドを一定の電位に維持する手段と、第１及び第２の加速グリッドの電位を独立して調整する手段とを含むのが好ましい。この場合も、これは、イオンが出力アパーチャーから放出される速度を一定に保つように保証し、イオンが２つの出力アパーチャーから排出される割合を調整するだけで推力が制御される。共通の電源を使用して、第１及び第２のスクリーングリッドを一定の電位に維持することができ、この構成は、電源が停電すると、両アパーチャーからのイオン排出が同時に終了し、このような不測の場合に正味推力が突然変化するのを回避するという効果も有する。

第１のスクリーングリッド又は第２のスクリーングリッドのいずれかに、そのスクリーングリッドのアパーチャーを開閉できるように構成されたグリッド閉止手段が設けられてもよい。これは、本発明の単一のＥＰシステムが２つの推力領域で動作できるようにし、その一方の領域は、１つの方向にｍＮ範囲の推力を与え、そして他方の領域は、各方向に数μＮ程度の推力を与えると共に、推力をゼロ推力まで連続的に減少する能力も与える。

第１及び第２の両スクリーングリッドに、各グリッド閉止手段が設けられる場合には、２つの方向のいずれかにｍＮ又はμＮ推力を得ることができる。従来、２つの異なる形式の４つのＥＰシステム、例えば、μＮの推力を与えるための２つのＦＥＥＰシステム及びｍＮの推力を与えるための２つのＧＩＥを使用して、２つの方向の各々にこれら２つのレベルの推力が与えられる。

グリッド閉止手段に代わるものとして、アパーチャーからのイオン抽出を打ち消すための他の何らかの手法が使用されてもよい。例えば、そのアパーチャーにおける加速及びスクリーングリッドの電位がゼロ電圧にセットされてもよい。

プラズマチャンバーは、第３及び第４の出力アパーチャーを有してもよく、この場合、システムは、更に、第３及び第４の出力アパーチャーに各々配置された第３及び第４の加速及びスクリーングリッドと、第３の加速グリッドとスクリーングリッドとの間、並びに第４の加速グリッドとスクリーングリッドとの間の各電界を調整するための手段とを備え、更に、システムは、第１及び第２の出力アパーチャーからイオンが排出される方向に実質的に直交し且つ実質的に逆平行である各方向に第３及び第４の出力アパーチャーからイオンを排出するように構成される。

加速グリッド及びスクリーングリッドの対間の電界を調整することにより、４つの出力アパーチャーを含む平面内で任意の方向にμＮ以下の分解能をもつμＮレベルの合成推力を得ることができる。上述した理由で、４つのスクリーングリッドを（例えば、共通の電源の使用により）一定の電位に維持し、そして４つの加速グリッドの各電位を独立して調整できるようにするための手段が設けられるのが好ましい。

４つのスクリーングリッドの各々にグリッド閉止手段が設けられる場合には、システムは、４つの出力アパーチャーを含む平面内で任意の方向にｍＮ及びμＮの両レベルの推力を発生することができる。

スクリーングリッドにグリッド閉止手段が設けられた本発明の実施形態では、このような手段は、加速グリッドのアパーチャーと同様の寸法を各々もつイオンブロック素子のアレーと、このアレーの素子をスクリーングリッドのアパーチャーと整列又は不整列にするよう移動する手段とを含むのが便利である。次いで、簡単な機械的アクチュエータを使用して、加速グリッドのアパーチャーの開閉を行うことができる。

推力方向の更なる融通性を与えるために、本発明のＥＰシステムは、出力アパーチャーの更なる対を合体し、又、このシステムは、これらアパーチャーから実質的に逆平行のイオンビームの更なる対を発生するように構成されてもよい。従って、逆平行のイオンビームの対の異なるイオン電流を調整することにより、４πステラジアンにわたる合成推力を得ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の電気推進（ＥＰ）システムの第１実施例を概略的に示す。 図１のシステムのスクリーングリッドを示す。 図２のグリッドの２つの素子を示す。 図２の素子をグリッド閉止手段と共に使用するところを示す。 本発明のＥＰシステムの第２実施例を概略的に示す。

図１において、本発明の電気推進システム１００は、第１出力アパーチャー１０３及び第２出力アパーチャー１０５を有するプラズマチャンバー１０２を備えている。第１出力アパーチャー１０３には、第１加速グリッド１０４Ａ及び第１スクリーングリッド１０４Ｂが位置される。第２出力アパーチャー１０５には、第２加速グリッド１０６Ａ及び第２スクリーングリッド１０６Ｂが位置される。又、ＥＰシステム１００は、プラズマチャンバー１０２にプラズマを発生するための手段（図示せず）も備えている。このような手段は、加熱カソードと、そこから放出された電子を加速するための手段とを含むことができる。或いは又、このような手段は、プラズマチャンバー１０２の外面に適用されるコイルと、このコイルに高周波交流電流を通すための手段とを含むことができる。スクリーングリッド１０４Ｂ、１０６Ｂは、共通の電源１１０により正の電圧（例えば、＋１ｋＶ）に維持される。加速グリッド１０４Ａ、１０６Ａは、各々、可変及び独立電源１１２、１０８により負の電位で動作される。

