JP2016532818A - 先細／末広磁気ノズル - Google Patents

Abstract

推進剤の熱エネルギーを方向付けられた運動エネルギーに変換するが、粒子の流れを向けるために物理境界に代えて磁場を使用する先細／末広の外形形状を有する磁気ノズル。

Description

本出願は、２０１３年８月２７日に出願した米国仮出願第６１／８７０，４４４号の利益を主張する。上記出願の開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、先細／末広ノズルに関し、より詳細には永久磁石により生成される磁場を用いた、先細／末広流れ構造を画定する先細／末広磁気ノズルに関する。

本章は、必ずしも従来技術とは限らない本開示に関連した背景情報を提供するものである。本章は、本開示の全体的な概要をさらに提供するものであり、その完全な範囲又はその特徴の全部についての包括的な開示ではない。

小型人工衛星は、宇宙機及び宇宙ベースの科学の性質を変えている。そのより小さいサイズ（７５０ｋｇ以下）により、より少ない費用でかつより急速な開発サイクルで開発されることを可能にする。特に超小型人工衛星（nanosatellites。約１から約１０ｋｇ）は、画像から宇宙の天気までの幅広い務めに関して、科学団体及び民間企業の注目を等しく集めてきた。超小型人工衛星の急速な出現は、これらの宇宙機における主推進の必要性を生んだ。化学推進は、そのような小型の宇宙機に貯蔵できるのよりもずっと多くの推進剤質量を必要とし、一方、ホール・スラスタやイオン・エンジンなどの従来の電気推進装置は、小型化されるときに有効性を失う。この技術的なギャップは、小型（約１０００ｃｍ^３未満）、低質量（約１ｋｇ未満）、及び低電力（約５０Ｗ未満）であるように設計された新たな種類の電気推進装置を必要とする。本教示の原理に関連して説明されるキューブサット両極性推進器（ＣＡＴ：CubeSAT Ambipolar Thruster）が特にこれらの要件を満たすために設計されている。

約１０年前のそれらの導入以来、キューブサット及びそのＰ−ＰＯＤデプロイヤは、最有力の超小型人工衛星の設計となった。１キューブサットユニット（Ｕ）は、いくつかの複数の又は端数のＵ（１Ｕ、０．５Ｕ、３Ｕなど）からなる人工衛星を備える、各辺が１０ｃｍである立方体である。Ｐ−ＰＯＤは、打ち上げ機に、典型的には二次ペイロードとして取り付けられる展開ハードウェアである。それは、キューブサットを安全に軌道に送り届けつつ、打ち上げ機及び一次ペイロードを保護するように特に設計されている。この規格の採用により、建造費用が削減され、標準化されたハードウェアを製造することができ、キューブサットを使用する多くのプログラムにわたって過去の飛行の経験の蓄積を確立することができる。これらのプログラムは、ＮＡＳＡ及びＥＳＡなどの大規模予算機関だけでなく、産業、大学、及び大型宇宙プログラムを持たない国のものを含む。

キューブサット推進は、従来の推進器の設計の小型化の困難性のため、他の超小型人工衛星技術よりも遅れている。単元推進剤及び二元推進剤システムが約１Ｎ未満の推力及び数１０ｍ／秒の小さいΔＶ性能に関して存在し、又は開発中である。中程度のΔＶ（＞１００ｍ／秒）については、電気推進が必要とされる。３００ｍ／秒までの予想されるΔＶの性能を有する様々な電気推進器が開発中である。これらの推進器は、ステーションキーピング、フォーメーション飛行、及び軌道離脱に適している。

大きいΔＶ（＞１ｋｍ／秒）をキューブサットに与えることができる推進器があれば、多様な新しいミッションが利用可能になる。それらは、打ち上げ機の軌道にもはや限定されず、非常に楕円形な軌道、静止軌道、又は極軌道にそれらを操縦することができる。十分なΔＶがあれば、キューブサットは、地球−月、又は地球−太陽のラグランジュ点に到達することができる。単一の打ち上げ機から人工衛星のアレイを展開し、グローバル・ネットワークを作り出すようにそれらを散開させることができることにより、著しい費用節減が達成されよう。他の可能性には集団フォーメーション飛行や長寿命の低高度の軌道も含まれる。

そのような推進器システムに必要な構造を提供するために、本教示は、本システム、すなわち、磁気ノズル・システムの一態様を提示する。

本教示の原理によれば、物理的なラバール・ノズルと均等である磁場構造を定める磁気ノズル・システムが提供される（図１参照）。ラバール・ノズルでは、衝突ガスの熱エネルギーは、収束亜音速領域で方向付けられた運動エネルギーに変換される。ノズルのスロートでは、推進剤は、ガスの音速（すなわち、音速、又はマッハ１）まで加速される。推進剤がラバール・ノズルの末広の区域に続くにつれて、超音速（マッハ１超）まで加速する。本教示によれば、永久磁石によって生成される磁気ノズルは、推進剤の熱エネルギーを方向付けられた運動エネルギーに変換するために同じ先細／末広の外形形状を使用するが、（高温ガスとは対照的に）プラズマの流れを方向付けるために、物理境界の代わりに磁場が用いられる。

