JP2013536356A - 電気スラスタ及びかかるスラスタ内の電気エンジンの停止方法並びにかかるスラスタを有する人工衛星 - Google Patents

Abstract

本発明の電気スラスタは、少なくとも１つの電気エンジン（１０）、イオン性ガスの高圧タンク（１）を有していて電力を電気エンジンに供給するシステム、弁（５，６）によって高圧タンク（１）に連結された低圧バッファータンク（２）及びガスを低圧バッファータンク（２）から電気エンジンの陽極（２６）及び陰極（４０）に運ぶパイプライン系統を有する。低圧バッファータンク（２）は、電気エンジン（１０）に対する開口連結部を有する。スラスタは、陽極（２６）と陰極（４０）との間の放出電流の強度がしきい値よりも小さいことを検出し、この検出に続いて放出電圧を遮断する手段を有する。人工衛星における使用。

Description

本発明は、電気スラストエンジンの分野に関する。

本発明は、好ましいが非限定的な仕方で、宇宙空間内で電気スラストを送り出すために用いられる形式、特に、通信用静止衛星に用いられる形式のイオン又はプラズマスラストエンジンに利用される。

図１は、先行技術のホール効果プラズマスラスタ１０を示している。中央磁気コイル１２が長手方向主軸線Ａに沿って延びる中央コア１４を包囲している。環状内壁１６が中央コイル１２を包囲している。この内壁１６は、環状外壁１８によって包囲され、内壁１６と外壁１８とは、主軸線Ａ回りに延びる環状放出チャネル２０を構成している。現在記載された例では、内壁１６と外壁１８が、単一セラミック部１９の部分を形成している。

以下の説明において、「内側」という用語は、主軸線Ａの近くに位置する部分を意味し、「外側」という用語は、主軸線Ａから見て遠くに位置する部分を示している。

同様に、「上流側」及び「下流側」は、放出チャネル２０を通るガスの通常の流れ方向（上流側から下流側）に関して定められる。

放出チャネル２０の上流側端部２０ａ（図１の左側）は、イオン性ガス（一般に、キセノン）を供給する供給管２４で構成された噴射システム２２によって閉鎖されており、管２４は、供給穴２５を経て陽極（アノード）２６に連結されており、陽極２６は、ガス分子を放出チャネル２０内に噴射又は注入するマニホルドとして働く。

放出チャネル２０の下流側端部２０ｂは、開口している（図１の右側）。

各々が主軸線Ａに平行な軸線を定めている複数個の周辺磁気コイル３０が、外壁１８周りにぐるりと配置されている。中央磁気コイル１２及び周辺磁気コイル３０は、放出チャネル２０の下流側端部２０ｂのところで最大値を取る強度の半径方向磁場Ｂを生じさせるのに役立つ。

ホロー陰極（ホローカソード）４０が電子を主軸線Ａ及び放出チャネル２０の下流側端部２０ｂから見て下流側に位置したゾーンに向かって射出するために差し向けられるよう周辺コイル３０の外部に配置されている。陰極４０と陽極２６との間には電位差が確立される。

このようにして射出された電子は、一部が放出チャネル２０の内部中に差し向けられる。陰極４０と陽極２６との間に生じた磁場の影響を受けて、これら電子のうちの何割かは、陽極２６に達し、これらのうちの大部分は、放出チャネル２０の下流側端部２０ｂの付近で強力な磁場Ｂによって捕捉される。

放出チャネル２０内を上流側から下流側に移動しているガス分子は、これらが衝突する電子によってイオン化される。

さらに、放出チャネル２０内に存在するこれら電子は、軸方向電場Ｅを生じさせ、それにより、陽極２６と放出チャネル２０の下流側出口２０ｂとの間でイオンを加速し、その結果、これらイオンが高速で放出チャネル２０から射出されるようになり、それによりエンジンのスラストが生じる。

本発明は、特に、電気スラスタの供給システムに関する。

説明の前置きとして、一定のスラストを得るために本発明のスラスタの必要とするガスの調整流量が少ないことが注目されるべきである。この流量は、圧力を一定範囲内に至らせる圧力調整器と関連してタンクから得られ、この場合、流量は、必要な量のガスをエンジン及びホロー陰極に送り出すよう調整される。この調整は、通常、電気が供給されるサーモキャピラリー（thermocapillary）機構体及び陽極と陰極との間で流量を分配することができるようにする流量リストリクタによって実施される。

