JP2018127917A

JP2018127917A - ホールスラスタ

Info

Publication number: JP2018127917A
Application number: JP2017020352A
Authority: JP
Inventors: 重保飯原; Shigeyasu Iihara; 渕上　健児; Kenji Fuchigami; 健児渕上; 上松　和夫; Kazuo Uematsu; 和夫上松
Original assignee: IHI Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2017-02-07
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2018-08-16

Abstract

【課題】大型のマニホールドを用いることなく、推進薬をチャネルに均等に供給することができ、かつチャネルに供給する推進薬の温度を大幅に低下させることができるホールスラスタを提供する。
【解決手段】チャネル１２は、その他端１２ｂに周方向に均等に配置され軸方向に貫通する複数の貫通穴１３を有する。推進薬供給装置２０は、推進薬Ｆを供給する供給配管２２と流れ分配器２４とを有する。流れ分配器２４は、チャネル１２の他端１２ｂに気密に連結され、供給配管２２の一端が連結された流入口２５ａと、複数の貫通穴１３に推進薬Ｆを供給する流出口２５ｂとを有し、断熱性及び電気絶縁性がある。流れ分配器２４は、推進薬Ｆを周方向に均等に分配して各貫通穴１３に供給する分配流路を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ホール電流を用いて推力を発生するホールスラスタに関する。

図１は、ホールスラスタの原理図である。
ホールスラスタは、陽極Ａ（以下、「アノード」）及び陰極Ｃ（以下、「カソード」）と、軸方向に電界Ｅ、半径方向に磁界Ｂが加えられたチャネルＤとを備える。この構成により、カソードＣから放出された電子ｅはチャネルＤに入り、電場と磁場の作用により周方向にホール運動を行う。また電子ｅが推進薬Ｆを電離させイオン（＋）が生成される。生成されたイオンは電界Ｅで加速されて軸方向に飛び出し、この反作用で推進機としての推力が得られる。

排出されたイオンと同数の電子ｅをカソードＣから放出することで推進機の電気的中性が保たれる。チャネル内でホール運動している電子ｅは、電位差により獲得したエネルギーを推進薬Ｆの電離に使いながら、徐々にアノード方向に移動しアノードＡへと流れていく。ホール運動を行う電子ｅによってチャネル内に環状に流れる電流をホール電流と呼ぶ。

上述したホールスラスタは、例えば特許文献１，２に開示されている。

特表２０１４−５１９５７３号公報特開２００７−１２０４２４号公報

上述した従来のホールスラスタは、以下の問題点があった。

（１）チャネルＤは中空円筒形であり、その内部に位置するアノードＡは中空円板形となる。この中空円板形のアノードＡに推進薬Ｆを均等に供給するために、従来はアノード内部に中空円筒形の環状マニホールドと複数のノズルを備え、マニホールドの内部圧力を均一化し、複数のノズルから同一の噴射圧力で推進薬Ｆを噴射するようになっている。
しかし、内部圧力を均一化するためにアノード内部のマニホールド容積が大きくなる。

（２）アノードＡはチャネル内に存在するプラズマからの加熱を受け、使用中に高温（例えば、５００℃程度）になる。上述したマニホールドはアノードＡの内部に設けられ、推進薬Ｆが高温のアノード内部に長く滞留するため、加熱されて高温化し、スラスト性能を低下させる（燃料噴射速度が増加し、推進薬の電離度が低下し、性能低下につながる）。

（３）アノードＡには推進薬Ｆを供給する推進薬供給配管（以下、供給配管）が連結され、この供給配管を通して外部からマニホールド内に推進薬Ｆが供給される。アノードＡは電界Ｅを発生させるために高電圧（例えば、１００〜８００Ｖ）に印加されるため、供給配管も高電圧となる。

そのため、供給配管の内部において、外部（推進機外部配管またはグランド電位部）との電位差により内部放電が生じ、推進薬を加熱又はイオン化して、スラスト性能を低下させる可能性がある。
従来は、この内部放電を防止するために、供給配管の途中にボルテージアイソレータを装着し、対策を図っている。ボルテージアイソレータは、高電圧下での放電を防止するため、パッシェンの法則に基づき、放電距離を長く設定する必要がある。このため、ボルテージアイソレータは大型であり、ホールスラスタの構造が複雑になる。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の第１の目的は、大型のマニホールドを用いることなく、推進薬をチャネルに均等に供給することができ、かつチャネルに供給する推進薬の温度を大幅に低下させることができるホールスラスタを提供することにある。また本発明の第２の目的は、供給配管の途中にボルテージアイソレータを設けることなく推進薬供給配管内における内部放電を防止することができるホールスラスタを提供することにある。