さらなる適用範囲は、本明細書に与えられた説明から明らかになろう。本概要におけるこの説明及び特定の実例は、例示目的のために意図されているにすぎず、本開示の範囲を制限することを意図するものではない。

本明細書に記載の図面は、選択した実施例の例示の目的のためにすぎず、可能性のある実施の全てではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

従来のラバール・ノズルの概念を示す。 本教示の原理によるキューブサット両極性推進器（ＣＡＴ）の部分断面図である。 本教示の原理による磁気ノズル・システムを示す部分断面図である。 ファラデー・シールドの斜視図である。 本教示の原理によるプラズマ磁気ノズルの磁力線の一部を示す概略図である。 本教示の原理によるプラズマ磁気ノズルの磁力線を示す概略図である。 磁石及び対応する磁場の相対位置を示すグラフ及び概略図である。 測定及びシミュレーションされた磁力線の半径方向位置対軸方向位置を示すグラフである。

対応する参照符号は、図面に属するいくつかの図の全体を通じて対応する部分を示す。

次に、添付図面を参照して、例示的実施例をより十分に説明する。

例示的実施例は、本開示が十分なものとなり、その範囲を当業者に十分伝達するように与えられる。本開示の実施例の十分な理解をもたらすために、特定の構成要素、装置、及び方法の実例のような多数の特定の詳細が記載されている。特定の詳細が用いられる必要がないこと、例示的実施例は多くの異なる形態で具体化できること、及びいずれも本開示の範囲を限定すると解釈されるべきでないことが当業者には明らかであろう。いくつかの例示的実施例では、よく知られたプロセス、よく知られた装置構造、及びよく知られた技術は、詳細には説明されていない。

本明細書に使用される専門用語は、特定の例示的実施例を説明するためのものにすぎず、限定しているものではない。本明細書中に使用されるとき、文脈が別途明確に示す場合を除き、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、複数形も同様に含むことが意図され得る。用語「備える（comprise）」、「備えている（comprising）」、「含んでいる（including）」、及び「有する（having）」は、包含的であり、したがって述べた特徴、完全体、ステップ、操作、要素、及び／又は構成部品の存在を特定するが、１つ又は複数の他の特徴、完全体、ステップ、操作、要素、構成部品、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を除外するものではない。実行の順序として特に特定されていない限り、本明細書中に記載された方法のステップ、プロセス、及び動作は、説明又は図示した特定の順序でそれらの実行を必ず必要とするものとして解釈されるべきでない。追加の又は代替のステップが用いられてもよいことも理解されたい。

要素又は層が別の要素又は層「の上に」、「に係合される」、「に接続される」、又は「に結合される」というとき、それは、他の要素又は層の上に直接あっても、係合されても、接続されても、又は結合されてもよく、或いは介在する要素又は層が存在してもよい。対照的に、要素が別の要素又は層「の上に直接ある」、「に直接係合される」、「に直接接続される」、又は「に直接結合される」というとき、介在する要素又は層は存在しない場合がある。要素間の関係を説明するために使用される他の単語は、同様に解釈されるべきである（例えば、「間に」対「直接間に」、「隣接して」対「直接隣接して」など）。本明細書中に使用されるとき、用語「及び／又は」は、関連するリスト項目のうちの１つ又は複数の任意及び全ての組み合わせを含む。

「内側」、「外側」、「真下」、「下方」、「下」、「上方」、「上側」等などの空間的に相対的な用語は，図に示されるようなある要素又は特徴の別の要素又は特徴に対しての関係を説明するための説明を容易にするために本明細書中に使用され得る。空間的に相対的な用語は、図に示した向きに加えて、使用時又は動作時の装置の様々な向きを含むことが意図され得る。例えば、図中の装置がひっくり返された場合、他の要素又は特徴の「下方」又は「真下」として記載された要素は、そのとき、その他の要素又は特徴の「上方」に向けられる。したがって、例示的な用語「下方」は、上方及び下方の両方の向きを含むことができる。この装置は、他のやり方で向けられても（９０度又は他の向きに回転させられても）よく、本明細書中に使用される空間的に相対的な記述子は、それに応じて解釈される。