図２は、先行技術の電気スラスタ１０用の供給システム５０を示している。

この供給システム５０は、管５１により低圧バッファータンク２に連結されているイオン性ガス、例えばキセノン又はクリプトンの高圧タンク１を有している。

低圧バッファータンク２の容量は、約１リットル（Ｌ）である。

高圧タンク１内の圧力は、約１５０ｂａｒから約１ｂａｒまで様々であり、低圧バッファータンク２内の圧力は、約１．５ｂａｒから３ｂａｒまで様々である。

高圧タンク１と低圧バッファータンク２との間の圧力を減少させるためにリストリクタ７が管５１内に配置されている。

管５１は、高圧タンク１と低圧バッファータンク２との間のガスの流量を調整する調整弁６を更に有している。

供給システム５０は、調整弁６の開閉を制御すると共に圧力センサ５４と協働して低圧バッファータンク２内の圧力を測定する手段５３を有している。

供給システム５０は、低圧バッファータンク２から見て下流側に、２つの停止弁Ｖ３，Ｖ４、冗長用の又は余分の停止弁Ｖ１及び陽極２６及び陰極４０へのそれぞれのガスの流量の微調整を行うサーモキャピラリー機構体５２を有している。

それぞれ陽極２６及び陰極４０と関連したリストリクタ３，４は、陰極と陽極との間でガスの流量を分配するのに役立ち、約８％〜１０％が陰極に行き、約９０％〜９２％が陽極に行く。

供給システム５０は、電圧をエンジンに印加するのに適した電力エレクトロニクス８１及び陽極２６と陰極４０との間に放電電流を生じさせるのに適した点火エレクトロニクス８２を更に有している。制御ソフトウェアがエンジンの点火とガス及び電気を所定の順序でスラスタに送り出す弁の制御を順序付けるのに役立つ。

図２では、始動にのみ必要な放電点火が符号ＤＡで示され、陽極２６と陰極４０との間に生じるエンジン放電が符号ＤＭで示されている。

観察されるべきこととして、ホール効果プラズマエンジンの場合、上述のエレクトロニクス８１，８２は、スラスタから遠くに配置される場合が多く、フィルタユニットがエンジンと電力エレクトロニクスとの間で用いられ、その目的は、電磁妨害を回避することにある。

通常、調整弁６、リストリクタ７、低圧バッファータンク２、調整弁６の開閉を制御する手段５３及び圧力センサ５４により構成されるサブシステムは、圧力調整器ユニットＰＲＧを構成する。

同様に、停止弁Ｖ１、サーモキャピラリー機構体５２、リストリクタ３，４及び弁Ｖ３，Ｖ４は、イオン化ガスの流量を調整するユニットＲＤＸを構成する。

上述したスラスタ及び点火システムには或る幾つかの欠点が存在する。

第１に、低圧バッファータンク２の容量、典型的には１Ｌと関連した嵩は、これを人工衛星内でオフセットさせる必要があり、かくして人工衛星内に追加の管状連結部が必要になる。この構成は、図３に概略的に示されており、かかる構成では、人工衛星ＳＡＴは、圧力調整器ユニットＰＲＧとイオン化ガスの流量を調整するユニットＲＤＸとの間に管状連結部を備えている。

第２に、供給システム５０では、エンジンを停止させたときに低圧バッファータンク２内に貯蔵されているガスが失われないようにするためにバッファータンクから見て下流側に弁（タイプＶ１，Ｖ３，Ｖ４の弁）が存在することが必要であり、これら弁は、実際には同時に閉じられ又は実際にはエンジンへの電力の供給の遮断と同時に閉じられる。

本発明は、上述の欠点を生じない電気スラスタを提案する。

具体的に説明すると、第１の観点では、本発明は、電気スラスタであって、
・陽極、陰極及びガスマニホルドを備えた少なくとも１つの電気エンジンを有し、
・エンジンのための供給システムを有し、供給システムは、
・イオン性ガスの高圧タンクと、
・ガスの圧力を下げるための手段によって高圧タンクに連結された低圧バッファータンクと、
・開き、閉じ又は高圧タンクと低圧バッファータンクとの間におけるガスの流量の調整に適した少なくとも１つの弁と、
・ガスを低圧バッファータンクからエンジンに運ぶ管系と、を有し、
・陽極と陰極との間に放電電圧を印加し又は遮断させることによって電力をエンジンに送り出し又は送り出さないようにするのに適した電力エレクトロニクスを有する電気スラスタを提供する。