本発明によれば、一端に開口端を有し他端が閉じた中空円筒形のチャネルと、
チャネル内に半径方向の磁界を発生する磁界発生装置と、
前記チャネル内の他端近傍に位置するアノードと、前記開口端の外部に位置するカソードとを有し、前記チャネル内に軸方向の電界を発生する電界発生装置と、
前記チャネルの前記他端から内部に推進薬を供給する推進薬供給装置と、を備え、
前記チャネルは、前記他端に周方向に均等に配置され軸方向に貫通する複数の貫通穴を有し、
前記貫通穴は前記アノードに設けられた噴射ノズルに前記推進薬を供給し、
前記推進薬供給装置は、前記推進薬を供給する供給配管と、
前記チャネルの前記他端に気密に連結され、前記供給配管の一端が連結された流入口と、複数の前記貫通穴に前記推進薬を供給する流出口とを有し、断熱性及び電気絶縁性がある流れ分配器と、を有し、
前記流れ分配器は、前記推進薬を周方向に均等に分配して前記貫通穴に供給する分配流路を有する、ホールスラスタが提供される。

上記本発明によれば、チャネルが、その他端に周方向に均等に配置され軸方向に貫通する複数の貫通穴を有し、流れ分配器が、推進薬を周方向に均等に分配してチャネルの各貫通穴に供給する分配流路を有する。従って、大型のマニホールドを用いることなく、複数の貫通穴から推進薬をチャネルに均等に供給することができる。

また、この分配流路は、大型のマニホールドを用いないことから容積が小さく、かつ流れ分配器が断熱性を有するので、アノードからの伝熱を低減してチャネルに供給する推進薬の温度を大幅に低下させることができる。

さらに、流れ分配器は電気絶縁性を有しており、かつ分配流路の流入口から流出口までの流路が長いので、供給配管の途中にボルテージアイソレータを設けることなく推進薬供給配管等における内部放電を防止することができる。

ホールスラスタの原理図である。本発明の実施形態のホールスラスタの正面図である。図２のＸ−Ｘ線における断面図である。図３のＹ−Ｙ線における断面図であり、絶縁板の流路のみを示している。流れ分配器の流路の第２実施形態図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明の実施形態のホールスラスタ１０の正面図であり、図３は、図２のＸ−Ｘ線における断面図である。
図２と図３において、このホールスラスタ１０は、チャネル１２、磁界発生装置１４、電界発生装置１６、及び推進薬供給装置２０を備える。

チャネル１２は、一端１２ａ（図３で右端）に開口端を有し他端１２ｂ（図３で左端）が閉じた中空円筒形の部材であり、内部に中空円筒形の空洞１２ｃ（以下、「加速チャンバー」）を有する。チャネル１２は、好ましくは、断熱性及び電気絶縁性を有するセラミックからなる。また、チャネル１２は、一体ではなく、上流側と下流側に分割してもよい。ここで、「上流側」とは、図３において左側を意味し、「下流側」とは右側を意味する。
この例において、チャネル１２は、その他端１２ｂに周方向に均等に配置され軸方向に貫通する複数の貫通穴１３を有する。

磁界発生装置１４は、チャネル内に半径方向の磁界Ｂを発生する。磁界発生装置１４は、この例では、内部コイル１４ａ、外部コイル１４ｂ、内部トリムコイル１４ｃ、外部トリムコイル１４ｄ、及び各コイルに電流を流す電源（図示せず）を有する。
なお、磁界発生装置１４の構成は、この例に限定されず、チャネル内に半径方向の磁界Ｂを発生できる限りで、他の構成であってもよい。
また、内部トリムコイル１４ｃと外部トリムコイル１４ｄは省略可能である。

電界発生装置１６は、アノードＡ、カソードＣ、及びその間に高電圧を印加する電源（図示せず）を有する。
アノードＡは、チャネル内の他端近傍に位置し、アノード電極２が外部から接続されている。また、カソードＣは、チャネル１２の開口端の外部に位置し、カソード電極４が外部から接続されている。アノードＡとカソードＣは、耐熱性及び電気導電性が高い金属材料（例えば、モリブデン、ＳＵＳ、銅又は銅合金）からなる。
アノード電極２とカソード電極４には、外部から電源ケーブルがそれぞれ接続されており、アノードＡとカソードＣの間に高圧の直流電圧（例えば１００〜８００Ｖ）を印加するようになっている。