ヘリコンは、プラズマ推進における応用のために探求されている高度に効率の良いプラズマ源である。比推力可変型プラズマ推進器（ＶＡＳＩＭＲ：Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket）は、電子を加熱するためにヘリコン・プラズマ源を、イオンを加熱するためにイオン・サイクロトロン共鳴を使用する２００ｋＷ推進器であり、その両方は、推力を生み出すために磁気ノズルを通って膨張する。この装置は、次世代の宇宙機のために設計されており、約２ｍの長さであり、従来の宇宙機が発生できるよりもずっと多くの電力を必要とする。研究室のヘリコンは、典型的には、低いｋＷの領域の電力を必要とし、これは多くの確立されたホール・スラスタ及びイオン・エンジンと同レベルであり、様々なグループがこの規模でヘリコン推進器の開発を開始している。数１０ワットの電力しか使用せず、推力１ｍＮ、１０００秒のＩｓｐ、及び２０％の効率といったおおよその性能パラメータを有する小型ヘリコン推進器が、現在開発中である。

ヘリコン波は、電磁プラズマ波である有界のホイスラー波であり、これは伝播するために外部から印加された磁場を必要とする。それらは、高周波エネルギーをプラズマに結合して電子を加熱、中性粒子を電離するのに格別によいことが発見されており、静電的に又は誘導的に結合されるプラズマよりも高い密度を達成することができ、そのためプラズマ源として有益である。それは、低周波の波であり（ωを波の周波数、ω_ｃ＝ｅＢ／ｍ_ｅを電子サイクロトロン周波数、ｅを素電荷、Ｂを磁束、ｍ_ｅを電子質量として、ω＜＜ω_ｃ）、周波数は、６．７８、１３．５６、又は２７．１２ＭＨｚといった典型的に産業的な値である。低周波でのヘリコン分散関係は、プラズマ中の波の伝搬を記述しており、

であり、ただしｃは光の速度であり、ｋは波数の大きさであり、

はプラズマ周波数であり、ｎ_ｅは電子数密度であり、ε_０は自由空間の誘電率であり、θは

と

の間の角度である。波数は、磁場に対して垂直成分及び平行成分に分解することができ、すなわち、

である。垂直な波数は円筒形の放出路の半径にのみ依存し、平行な波数は適切なアンテナの選択によって設定することができる。したがって、高周波周波数及び波数を固定するシステムについては、密度は磁場の強さに比例し、実験でしばしば実証された結果である。

ＣＡＴは、ラジオ・オーロラ・イクスプローラ（ＲＡＸ：Radio Auroral Explorer）、又は極端な駆動に対する大気密度の応答のキューブサット調査（ＣＡＤＲＥ：CubeSAT investigating Atmospheric Density Response to Extreme driving）のバスに基づいて３Ｕのキューブサット上での使用のために設計されたが、それはほぼ全ての３Ｕのキューブサットバスに適している。推進器自体は、１Ｕ以下とすべきであり、推進剤のために１Ｕ、及び宇宙機システムのために１Ｕを残した。これは、推進器が１ｋｇ未満であることを確実にすることを必要とした。Ｐ−ＰＯＤデプロイヤの設計のため、デプロイメント・スプリングが巻かれている多少の追加の空間が内側に存在する。このいわゆる「ツナ缶（tuna can）」により、推進器は標準的な３Ｕ形状の外側にわずかに（３．５ｃｍまで）突き出ることが許され得る。

ＲＡＸ宇宙機の設計は、パネルのタイプに応じてパネルごとに７．０又は８．１Ｗの最大値を発生させる４つの太陽電池パネルを有するソーラ・システム２２と、４．２アンペア時のバッテリ・パックとを有する。太陽電池パネルが太陽によって照らされているときにバッテリを充電することによって、地球によって陰になっているときバッテリは宇宙機を維持することができる。この電源アーキテクチャは、ある種のミッションにおいてＣＡＴに有利に使用され得る。例えば、軌道の遠地点を高めるとともに軌道の離心率を増加させるために、ＣＡＴは、軌道のほんの一部の間に近地点の近くで作動（fired）させることができる。このようにして、ＣＡＴは、太陽電池パネルによって連続的に供給され得るよりも高い電力で動作することができる。このため、より大きい動作電力レベルも可能であり、アルゴン推進剤で２００Ｗまでの実証があるものの、ＣＡＴの公称動作電力は、１０から５０Ｗであるように設計された。

ＣＡＴの設計の出発点は、電力だった。一例として、アンテナによってプラズマに５０Ｗが貯蔵されると仮定する。ヘリコンはほぼ完全に電離されたプラズマを作り出すことができ、放電を維持するためにイオンあたりいくらかの量のエネルギーを（イオン・コストＷと呼ばれる）必要とする。このエネルギーは、電離エネルギー、壁損失、放射、及び全ての他のエネルギー吸い込みを説明する経験的な数字である。電力バランスの式は、