本発明によれば、低圧バッファータンクは、ガスマニホルドと開口連結状態にあり、電気スラスタは、陽極と陰極との間の放電電流がしきい値よりも小さいことを検出して該検出の結果として放電電圧を遮断する手段を有する。

これに対応して、本発明は又、陽極、陰極及びガスマニホルドを備えた電気エンジンを制御する方法であって、エンジンには電気スラスタが搭載されており、電気スラスタは、更に、
・エンジンのための供給システムを有し、供給システムは、
・イオン性ガスの高圧タンクと、
・ガスの圧力を下げるための手段によって高圧タンクに連結され、かつ、ガスマニホルドと開口連結状態にある低圧バッファータンクと、
・開き、閉じ又は高圧タンクと低圧バッファータンクとの間におけるガスの流量の調整に適した少なくとも１つの弁と、
・ガスを低圧バッファータンクからエンジンに運ぶ管系と、を有し、
・陽極と陰極との間に放電電圧を印加し又は遮断させることによって電力をエンジンに送り出し又は送り出さないようにするのに適した電力エレクトロニクスを有する、方法において、
低圧バッファータンクは、陽極及び陰極と開口連結状態にある形式の方法を提供する。

本発明によれば、このエンジン制御方法は、
・弁を閉じて高圧タンクと低圧バッファータンクとの間におけるガスの流れを遮断するステップと、
・しきい値よりも小さい陽極と陰極との間の放電電流の大きさを検出するステップと、
・放電電圧を検出の結果としてオフに切り換えるステップとを有する。

本明細書において、「陽極」（アノード）及び「陰極」（カソード）という用語は、次のように解されるべきである。

「陽極」という用語は、プラズマスラストエンジンにおいてはエンジンの陽極側と関連した流体回路を意味すると共にイオンスラストエンジンの場合、エンジンのイオン化チャンバ側と関連した流体回路を意味している。

「陰極」という用語は、プラズマスラストエンジンにおいてはエンジンの陰極側と関連した流体回路を意味すると共にイオンスラストエンジンの場合、エンジンのイオン化チャンバの陰極及び中和陰極と関連した流体回路を意味している。

かくして、一般的に言って、エンジンは、低圧バッファータンクから見て下流側の弁を省くことを提案し、換言すると、低圧バッファータンクと陽極との間及び低圧バッファータンクと陰極との間に配置された弁を省くことを提案する。

かくして、当業者であれば理解できるように、「開口連結」という用語は、弁を含まない又は永続的に開いた弁を備える形式の配管であればどのような配管をも意味する。

本発明によれば、電力エレクトロニクスを遮断することなく高圧タンクと低圧バッファータンクとの間の弁を閉じることによってエンジンを停止させる。ガスの流量が次第に減少することにより、放電電流の大きさが減少し、次に、この大きさがしきい値よりもいったん小さくなった場合にのみ、電力供給がオフに切り換えられる。

この動作モードは、「ブローダウン（blow down）」と呼ばれる場合があり、かかる動作モードは、ガスが失われるのを阻止する。というのは、低圧バッファータンクは、完全に空になった後に電力供給がオフに切り換えられるからである。かくして、推進流体は、最高効率で用いられる。

好ましい実施形態では、本発明の電気スラスタは、高圧タンクと低圧バッファータンクとの間に設けられた調整部材（代表的には、弁）を、低圧バッファータンクの出口のところに、設定圧力を基準として±５％未満で大きさが変化する圧力を得るよう調整部材を制御する手段と共に有する。圧力センサが低圧バッファータンク内の圧力を測定する。

この実施形態では、始動時、調整部材は、設定圧力に達しない間、開いた状態にあり、次に、調整部材の開度は、低圧バッファータンク内の設定圧力に向かうよう連続的に調整される。

好ましい実施形態では、本発明の電気スラスタは、低圧バッファータンクへの流量を制限するよう高圧タンクと低圧バッファータンクとの間に設けられたリストリクタを有する。この場合、バッファータンク内の圧力の面で良好な精度を維持しながら公知の電気スラスタの場合の容量よりも極めて小さい容量、例えば２０立方センチメートル（ｃｍ³）未満の容量を備えた低圧バッファータンクを用い、それにより、事実上安定した流量で陽極及び陰極に向かう流れを保証することが可能である。