この例において、アノードＡは、チャネル１２の軸心Ｚ−Ｚを中心とする中空円板形であり、チャネル１２の他端１２ｂから一端１２ａに向けて推進薬Ｆを噴射する噴射ノズル１７を有している。推進薬Ｆは、例えばＸｅガスである。
また、この例において、カソードＣは、チャネル１２の軸心Ｚ−Ｚに位置する円筒形の電子発生装置（電子供給装置）である。
上述した電界発生装置１６により、チャネル内に軸方向の電界Ｅを発生することができる。
なお、図３において、１８は、内部磁極３１と外部磁極３２を磁気的につなぐスラスタ筺体の底板（バックプレート）である。

推進薬供給装置２０は、チャネル１２の他端１２ｂから内部に推進薬Ｆを供給する。
図３において、推進薬供給装置２０は、推進薬Ｆを供給する供給配管２２と、流れ分配器２４とを有する。

供給配管２２は、流れ分配器２４に気密に連結され、推進薬Ｆを流れ分配器２４に供給する。供給配管２２は、好ましくは耐圧性の高い金属からなる。
この供給配管２２は噴射ノズル１７の半径方向外側に配置され、流入口２５ａに軸方向に接続されている。この配置によりスラスタの径方向サイズは小さくなる。

この例において、流れ分配器２４は、単一の絶縁板であり、図３において右端面がチャネル１２の他端１２ｂに気密に連結されている。また、流れ分配器２４は、供給配管２２の一端（図３で右端）が連結された流入口２５ａと、複数の貫通穴１３に推進薬Ｆを供給する流出口２５ｂとを有する。
さらに、流れ分配器２４は、断熱性及び電気絶縁性を有する。好ましくは、流れ分配器２４は、断熱性及び電気絶縁性の高いセラミックからなる。

図３において、３１は、内部コイル１４ａ（場合によっては内部トリムコイル１４ｃ）を保持する機能を有する内部磁極である。また、３２は、外部コイル１４ｂ（場合によっては外部トリムコイル１４ｄ）を保持する機能を有する外部磁極である。
内部磁極３１と外部磁極３２は、磁界Ｂを通しやすい強磁性体、例えば鉄，コバルト，ニッケルであるのがよい。
また、磁極カバー３３は、内部磁極３１と外部磁極３２の前面を覆っている。磁極カバー３３は、外部に存在するプラズマから磁極を保護する機能を有し、材質としては、例えばＢＮ（ボロンナイトライド）製であるのがよい。

上述したホールスラスタ１０の構成により、カソードＣから放出された電子ｅがチャネル１２の加速チャンバー１２ｃに入り、電場と磁場の作用により周方向にホール運動を行う。この電子ｅが推進薬Ｆを電離させイオン（＋）が生成される。このイオンは電界Ｅで加速されて軸方向に飛び出し、この反作用で推進機としての推力が得られる。

図４は、図３のＹ−Ｙ線における断面図であり、流れ分配器２４の流路のみを示している。
この図において、流れ分配器２４は、推進薬Ｆを周方向に均等に分配して流出口２５ｂからチャネル１２の貫通穴１３に供給する分配流路２６を有する。

図４において、流入口２５ａは、流れ分配器２４に設けられ軸方向に延びる円形穴である。図３の例で流入口２５ａは、貫通穴であるが、貫通しない底付の穴であってもよい。
また、この例で、流出口２５ｂは環状溝２８であり、環状溝２８は、チャネル１２の複数の貫通穴１３に推進薬Ｆを供給する。

図３において、チャネル１２の複数の貫通穴１３は、軸心Ｚ−Ｚを中心とする円周上に均等に配置されている。
また、流れ分配器２４の流出口２５ｂ（すなわち環状溝２８）は、軸心Ｚ−Ｚを中心とする円形溝である。環状溝２８の断面は、例えば矩形であるが、その他の形状であってもよい。

この例において、分配流路２６は、１対の第１環状流路２９ａを有する。また、流入口２５ａは、第１環状流路２９ａの内側に位置する。
さらに分配流路２６は、流入口２５ａから１対の第１環状流路２９ａへ推進薬を内側から外側に導入する第１導入流路３０ａを有する。第１導入流路３０ａにより推進薬を内側から外側に導入することで、流れ分配器２４の外径を縮小でき、流れ分配器２４の容積を縮小できる。
なお、この例において、流入口２５ａを、第１環状流路２９ａの外側に位置決めしてもよい。