のように書くことができる。ただし、

は電力であり、

は質量流量であり、Ｍは推進剤の分子量であり、Ｎ_ａはアボガドロ数である。理想気体の法則を用いると、質量流量は、体積流量

として別に表すことができ、ただし、

は体積流量であり、Ｒは一般気体定数であり、ｓｃｃｍ単位の

に対してＰ＝１気圧（１０１．３ｋＰａ）及びＴ＝２７３Ｋである。

イオン・コストは推進剤に依存するが、６０ｅＶ／イオンという典型的な数値を、この実例について仮定することができる。この場合、体積流量は１２ｓｃｃｍであり、これはキセノンの１．１ｍｇ／秒に対応する。推進器中への流れは、定常状態での流出によって釣り合わされなければならない。完全電離のための推進器中への分子流量は、

である。

推進器から外への分子流量は、音速（ｃ_ｓ＝ｓｑｒｔ（Ｔ_ｅ／ｍ_ｉ）。ただし、Ｔ_ｅは電子温度、ｍ_ｉはイオン質量）で出て行くプラズマによって決定され、

となり、ただし、Ａ_ｅは出口面積である。キセノンをイオン種とし、（実験室での実験において合理的である）１０ｅＶの電子温度を仮定すると、電子密度が決定でき、ＣＡＴの出口領域について１０^１４ｃｍ^−３となる。

ヘリコン波の伝搬のための必要な磁場の強さは、分散関係、すなわち、

を解くことによって与えられる。

ＣＡＴのアンテナ設計については、磁場の強さは約８００Ｇ（約０．０８Ｔ）であり、磁石設計についての重要な入力である。上述したように、密度は磁場の強さに比例しており、したがってより高い磁場の強さによってより高い推力が可能になる。電磁石は、キューブサット上での実際の使用のためには、あまりにも多くの電力を必要とし、したがって永久磁石が選ばれた。

推進器内部のプラズマは、従来の研究に基づいて、５から２０ｅＶの温度を有する電子、及び冷たいイオンを有することが予期される。電子は磁化されており、イオンよりもずっと速く、したがって電子は推進器から磁力線に沿って殺到する。これは、イオンを加速させる電場を確立する。これは、二極性イオン加速（ambipolar ion acceleration）として知られている。電子は加速領域内で冷え、その熱エネルギーをイオンに方向付けられた運動エネルギーに変換する。当初の電子温度は最終的な温度よりもずっと高く、したがってイオンのエネルギーは、
Ｅ_ｉｏｎ＝γＴ_ｅ （７）
と概算することができ、ここで、γ＝２は、この２自由度系の断熱指数である。この式から、Ｉ_ｓｐの概算は、キセノン推進剤の場合に４００から８００秒と計算することができる。

推進器への電力

は、イオン運動エネルギー又はイオン・コストになり、これには定義によりイオンの運動エネルギー以外の全てのエネルギーの形態が含まれる。したがって、推進器の最大可能効率（η_ｔ）は、

であり、ここで、η_ｎは、ノズル効率であり、控えめな、半径の関数として均一な密度の仮定を用いて、ＣＡＴでは約０．９に等しい。前述のように、Ｗは推進剤と装置の両方に依存するが、約６０ｅＶの値が典型的である。したがって、推進器効率は、１０％から４０％であると予期される。次いで、推力（Ｔ）は、

として計算することができ、ここで、ｇ_０は、地球の重力加速度である。推力は、０．５から４ｍＮであると予期される。

ＣＡＴエンジンが提供することのできるΔＶを推定するために、推進器質量が１ｋｇであり、推進剤タンクが０．３ｋｇであり、推進剤が０．７ｋｇであり、キューブサットの残りが１ｋｇである３Ｕのキューブサットを仮定する。４００から８００秒の間のＩ_ｓｐでは、その推進剤の全部を用いた後、人工衛星は、上述の新しいミッションの多くを可能にするのに十分大きい、１〜２ｋｍ／秒のΔＶを有する。

重要な構成要素
図２を特に参照すると、いくつかの実施例では、本教示の原理によるＣＡＴ１０は、前端すなわち第１の端１４及び後端すなわち第２の反対の端１６を有するフレーム構造１２を備えることができる。フレーム構造１２は、貨物区域１８、推進器システム２０、及び代替の電力システム２２を画定することができる。

いくつかの実施例では、フレーム構造１２は、本明細書中に記載したキューブサットの特徴に従った大きさにされる。いくつかの実施例では、フレーム構造１２は、宇宙機制御部のための約１Ｕと、機器類のための０．５Ｕから１．０Ｕと、推進器システム２０のための残りの部分（具体的には、推進器のための約０．６Ｕ、及び推進剤タンクのための０．４〜０．９Ｕ）とを有する３Ｕのキューブサットとしての大きさにされる。

いくつかの実施例では、図３に示されるように、推進器システム２０は、推進剤タンク３０（図２）と、プラズマ・ライナ３２と、半径方向に向けられた少なくとも一対の磁石３４と、ヘリコン高周波アンテナ３６と、ファラデー・シールド３８と、推進剤がその中を通って流れることを許容するための推進剤タンク３０をプラズマ・ライナへ相互接続する推進剤配管４０とを備えることができる。