容積の小さい低圧バッファータンクが最も有利である。というのは、かかるバッファータンクをコンパクトな仕方でエンジンそれ自体の中に組み込むことができるからである。

当然のことながら、設定圧力を変化させることにより流量を調整することができる。

本発明の他の利点及び特徴は、添付の図面を参照して例示的に与えられる以下の説明を読むと明らかになる。

上述したように先行技術のプラズマスラスタを示す図である。 上述したように図１のプラズマスラスタの供給システムを示す図である。 上述したように先行技術の人工衛星の略図である。 本発明の特定の実施形態としての電気スラスタに用いるのに適した供給システムを示す図である。 図４に示された実施形態としてのシステムにより供給が行われるプラズマスラスタからのスラストの変化を示すグラフ図である。 本発明の人工衛星の略図である。 ２つのエンジンを備えた電気スラスタに用いられるのに適しており、本発明の別の特定の実施形態としての供給システムを示す図である。 本発明の特定の実施形態に従って電気エンジンを停止させる方法の主要なステップを示す流れ図である。

図４は、本発明の電気スラスタに用いられるのに適した供給システム１００を示している。

供給システム１００は、特に、低圧バッファータンク２が永続的に陽極２６及び陰極４０と開口連結状態にある点で図２の供給システム５０とは異なっており、弁Ｖ１，Ｖ３，Ｖ４は、省かれている。

供給システム１００は、放電電流を測定する手段８を更に有し、かかる手段は、電力エレクトロニクス８１、陽極２６及び陰極４０により構成される回路中に直列に配置されている。

このシステムの初期状態では、調整弁６は、閉じられ、低圧バッファータンク２及びリストリクタ７，３，４は、極めて低い残留圧力を受ける。

調整弁６とリストリクタ７との間の正味の容積は、好ましくは、バッファータンク２の圧力の面で良好な精度を保つために最小限に抑えられる。

この特性により、低圧バッファータンク２から見て下流側にはサーモキャピラリー機構体５２を用いる必要がない。

エンジンを始動させるため、調整弁６を開き、イオン性ガスが低圧バッファータンク２から陽極２６及び陰極４０に運ばれる。

電力エレクトロニクス８１によって電圧をエンジンに印加し、点火エレクトロニクス８２は、点火放電ＤＡを生じさせ、それにより従来通り陽極２６と陰極４０との間にスラスト放電ＤＭを生じさせる。

今説明している実施形態では、陽極２６と陰極４０との間の放電電流の公称大きさは、１アンペア（Ａ）である。

圧力センサ５４によって低圧バッファータンク２内の圧力を連続的に測定し、この圧力は、調整弁６の開度を制御することによって実質的に一定に（この実施例では、５％の公差で）且つ設定圧力に等しく維持される。

エンジンに供給されるイオン性ガスの流量は、この設定圧力を変化させることにより調整できる。今説明している実施形態では、設定圧力は、１ｂａｒから２ｂａｒの範囲にわたって変化する場合がある。

図８に示されているように、エンジンを停止させるため、第１ステップでは、当初電力エレクトロニクス８１を遮断しないで調整弁６を閉じる。すると、低圧バッファータンク２は、次第に空になり、それにより放電電流の大きさが減少する。

陽極２６と陰極４０との間の放電電流の大きさがしきい値、具体的には１ミリアンペア（ｍＡ）を下回ると、電力エレクトロニクス８１は、陽極２６と陰極４０との間の放電電圧を遮断する。

これにより、低圧バッファータンク２が完全に空になると、スラスタからのスラストが漸次減少し、これは、「ブローダウン」と呼ばれる。

最も有利には、低圧バッファータンク２の容積は、この実施例では、約２０立方センチメートル（ｃｍ³）であり、従って、タンクを図６に示されているように本発明に従って人工衛星ＳＡＴ内にコンパクトに組み込むことができ、圧力調整器ユニットＰＲＧ及び流量調整器ユニットＲＤＸを人工衛星に組み込むことが可能である。