ＥＰシステム１００の使用中に、グリッド１０４Ａ、１０４Ｂは、チャンバー１０２に形成されたプラズマからイオンを抽出して、それらを矢印１１４の方向にイオン出力電流として高速度で放出するように働き、エンジン１００に逆方向の推力を発生させる。推力の大きさは、電源１１２を調整して出力アパーチャー１０３からのイオン電流出力を制御することにより、制御できる。同様に、グリッド１０６Ａ、１０６Ｂは、チャンバー１０２からイオンを抽出して、それらを矢印１１６の方向に第２のイオン出力電流として放出するように動作し、エンジンに逆方向の推力を発生させる。

電源１０８、１１２を適当に調整することにより、アパーチャー１０３、１０５からのイオン電流出力を若干異なるものにして、小さな合成推力をＥＰシステム１００に発生することができる。例えば、２つのイオン電流間の差が１７μＡであると、ＥＰシステム１００に発生する正味推力は約１μＮとなる。

イオンは、第１スクリーングリッド１０４Ｂと加速グリッド１０４Ａとの間の負の電位勾配、並びに第２スクリーングリッド１０６Ｂと加速グリッド１０６Ａとの間の負の電位勾配のためにプラズマチャンバー１０２から加速される。又、ＥＰシステム１００は、電子の中性化ビームを放出するための手段（図示せず）も備えている。加速グリッド１０４Ａ、１０６Ａに印加される負の電位は、これらの電子がプラズマチャンバー１０２へ再び入り込むのを防止する。

図２を参照すれば、スクリーングリッド１０６Ｂは、一連の同じアパーチャーを画成する一連の離間された平行な金属素子で構成される。図３は、スクリーングリッド１０６Ｂの２つの隣接素子１０７Ａ、１０７Ｂを示す。スクリーングリッド１０６Ｂには、該スクリーングリッド１０６Ｂの素子に平行に配設された離間された平行なイオンブロック金属素子のアレーで構成された閉止グリッド（図１には示さず）が設けられる。アクチュエータ手段（図示せず）が設けられ、これは、閉止グリッドをスクリーングリッド１０６Ｂに対して変位させて、スクリーングリッドのアパーチャーを閉止させ、イオンが出力アパーチャー１０５から放出されるのを防止する。

従って、ＥＰシステム１００は、このＥＰシステム１００がμＮ以下の分解能で（一方又は他方の方向１１４、１１６に）数μＮ程度の推力を与える動作領域から、このシステム１００が方向１１６に数ｍＮまでの推力を与える領域へとスイッチすることができる。図４は、スクリーングリッド１０６Ｂの素子１０７Ａ、１０７Ｂに対して変位した位置にあって、スクリーングリッドのアパーチャーを閉止するときの閉止グリッドの２つの素子１０９Ａ、１０９Ｂを示している。

方向１１４、１１６のいずれかにｍＮレベルの推力を発生できるように、スクリーングリッド１０４Ｂに閉止グリッドを設けることもできる。

本発明のＥＰシステムの第２実施例が図５に２００で一般的に示されている。ＥＰシステム２００は、４つの出力アパーチャー２０３、２０５、２０７、２０９を有するプラズマチャンバー２０２を備えている。スクリーン及び加速グリッドの対２０４Ｂ、２０４Ａ、２０６Ｂ、２０６Ａ、２１４Ｂ、２１４Ａ、２１６Ｂ、２１６Ａが、各々、アパーチャー２０３、２０５、２０７、２０９に設けられる。単一の電源（図示せず）が、４つのスクリーングリッド２０４Ｂ、２０６Ｂ、２１４Ｂ、２１６Ｂの各々に接続される。加速グリッド２０４Ａ、２０６Ａ、２１４Ａ、２１６Ａの電位を調整することにより、システム２００は、４つの方向２１４、２１６、２１８、２２０の各々にイオン出力電流を与えるように動作することができる。図５の平面内で任意の方向に発生されるμＮ以下の分解能をもつ合成μＮ推力を、加速グリッド２０４Ａ、２０６Ａ、２１４Ａ、２１６Ａの電位の適当な調整で得ることができる。

スクリーングリッド２０４Ｂ、２０６Ｂ、２１４Ｂ、２１６Ｂには、加速グリッド２０４Ｂ、２０６Ｂ、２１４Ｂ、２１６Ｂのアパーチャーを開閉するように構成された各閉止グリッド及びアクチュエータ手段（図示せず）が設けられる。スクリーングリッドの対：
２０４Ｂ、２１４Ｂ；
２０４Ｂ、２１６Ｂ；
２１６Ｂ、２０６Ｂ；
２０６Ｂ、２１４Ｂ；
のアパーチャーを閉止することにより、図５の平面内で任意の方向にｍＮレベルの推力を与えることができる。