ガス状推進剤は、推進剤タンク３０から、ガスがプラズマに電離され加熱される、石英製のボトル状チューブであるプラズマ・ライナ３２の中に流れる。石英は、その低伝導性及び高温耐久性のために選ばれた。数Ｔｏｒｒ（数百Ｐａ）の圧力で、ガスは自由分子流と衝突流の間の境界にあり、したがって、膨張点をちょうど過ぎたところに、「シャワー・ヘッド」ガス分配器４２（図３）が、より均一な半径方向分布でガスをプラズマ・ライナ３２に分散させるよう含まれていた。シャワー・ヘッド・ガス分配器４２は、上流に伝搬し弁及び他の構成要素に影響を及ぼし得るプラズマを減少させるアイソレータとして働くというさらなる利点を有する。

プラズマ・ライナ３２及びノズルの直径は、プラズマ・ライナ３２における質量流量と圧力の両方を最適化するように設計されていた。推進剤のプラズマ・ライナ３２中への流量は、推進剤の利用効率を最大化するために、プラズマの流量と一致すべきである。プラズマ・ライナ３２内の圧力は、正しい（すなわち、プラズマ密度に等しい）中性密度を与えるように選ばれた。圧力が高すぎる場合、電子は、その最大エネルギーを得る前に衝突してしまう。圧力が低すぎる場合、電子は、衝突する前にプラズマ・ライナ全体を横切ってしまう。プラズマが点火された後も、高周波結合が誘導性又は波になると、エネルギーの高い電離電子は、最適な性能のために、プラズマ・ライナ３２内で衝突を行う必要がある。

高周波アンテナ３６は、ｍ＝＋１のヘリコン波を励起するように設計された螺旋状半ひねり（helical half-twist）形状だった。当初の実験のためのアンテナは、純銀（solid silver）から３Ｄ印刷された。将来の設計は、別のより強く、より安価な金属上に電気めっきした銀を使用するであろうが、純銀は、試作品段階における設計の迅速な繰り返しを考慮に入れていた。ワイヤの直径は、材料コストと構造的安定性のバランスをとって、２ｍｍの太さであった。

電磁石は、場の強さを変更できることを考えると用途が広いが、動作するために著しい量の電力を必要とする。キューブサット上で、電力は、従来の人工衛星よりもさらに珍重されており、したがって永久磁石３４が磁気ノズルを生成するために使用された。いくつかの実施例では、強さ４２ＭＧＯｅ（３３０ｋＪ／ｍ^３）を有するネオジム（ＮｅＦｅＢ）希土類磁石が使用され得る。だが、ネオジム磁石は、約１５０℃という比較的低いキュリー温度に悩まされ、それを超えるとネオジム磁石は消磁されることになる。サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石はより弱いが、より高いキュリー温度（約３００℃）を有し、ＣＡＴの将来のバージョンに使用され得る。注意深く設計された環状の磁石３４が、プラズマにおける熱エネルギーの方向付けられた運動エネルギーへの変換を容易にする磁気ノズルを生成するために使用された。

磁石３４、プラズマ・ライナ３２、及びアンテナ３６は、ファラデー・シールド又はケージ３８の中に収容及び支持された（図３及び図４参照）。ファラデー・シールド３８は、２つの同一の３Ｄ印刷されたチタン製クラム・シェル３８Ａ、３８Ｂからなる。磁石３４の支持は、それらの間の力が５０Ｎにまでなり得るので重要である。しかし、シールド３８の主な役割は、宇宙機の他の部品に影響を及ぼし得るアンテナ３６からの高周波エネルギーを封じ込めることである。チタンは、３Ｄ印刷可能であり、比較的小さい密度、高い強度で、より良く高周波を封じ込めるよう導電性であるので、選ばれた。外側シェル３８の中の穴は、試験のために内部をいくらか観察することを可能にするが、エンジニアリング・モデルにおいては中実のバージョンに置き換えられてもよい。組み立てられると、８本の突出している脚５０が、特定のキューブサットバスに適したレールに取り付けられる。図示された組立体は、軌道試験上で初めてのビークルとなるＲＡＸのようなバスとの統合のために設計された。完全な組立体は、高周波電源、推進剤、又はタンクを含まないで、０．５ｋｇの質量を有する。

磁場
磁気ノズルは、従来は、電磁石と呼ばれる電線のソレノイド状コイルで生成されてきた。空間領域内に電磁石コイルをより密に詰め込むことにより、より高い磁場の強さを生成し、また、磁気スロートを形成させる。しかしながら、これらの電磁石コイルは、磁場を維持するために著しい電力を必要とし、ジュール加熱（非ゼロ抵抗を有する導体を電流が通過するときに生じるプロセス）によって発生する廃熱を取り除くために能動的な冷却も必要とし得る。