１対の第１環状流路２９ａは、流入口２５ａから流入する推進薬Ｆを均等に二分する円弧状の流路である。１対の第１環状流路２９ａは、流入口２５ａから軸心Ｚ−Ｚを中心として周方向に円弧状に９０度以上の範囲に延びる。
すなわち、１対の第１環状流路２９ａは、互いに同一形状の流路であり、流入口２５ａに連結された第１導入流路３０ａから互いに周方向反対側に延びている。
第１環状流路２９ａ及び第１導入流路３０ａの断面は、例えば矩形であるが、その他の形状であってもよい。
この構成により、流入口２５ａから流入する推進薬Ｆを１対の第１環状流路２９ａに均等に二分することができる。

図４において、分配流路２６は、さらに第２環状流路２９ｂを有する。
第２環状流路２９ｂは、この例では軸心Ｚ−Ｚを中心として外側から内側に同心に配置された複数の円弧流路からなる。
また、第２環状流路２９ｂは、第１環状流路２９ａの内側に、軸心Ｚ−Ｚを中心として周方向に円弧状に９０度未満の範囲に延びる。
複数の円弧流路は、各第１環状流路２９ａから流入する推進薬Ｆを、第２導入流路３０ｂから１回又は順に複数回、均等に二分して、流出口２５ｂ（すなわち環状溝２８）の複数の周方向均等位置に供給する。

なお、第２環状流路２９ｂは、この例では二重の円弧流路であるが、本発明はこれに限定されず、一重でも、三重以上でもよい。
以下、上述した分配流路２６の構成を、「トーナメント方式の流路」と呼ぶ。

上述した分配流路２６の構成（トーナメント方式の流路）により、流入口２５ａから流入する推進薬Ｆを環状溝２８の複数の周方向均等位置に均等に分配して、各噴射ノズル２７ａから均等に噴射し、各貫通穴１３に均等に供給することができる。

この例において、チャネル１２の貫通穴１３は、環状溝２８から、アノードＡに設けられた噴射ノズル１７を通してチャネル１２の内部に均等に推進薬Ｆを噴射するようになっている。

図５は、流れ分配器２４の流路の第２実施形態図である。
第２環状流路２９ｂは、この例では軸心Ｚ−Ｚを中心として内側から外側に同心に配置された複数の円弧流路からなる。
また、第２環状流路２９ｂは、第１環状流路２９ａの外側に、軸心Ｚ−Ｚを中心として周方向に円弧状に９０度未満の範囲に延びる。
また、流入口２５ａは、第１環状流路２９ａの外側に位置する。
さらに分配流路２６は、流入口２５ａから１対の第１環状流路２９ａへ推進薬を外側から内側に導入する第１導入流路３０ａを有する。第１導入流路３０ａにより推進薬を外側から内側に導入することで、流れ分配器２４の内径を拡大でき、流れ分配器２４の容積を縮小できる。
なお、この例において、流入口２５ａを、第１環状流路２９ａの内側に位置決めしてもよい。
その他の構成は、図４と同様である。

上述した本発明の実施形態によれば、チャネル１２が、その他端１２ｂに周方向に均等に配置され軸方向に貫通する複数の貫通穴１３を有し、流れ分配器２４が、推進薬Ｆを周方向に均等に分配してチャネルの各貫通穴１３に供給する分配流路２６を有する。従って、大型のマニホールドを用いることなく、複数の貫通穴１３から同位相に配置されたアノードＡの噴射ノズル１７を介して、推進薬Ｆをチャネル１２に均等に供給することができる。

また、この分配流路２６は、大型のマニホールドを用いないことから容積が小さく、かつ流れ分配器２４が断熱性を有するので、アノードＡからの伝熱を低減してチャネル１２に供給する推進薬Ｆの温度を大幅に低下させることができる。

さらに、流れ分配器２４は電気絶縁性を有しており、かつ分配流路２６の流入口２５ａから流出口２５ｂまでの流路が長いので、供給配管２２の途中にボルテージアイソレータを設けることなく推進薬内（例えば、推進薬供給配管等）における内部放電を防止することができる。

従って、本発明のホールスラスタ１０は、以下の効果を有する。
（１）アノード上流に熱伝導の悪いセラミック製の流れ分配器２４を設けることにより、推進薬Ｆの噴射流量を均一化すると同時に、推進薬Ｆの過熱を防止することができる。
（２）高温のアノードＡでの推進薬Ｆの加熱面積は従来のマニホールドと比較して大幅に小さいので、推進薬Ｆの高温化を防止できる。
（３）流れ分配器２４は、流入口２５ａから流出口２５ｂまでの流路長さが長いので、ボルテージアイソレータの機能を併せ持ち、スラスタ外部に余分なアイソレータを装着する必要がない。