１００：電気推進システム
１０２：プラズマチャンバー
１０３、１０５：出力アパーチャー
１０４Ａ：第１の加速グリッド
１０４Ｂ：第１のスクリーングリッド
１０６Ａ：第２の加速グリッド
１０６Ｂ：第２のスクリーングリッド
１０７Ａ、１０７Ｂ：スクリーングリッドの素子
１０８、１１２：電圧源
１０９Ａ、１０９Ｂ：閉止グリッドの素子
１１０：共通の電圧源
２００：ＥＰシステム

Claims (15)

1. 出力アパーチャーを有するプラズマチャンバーと、その出力アパーチャーに配置された加速グリッド及びスクリーングリッドと、これら加速グリッドとスクリーングリッドとの間の電界を調整するための手段とを備えた電気推進システム。
2. 加速グリッドとスクリーングリッドとの間の電界を調整するための前記手段は、加速グリッドの電位を調整する手段を含む、請求項１に記載の電気推進システム。
3. 加速グリッドとスクリーングリッドとの間の電界を調整するための前記手段は、スクリーングリッドを一定の電位に維持するための手段を更に含む、請求項２に記載の電気推進システム。
4. 第１及び第２の出力アパーチャーを有するプラズマチャンバーと、前記第１の出力アパーチャーに配置された第１の加速グリッド及びスクリーングリッドと、前記第２の出力アパーチャーに配置された第２の加速グリッド及びスクリーングリッドとを備え、前記システムは、前記第１の加速グリッドとスクリーングリッドとの間、並びに前記第２の加速グリッドとスクリーングリッドとの間の各電界を調整する手段を備え、更に、前記システムは、実質的に逆平行である各方向に前記第１及び第２のアパーチャーからイオンを排出するように構成された、請求項１から３のいずれかに記載の電気推進システム。
5. 前記各電界を調整する手段は、前記第１及び第２のスクリーングリッドを一定の電位に維持するための手段と、前記第１及び第２の加速グリッドの電位を独立して調整するための手段を備えた、請求項４に記載の電気推進システム。
6. 第１及び第２のスクリーングリッドを一定の電位に維持するための前記手段は、前記第１及び第２の両スクリーングリッドに接続された電源を含む、請求項５に記載の電気推進システム。
7. 前記第１のスクリーングリッド又は第２のスクリーングリッドのいずれかに、そのスクリーングリッドのアパーチャーを開閉できるように構成されたグリッド閉止手段が設けられる、請求項４から６のいずれかに記載の電気推進システム。
8. 前記第１のスクリーングリッド及び第２のスクリーングリッドの両方に、前記第１及び第２のスクリーングリッドのアパーチャーを開閉できるように構成された各グリッド閉止手段が設けられる、請求項４から６のいずれかに記載の電気推進システム。
9. 前記プラズマチャンバーは、第３及び第４の出力アパーチャーと、それら第３及び第４の出力アパーチャーに各々配置された第３及び第４の加速及びスクリーングリッドとを有し、前記システムは、更に、前記第３の加速グリッドとスクリーングリッドとの間、並びに前記第４の加速グリッドとスクリーングリッドとの間の各電界を調整するための手段を備え、前記システムは、前記第１及び第２の出力アパーチャーからイオンが排出される方向に実質的に直交し且つ実質的に逆平行である各方向に前記第３及び第４の出力アパーチャーからイオンを排出するように構成される、請求項４に記載の電気推進システム。
10. 前記電界を調整する手段は、前記スクリーングリッドを一定の電位に維持する手段と、前記加速グリッドの各電位を独立して調整する手段とを含む、請求項９に記載の電気推進システム。
11. 前記スクリーングリッドを一定の電位に維持する手段は、各スクリーングリッドに接続された電源を含む、請求項１０に記載の電気推進システム。
12. 各スクリーングリッドには、そのスクリーングリッドのアパーチャーを開閉できるように構成されたグリッド閉止手段が設けられる、請求項９から１１のいずれかに記載の電気推進システム。
13. 各グリッド閉止手段は、対応するスクリーングリッドのアパーチャーと同様の寸法を各々もつイオンブロック素子のアレーを含み、更に、前記グリッド閉止手段は、前記アレーのブロック素子を前記スクリーングリッドのアパーチャーと整列及び不整列状態へと移動する手段を含む、請求項７、８及び１２のいずれかに記載の電気推進システム。
14. 実質的に図１、２、３及び４に示されて説明された電気推進システム。
15. 実質的に図５に示されて説明された電気推進システム。

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