ここに示された先細／末広磁気ノズルは、永久磁石３４から構成されており、磁気ノズルを、入力電力なし、制御エレクトロニクスなし、及び廃熱もなしで維持することを可能にする。２つ以上の非類似の、半径方向に磁化され／配向させられた環状の永久磁石３４がこの磁場を発生させるために使用され得る（図５参照）。図５は軸対称である。線は磁力線を示し、有限要素フィールド・ソルバを用いて計算された。この同じ設計が、縮小されて、図６に示されている。

装置の軸に沿った相対的な磁場の強さは図７に、概略的な３Ｕのキューブサット及び上記描写の磁石３４と位置を合わせられた場の強さのグラフとともに、示されている。スロート１００は、永久磁石の右の方に磁場の強さが最大として特定されることができ、それによってスロート１００の左に先細区域１０２、及びスロート１００の右に末広区域１０４が定められる。「ノズル」の境界は、磁場によって定められ、プラズマ・ライナ３２の物理的構造によらないことを理解されたい。

いくつかの実施例では、ノズルは、粒子を受け入れるための入口を有し、その辺りに第１の動作境界を画定する先細区域１０２を備える。スロート区域１００は先細区域１０２の下流に配設され、その辺りに、第１の動作境界よりも小さい第２の動作境界を画定する。末広区域１０４は、粒子を出力するためにスロート区域１００の下流に配設されている。末広区域１０４は、第２の動作境界よりも大きい第３の動作境界をその辺りに画定している。推進器又は磁場システムは、少なくともスロート区域１００の付近に磁力線を出力し、それによって磁力線は粒子の移動を制限して、第２の動作境界を画定しており、先細区域１０２、スロート区域１００、及び末広区域１０４は、全体として粒子を受け入れ入口から出口まで加速する。

通常の導電性電磁石に加えて、超伝導電磁石を使用することができるが、制御エレクトロニクス及び温度制御が、超伝導電磁石に関連して使用されてもよいことも理解されたい。半径方向及び軸方向に磁化された磁石並びに単に軸方向に磁化された磁石が使用されてもよいことも理解されたい。

いくつかの実施例では、大きい半径方向に配向されたリング磁石を製作することは難しいとともに費用がかかり得る。そのような場合には、環状を形成するように配置された半径方向に配向されたセグメント化された弧状の磁石を使用することも可能である。最小で６個のセグメントを用いても、磁場構造をあまり大きく変化させることがなく、著しい軸非対称性を導入しない。

磁石３４は、ＣＡＴの動作にとって最適な磁場を作り出すためにＦＥＭＭ、有限要素磁場ソルバ（finite element magnetic field solver）を用いて設計された。これらの磁石３４を用いる推進器１０が構成されると、その磁場は、０．０１Ｇ（１０^−６Ｔ）の分解能を有する３軸の磁気計を用いて測定された。磁気計の測定ヘッドは、プラズマ・ライナの出口よりも大きかったので、外部磁場だけ測定することができた。プラズマ・ライナ３２が取り除かれたとしても、シミュレーションは、測定ヘッドの大きさの距離で内部磁場が著しく変わることを示し、したがって内部測定は、よくても疑問の余地がある。

磁場は、推進器の正面に０．５ｃｍ間隔をおいて４０ｃｍ×５０ｃｍのグリッドで（すなわち、プラズマのプルームの領域内で）測定された。測定値からの及びシミュレーションからの磁力線は、図８に重ねられている。測定値は、（所与の点における場の強さのパーセントの偏差）５％以内でシミュレーションにとてもよく一致している。違いの一部は、推進器が向けられている方向及び測定が行われた絶対位置における不確実さからくる。測定の、特に関心のある特徴の１つは、力線が突然方向を変化させている、推進器から４０ｃｍの軸方向の距離のところである。これは、ＣＡＴの磁場が地球の磁場（約０．５Ｇ（約５×１０^−５Ｔ））を下回るまで低下し、地球の磁場が支配的になる点である。この測定値は、ＣＡＴの磁場が４０ｃｍの実際的な広がりを有するというシミュレーションの予想を裏付ける。真空チャンバ壁の影響を最小にすることができる現実の推進器の試験にとってこれは重要である。

推進剤
ＣＡＴの設計の中核は、プラズマに露出された電極が存在せず、磁場がプラズマをプラズマ・ライナ離していることである。これらの特徴は、従来の電気推進器の推進剤（キセノン及びクリプトン）だけでなく、他の推進器を腐食する又は短絡させる酸化剤又は金属などの新規な推進剤でもＣＡＴが動作することを可能にする。キセノンは、不活性であり、大きい質量、低いイオン化ポテンシャル、及び大きい断面積を有するため、最もしばしば使用される。しかしながら、キセノンは、経済的でなくなりつつあり、ガス状推進剤として低い貯蔵密度を有する。固体で又は液体で貯蔵可能な推進剤は、より高い貯蔵密度のために特に関心の的であり、体積が重んじられるキューブサットにおいて重要である。