なお本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

Ａアノード（陽極）、Ｂ磁界、Ｃカソード（陰極）、Ｄチャネル、
Ｅ電界、ｅ電子、Ｆ推進薬、Ｚ−Ｚ軸心、２アノード電極、
４カソード電極、１０ホールスラスタ、１２チャネル、１２ａ一端、
１２ｂ他端、１２ｃ加速チャンバー（空洞）、１３貫通穴、
１４磁界発生装置、１４ａ内部コイル、１４ｂ外部コイル、
１４ｃ内部トリムコイル、１４ｄ外部トリムコイル、１６電界発生装置、
１７噴射ノズル、１８スラスタ筺体の底板、２０推進薬供給装置、
２２供給配管、２４流れ分配器、２５ａ流入口、２５ｂ流出口、
２６分配流路、２８環状溝、２９ａ第１環状流路、
２９ｂ第２環状流路、３０ａ第１導入流路、３０ｂ第２導入流路、
３１内部磁極、３２外部磁極、３３磁極カバー

Claims

一端に開口端を有し他端が閉じた中空円筒形のチャネルと、
チャネル内に半径方向の磁界を発生する磁界発生装置と、
前記チャネル内の他端近傍に位置するアノードと、前記開口端の外部に位置するカソードとを有し、前記チャネル内に軸方向の電界を発生する電界発生装置と、
前記チャネルの前記他端から内部に推進薬を供給する推進薬供給装置と、を備え、
前記チャネルは、前記他端に周方向に均等に配置され軸方向に貫通する複数の貫通穴を有し、
前記貫通穴は前記アノードに設けられた噴射ノズルに前記推進薬を供給し、
前記推進薬供給装置は、前記推進薬を供給する供給配管と、
前記チャネルの前記他端に気密に連結され、前記供給配管の一端が連結された流入口と、複数の前記貫通穴に前記推進薬を供給する流出口とを有し、断熱性及び電気絶縁性がある流れ分配器と、を有し、
前記流れ分配器は、前記推進薬を周方向に均等に分配して前記貫通穴に供給する分配流路を有する、ホールスラスタ。
前記流れ分配器は、単一の絶縁板であり、前記絶縁板は、前記チャネルの前記他端に気密に連結され、前記流入口と、複数の前記貫通穴に前記推進薬を供給する環状溝とを有する、請求項１に記載のホールスラスタ。
前記チャネルに設けられた複数の前記貫通穴は、前記アノードに設けられた前記噴射ノズルと同位相に位置し、前記推進薬を前記噴射ノズルに導く、請求項１に記載のホールスラスタ。
前記アノードは、前記チャネルの軸心を中心とする中空円板形であり、
前記噴射ノズルは、前記チャネルの前記他端から前記一端に向けて前記アノードを通して前記推進薬を噴射し、
複数の前記貫通穴は、前記軸心を中心とする円周上に均等に配置されており、
前記環状溝は、前記軸心を中心とする円形溝であり、
前記分配流路は、前記流入口から流入する前記推進薬を均等に二分する１対の第１環状流路と、
各第１環状流路から流入する前記推進薬を、１回又は順に複数回、均等に二分して、前記環状溝の複数の周方向均等位置に供給する第２環状流路と、を有する、請求項２に記載のホールスラスタ。
前記第１環状流路は、前記流入口から前記軸心を中心として周方向に円弧状に９０度以上の範囲に延び、
前記第２環状流路は、前記第１環状流路の内側に、前記軸心を中心として周方向に円弧状に９０度未満の範囲に延びる、請求項４に記載のホールスラスタ。
前記流入口は、前記流れ分配器に設けられ軸方向に延びる円形穴である、請求項１に記載のホールスラスタ。
前記供給配管は、前記流れ分配器に気密に連結され、前記流入口に軸方向に接続されている、請求項１に記載のホールスラスタ。
前記供給配管は、前記噴射ノズルの半径方向外側に配置されている、請求項７に記載のホールスラスタ。
前記第２環状流路は、前記軸心を中心として外側から内側に同心に配置された複数の円弧流路からなる、請求項５に記載のホールスラスタ。
前記第２環状流路は、前記軸心を中心として内側から外側に同心に配置された複数の円弧流路からなる、請求項５に記載のホールスラスタ。
前記流入口は、前記第１環状流路の内側に位置し、
前記分配流路は、前記流入口から１対の前記第１環状流路へ前記推進薬を内側から外側に導入する第１導入流路を有する、請求項９又は１０に記載のホールスラスタ。
前記流入口は、前記第１環状流路の外側に位置し、
前記分配流路は、前記流入口から１対の前記第１環状流路へ前記推進薬を外側から内側に導入する第１導入流路を有する、請求項９又は１０に記載のホールスラスタ。