図７は、２つのエンジンを搭載した電気推進システムにおける本発明の実施例を示している。この実施例では、スラスタは、高圧タンク１の出口のところに２つの弁５を有し、それにより、一方のエンジンの低圧バッファータンクへのイオン性ガスの流れを停止させることによってこの一方のエンジンを停止させることができる。

今説明した実施形態では、スイッチ８５，８６，８７により、一方のエンジン又は他方のエンジンについて点火放電ＤＡ及びスラスト放電ＤＭを確立することが可能である。

Claims (7)

1. 電気スラスタであって、
   陽極（２６）、陰極（４０）及びガスマニホルドを備えた少なくとも１つの電気エンジン（１０）を有し、
   前記エンジン（１０）のための供給システムを有し、前記供給システムは、
   イオン性ガスの高圧タンク（１）と、
   前記ガスの圧力を下げるための手段（５，６，７）によって前記高圧タンクに連結された低圧バッファータンク（２）と、
   開き、閉じ又は前記高圧タンク（１）と前記低圧バッファータンク（２）との間におけるガスの流量の調整に適した少なくとも１つの弁（５，６）と、
   前記ガスを前記低圧バッファータンク（２）から前記エンジン（１０）に運ぶ管系と、を有し、
   更に、前記陽極（１６）と前記陰極（４０）との間に放電電圧（ＤＭ）を印加し又は遮断させることによって電力を前記エンジンに送り出し又は送り出さないようにするのに適した電力エレクトロニクス（８１）を有する、電気スラスタにおいて、
   前記低圧バッファータンク（２）は、前記ガスマニホルド（２６）と開口連結状態にあり、
   前記電気スラスタは、前記陽極（２６）と前記陰極（４０）との間の放電電流の大きさがしきい値よりも小さいことを検出して該検出の結果として前記放電電圧（ＤＭ）を遮断する手段を有する、電気スラスタ。
2. 前記放電電流の大きさの公称値が約１Ａであるとき、前記しきい値はエンジンについては約１ｍＡである、請求項１記載の電気スラスタ。
3. 前記電気スラスタは、前記高圧タンク（１）と前記低圧バッファータンク（２）との間に位置したリストリクタ（７）を有し、前記低圧バッファータンク（２）は、２０ｃｍ³未満の容量を有する、請求項１又は２記載の電気スラスタ。
4. 前記電気スラスタは、前記高圧タンク（１）と前記低圧バッファータンク（２）との間に設けられた調整部材（６）を、前記低圧バッファータンク（２）の出口のところに、設定圧力を基準として±５％未満で大きさが変化する圧力を得るよう前記調整部材を制御する手段と共に有する、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の電気スラスタ。
5. 前記圧力の平均値は、０．１ｂａｒ〜１０ｂａｒである、請求項４記載の電気スラスタ。
6. 請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の電気スラスタを搭載した人工衛星。
7. 陽極（２６）、陰極（４０）及びガスマニホルド（２６）を備えた電気エンジン（１０）を制御する方法であって、前記エンジンには電気スラスタが搭載されており、前記電気スラスタは、更に、前記エンジン（１０）のための供給システムを有し、
   前記供給システムは、
   イオン性ガスの高圧タンク（１）と、
   前記ガスの圧力を下げるための手段（５，６，７）によって前記高圧タンクに連結され、かつ、前記エンジンと開口連結状態にある低圧バッファータンク（２）と、
   開き、閉じ又は前記高圧タンク（１）と前記低圧バッファータンク（２）との間におけるガスの流量の調整に適した少なくとも１つの弁（５，６）と、
   前記ガスを前記低圧バッファータンク（２）から前記ガスマニホルド（２６）に運ぶ管系と、を有し、
   更に、前記陽極（１６）と前記陰極（４０）との間に放電電圧（ＤＭ）を印加し又は遮断させることによって電力を前記エンジンに送り出し又は送り出さないようにするのに適した電力エレクトロニクス（８１）を有する、方法において、
   前記低圧バッファータンク（２）は、前記陽極（２６）及び前記陰極（４０）と開口連結状態にあり、前記方法は、
   前記弁を閉じて前記高圧タンク（１）と前記低圧バッファータンク（２）との間におけるガスの流れを遮断するステップと、
   しきい値よりも小さい前記陽極（２６）と前記陰極（４０）との間の放電電流の大きさを検出するステップと、
   前記放電電圧を前記検出の結果としてオフに切り換えるステップと、を有する方法。

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