ヨウ素は、その高い貯蔵密度及び低いコストにより、有望な候補である。ヨウ素及びキセノンは、ＣＡＴにおける同様な動作を意味し得る、いくつかの有利な類似性を有する。それらは、原子質量がとても近い（Ｉ：１２６．９ａｍｕ；Ｘｅ：１３１．３ａｍｕ）ので、同様の推力及び比推力を与えることができる。ヨウ素は、固体として二原子分子であり、原子が電離（１０．５ｅＶの電離エネルギー）され得る前に解離されなければならない（１．５４ｅＶの解離エネルギー）。これらの２つのエネルギーの合計は１２．０ｅＶであり、キセノンの電離エネルギー１２．１ｅＶにとても近い。しかし、重要な差は、エネルギーのシンクとなり効率を減少し得る、Ｉ_２の回転及び振動モードである。

それを有望にさせているヨウ素の重要な特徴の内の１つは、宇宙機にとって合理的な温度におけるヨウ素の比較的高い蒸気圧である（図６参照）。プラズマ・ライナにて１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）を与えるために、タンク圧力は、タンクを５０から７０℃に加熱することによって達せられ得る数Ｔｏｒｒ（数百Ｐａ）である必要がある。これは、受動的加熱及び熱電ヒータの組み合わせを用いて達成することができる。フィード・ラインは、所望の質量のスループットを維持するために加熱されなければならないであろう。

ヨウ素は、人工衛星によく見られる材料に対して腐食性がある。この酸化還元反応は、金属の被膜及び絶縁破壊、いくつかのエラストマーにおける脆性又は膨潤を引き起こす傾向がある。表２は、よく使用される材料とのヨウ素の適合性を概説している。開発されている推進剤フィード・モジュールは、高い等級の材料を利用し、構成要素及びシステム・レベルの試験が、選択される材料の適合性を実証するために行われる。等級は、最大４８時間にわたる視覚的観察によって決定された。ヨウ素は、注意を払って使用されなければならないが、ホール・スラスタでは、推進剤としてそれを用いてうまく動作しており、したがってそれはＣＡＴにとって実行可能なオプションである。

本教示の原理は、これに限定するものではないが、Ｂｉ（ビスマス）、Ｈｇ（水銀）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｐｂ（鉛）、Ｓｎ（スズ）、Ｉ_２（ヨウ素）、ガリンスタン（低い溶解温度の金属の共晶混合物）、低い溶解温度の金属の任意の他の混合物（例は、フィールド・メタル、ローズ・メタル、ウッド・メタル、ＮａＫである）、Ｈ（水素）、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ａｒ（アルゴン）、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）、Ｈ_２Ｏ（水）、ＮＨ_３（アンモニア）、ＳＯ_２（二酸化硫黄）、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）、ＣＯ_２（二酸化炭素）、イオン液体（ＡＦ−Ｍ３１５Ｅは一例である）、ＮＯ（一酸化窒素）、Ｎ_２Ｏ（亜酸化窒素）、ＮＯ_２（二酸化窒素）、Ｎ_２Ｈ_４（ヒドラジン）、リン酸、Ｈ_２Ｏ_２（過酸化水素）、金属過酸化物、過酸化物、Ｈ_２Ｏ＋ヨウ素（ヨウ素を含有する水溶液）、Ｈ_２Ｏ＋カリウム（ヨウ素を含有する水溶液）、Ｈ_２Ｏ＋カリウム＋ヨウ素（カリウム及びヨウ素を含有する水溶液）、及び／又はＨ_２Ｏ＋任意の他の塩を含む様々な推進剤とともに使用することができることを理解されたい。

結論
キューブサット両極性推進器は、キューブサット上の主推進のために設計された無電極プラズマ推進器である。ヘリコン波が、高周波エネルギーを、磁気ノズルを通じて加速するプラズマに結合する。それは、５０Ｗまでで動作し、（試験された２００Ｗまで）より高い推力レベルが可能なｍＮｓの推力を作り出すように設計されている。ＣＡＴの部品の多くは、他のやり方で機械加工できない精密部品の迅速な反復及び製造を考慮に入れる３Ｄ印刷技術を利用する。磁気ノズルは、有限要素ソルバを用いてシミュレートされており、その結果は測定値の５％以内と実証された。キセノンを用いて最初にＣＡＴは作動し、将来の試験のためのベースラインをもたらした。これらの未来の試験のいくつかは、可能な推進剤としてヨウ素を調査することを伴う。ヨウ素は、ＣＡＴの無電極設計によって可能とされた高性能の固体貯蔵可能推進剤としての見込みを示している。

