JP2020519811A - 電気スラスタの推進剤流体の流量を調整する装置 - Google Patents

電気スラスタの推進剤流体の流量を調整する装置 Download PDF

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Abstract

少なくとも1つの毛細管を備える熱毛細管装置タイプの、電気スラスタのための推進剤流体の流量を調整する装置(52)であって、少なくとも1つの毛細管ダクトは導電性であり、管の温度変化の作用の下で推進剤流体の流量を調整することができ、前記少なくとも1つの毛細管ダクトがニッケル基合金を含むことを特徴とする、装置。

Description

本発明の分野は、流体の流量を調整すること、特に、推進剤ガスが空間電気スラスタの流量を供給するように、非常に小さい流量を調整することである。
本発明は、空間電気推進、特に静止通信衛星の推進に使用されるタイプのイオンまたはプラズマ推進エンジンに有利に、しかしながら非限定的な方法で適用される。
電気推進エンジンを使用するコンテキストにおいて、流量コントローラを関連付ける必要がある。関与する低流量を考えると、そのような流量を調整するための当業者によって知られている手段は、「熱毛細管装置」として知られている装置、すなわち、電流源に接続されることができる導電性の毛細管ダクトである。毛細管ダクトを通過する電流は、ジュール効果によるその加熱、すなわち、毛細管ダクト内の流体の流れ状態を、したがって、決定された供給圧力について毛細管ダクトを通過する流体の質量流量を変化させる、加熱を引き起こす。
さらに、プラズマエンジンに必要な電力は、高出力へであろうと低出力へであろうと進展する。したがって、流量コントローラは、プラズマスラスタが単一の機能ポイントにおいて機能するのではなく、実際の範囲の機能ポイントを提供することができるようにしながら、より強いまたは弱い流量を提供するサイズにされる必要がある。
換言すれば、流量コントローラは、最新技術に関して拡大された流量範囲を提供することができる必要がある。
提起される問題は、現在使用されている技術がこのニーズに応じることができない使用上の制限を有するということである。したがって、拡大された流量範囲に対する高まるニーズに応じることができるように、流量コントローラの技術を適合させる必要がある。
そのような実現に関連する様々な困難がある。毛細管ダクトは、高温にロバストでなければならない。実際、そのようなチューブの寸法が小さいことを考えると、このチューブの抵抗率は増加し、ジュール効果は、1000℃に近い温度を生み出す。さらに、流量範囲が大きく機能するほど、高温を用いる必要性が高まる。さらに、所定の寸法のケーシングに対して体積を制御するため、および、このチューブの負荷損失を制御するために、チューブ自体を製造すること、これは所与の小さな寸法(直径が数百マイクロメートル)のさいに困難であるが、に加えて、毛細管ダクトを成形することができる必要がある:この操作は曲げ加工と呼ばれ、一般に実現を容易にするために周囲温度で行われる。最後に、組立方法(例えば、ブルーイングまたは溶接)によって構造内に毛細管チューブを一体化することができる必要もある。
毛細管ダクトは、今日では、ステンレス鋼、例えば鋼X2CrNi18−10から一般に構成される。この材料は、20℃で比較的延性があるという特殊性を有し、これは曲げ加工中の実現を容易とする。さらに、この材料は、他の部品において容易にブルーイングされることができ、これは、安価な構造内でのその一体化を可能にする。欠点は、この材料が劣化するため、毛細管チューブ内の流れ状態の変化をもたらし、最大ガス流量(ゼロ電流で得られる)の低下を伴うということである。実際、毛細管ダクトは、数アンペア(3から4A)の電流に数時間さらされると劣化する。しかしながら、適切な流量範囲を得るために、流量コントローラは、0から4A(最大流量に対応する0A、最小流量に対応する4A)で変化する可能性のある電流でその性能を確立する。毛細管チューブの劣化は、チューブが破損するまで発生し得、したがって任意量のキセノンを漏れさせる可能性があり、チューブ内の流体断面積の減少を一般にもたらす。その結果、最大流量は0Aに達し、より高い強度の電流を予備的に印加することによって影響を受けることがわかる。したがって、コントローラの流量範囲は、少なくとも10%減少する。代替方法としては、例えば、熱毛細管の電流を0から2Aに制限することであろう。この代替方法は、コントローラの流量範囲を約40%減少させるという欠点があり、これはプラズマスラスタの性能に大きな損害を与える。
本発明は、熱毛細管ダクトの寸法を制御しながら、推進剤流体の拡大した流量範囲を提供することを可能にするロバストな毛細管ダクトが装備された、電気スラスタのための推進剤流体の流量を調整する装置を提案することにより、これらの欠点を解消することを目的とする。
本発明の目的は、少なくとも1つの毛細管ダクトを備える熱毛細管装置タイプの、電気スラスタのための推進剤流体の流量を調整する装置であり、少なくとも1つの毛細管ダクトは、導電性であり、ダクトの温度変化の作用の下で推進剤流体の流量を調整することができる。
本発明に係る装置では、前記少なくとも1つの毛細管ダクトは、ニッケル基合金を含む。
本出願人は、この合金を毛細管ダクトに使用することは、特にダクトのサイズとその形状を制御しながら推進剤ガス流量間隔を拡大することが可能とすることを観察した。