マイクロ・イオン又はホール・スラスタなどの他の主推進技術の効率、合計推力、推力対電力比、及び合計デルタＶを上回り、４０％超の全推進器効率がいくつかの推進剤を用いて期待されている。ＣＡＴは、既製部品を用いて容易に製造することができ、ミシガン大学の真空容器（U. Michigan vacuum chamber）で試験され得る。軌道上のキューブサットについて５０Ｗまではすでに実証されているので、ＣＡＴエンジンは、１０Ｗで動作する（１００Ｗでパルスされる）ことができる。Ｉ_ｓｐ＝１３００秒は、ヨウ素推進剤についての最大の推力対電力比をもたらす。ＣＡＴの設計は、１０Ｗで２ｍＮの推力、及び１Ｕ体積において最新式の能力よりも２桁大きい１２００〜２０００秒の間のＩ_ｓｐを与えることが期待される。

実施例の前述の説明は、例示及び説明のために与えられたものである。網羅的であること又は本開示を限定することは意図されていない。特定の実施例の個々の要素又は特徴は、一般には、その特定の実施例に限定されず、適用可能である場合、特に示されていない又は説明されていない場合でも、相互交換可能で、かつ、選択された実施例において使用することができる。多くのやり方で変更することもできことも同様である。そのような変更例は、本開示から逸脱するものとしてみなされるべきではなく、全てのそのような修正は本開示の範囲内に含まれることが意図される。

Claims (15)

1. その内部を通して粒子を加速するためのノズル部材であって、
   前記粒子を受け入れる入口を有する先細区域であって、その辺りに第１の動作境界を画定する先細区域と、
   前記先細区域の下流に配設されたスロート区域であって、その辺りに第２の動作境界を画定し、前記第２の動作境界は前記第１の動作境界よりも小さいスロート区域と、
   前記粒子を出力するために前記スロート区域の下流に配設されている末広区域であって、その辺りに第３の動作境界を画定し、前記第３の動作境界は前記第２の動作境界よりも大きい末広区域と、
   少なくとも前記スロート区域の周りに磁力線を出力する磁場システムであって、それによって前記磁力線は前記粒子の移動を規制し、それによって前記第２の動作境界を画定する磁場システムと
   を備え、
   前記先細区域と、前記スロート区域と、前記末広区域とが、全体として前記粒子を受け入れ、前記入口から前記出口まで加速する、ノズル部材。
2. 前記磁場システムは、永久磁石を備える、請求項１に記載のノズル部材。
3. 前記磁場システムは、少なくとも２つの非類似の半径方向に磁化された環状の永久磁石を備える、請求項１に記載のノズル部材。
4. 前記磁力線の最大値の位置は、前記スロート区域を表す、請求項１に記載のノズル部材。
5. 前記粒子は流体である、請求項１に記載のノズル部材。
6. 前記粒子は荷電粒子である、請求項１に記載のノズル部材。
7. 前記粒子はプラズマである、請求項１に記載のノズル部材。
8. 前記粒子は磁気粘性流体である、請求項１に記載のノズル部材。
9. その内部を通して粒子を加速するノズル・システムであって、前記ノズル部材は、
   推進剤を有する推進剤タンクと、
   前記推進剤タンクから前記推進剤を受け入れ、プラズマを出力するプラズマ・ライナと、
   前記プラズマ・ライナを囲むとともに前記プラズマを高周波結合するヘリコン、誘導型、又は容量型アンテナと、
   前記プラズマ・ライナを囲む少なくとも一対の半径方向に配設された永久磁石であって、前記プラズマ内の粒子を加速させるために、先細区域と、前記先細区域の下流のスロート区域と、前記スロート区域の下流の末広区域とを画定する磁場を出力する少なくとも一対の半径方向に配設された永久磁石とを備え、前記先細区域は前記粒子を受け入れるための入口を有し、前記先細区域はその辺りに第１の動作境界を画定し、前記スロート区域はその辺りに第２の動作境界を画定し、前記第２の動作境界は前記第１の動作境界よりも小さく、前記末広区域はその辺りに第３の動作境界を画定し、前記第３の動作境界は前記第２の動作境界よりも大きく、前記先細区域と、前記スロート区域と、前記末広区域とは、全体として前記粒子を受け入れ、前記入口から前記出口まで加速する、ノズル・システム。
10. 前記磁場システムは、少なくとも２つの非類似の半径方向に磁化された環状の永久磁石を備える、請求項９に記載のノズル・システム。
11. 前記磁力線の最大値の位置は、前記スロート区域を表す、請求項９に記載のノズル・システム。
12. 前記粒子は流体である、請求項９に記載のノズル・システム。
13. 前記粒子は荷電粒子である、請求項９に記載のノズル・システム。
14. 前記粒子はプラズマである、請求項９に記載のノズル・システム。
15. 前記粒子は磁気粘性流体である、請求項９に記載のノズル・システム。