ニッケル基合金とは、少なくとも50重量%のニッケルを含む合金を意味する。
好ましくは、前記少なくとも1つの毛細管ダクトは、ニッケル基合金からなる、すなわち、ダクトは前記合金のみを含む。
ニッケル基合金は、クロム、鉄、マンガン、銅、ニオブおよびモリブデンから選択される少なくとも1つの元素を含むことができる。
特に、ニッケル基合金は、例えば鉄を含むことができる。鉄の含有量は、合金の10重量%以下とすることができる。
ニッケル基合金は、鉄およびクロムを含むことができる。
好ましくは、ニッケル基合金は、a)少なくとも72重量%のニッケル、14から17重量%のクロム、および6から10重量%の鉄を含む合金、b)少なくとも58重量%のニッケル、20から23重量%のクロムおよび5重量%以下の鉄含有量含む合金、およびc)50から55重量%のニッケルおよび17から21重量%のクロムを含む合金から選択される。
ニッケル基合金は、Special Metals Corporation社によってInconel(R)という名称で市販されている合金、特に合金Inconel(R)600、Inconel(R)625、およびInconel(R)718から選択されることができる。
また、Rolled Alloys社によってRA 602 CA(R)という名称で市販されている合金、Haynes International社によってHAYNES(R)214(R)という名称で市販されている合金、ならびにHaynes International社によってHAYNES(R)230(R)という名称で市販されている合金から選択されることもできる。
合金RA 602 CA(R)は、重量パーセントで、24から26%のクロム、0.15から0.25%の炭素、1.8から2.4%のアルミニウム、0.1から0.2%のチタン、0.05から0.12%のイットリウム、0.01から0.10%のジルコニウム、最大0.15%のマンガン、最大0.5%のシリコン、最大0.1%の銅、8から11%の鉄を含み、残りはニッケルである合金である。
合金HAYNES(R)214(R)は、重量パーセントで、16%のクロム、4.5%のアルミニウム、3%の鉄、最大2%のコバルト、最大0.5%のマンガン、最大0.5%のモリブデン、最大0.5%のチタン、最大0.5%のタングステン、最大0.15%のニオブ、最大0.2%のシリコン、最大0.1%のジルコニウム、0.04%の炭素、最大0.01%のホウ素、0.01%のイットリウムを含み、残りはニッケルである合金である。
合金HAYNES(R)230(R)は、重量パーセントで、22%のクロム、14%のタングステン、2%のモリブデン、最大3%の鉄、最大5%のコバルト、0.5%のマンガン、0.4%のシリコン、最大0.5%のニオブ、0.3%のアルミニウム、最大0.1%のチタン、0.1%の炭素、0.02%のランタン、最大0.015%のホウ素を含み、残りはニッケルである合金である。
前記少なくとも1つの毛細管ダクトは、通常、電流源に接続されている。
推進剤流体は、キセノンまたはクリプトンとすることができる。
本発明の目的はまた、電気スラスタである。本発明に係る電気スラスタは、上で説明された装置を備える。
電気スラスタは、通常、ホール効果プラズマスラスタである。
本発明の最後の目的は衛星である。本発明に係る衛星は、上で説明された電気スラスタを備える。
添付の図面を参照しながら、非限定的な例としてなされた以下の説明を読めば、本発明は最もよく理解され、本発明の他の詳細、特徴および利点は、より明らかになるであろう。
本発明に係る空間電気スラスタを示す。 スラスタから推進剤ガスを供給するシステムを示す。
図1は、ホール効果プラズマスラスタ10を一般的に示している。中央磁気巻線12は、主長手方向軸Aの周りに延びる中央ハブ14を囲んでいる。環状内壁16は、中央巻線12を囲んでいる。この内壁16は、環状外壁18によって囲まれ、環状壁16および18は、主軸Aの周りに延びる環状放電チャネル20の境界を区切る。ここで説明する例では、内壁16および外壁18は、単一のセラミック部品19の一部を形成する。
以下の説明において、「内側」という用語は、主軸Aに近い部分を指し、「外側」という用語は、この軸から離れた部分を指す。
また、「上流」および「下流」という用語は、放電チャネル20を通るガスの通常の流れ方向(上流から下流)に関して定義される。
放電チャネル20の上流端部20a(図1の左)は、イオン化可能ガス(一般にキセノン)の入口パイプ24から構成される注入システム22によって閉鎖され、パイプ24は、放電チャネル20にガス分子を注入するための分配器として使用されるアノード26に供給孔25によって接続されている。
放電チャネル20の下流端部20bは開放している(図1の右側)。
主軸Aに平行な軸を有するいくつかの周辺磁気巻線30は、外壁18の周囲全体に配置される。中央磁気巻線12および外側磁気巻線は、半径方向磁界Bの発生を可能にし、その強度は、放電チャネル20の下流端部20bのレベルで最大である。
中空カソード40は、周辺巻線30の外側に配置され、その出口は、主軸Aおよび放電チャネル20の下流端部20bから下流に位置するゾーンの方向に電子を放出するように向けられている。カソード40とアノード26との間に電位差が確立される。
このようにして放出された電子は、放電チャネル20内に部分的に導かれる。これらの電子の一部は、カソード40とアノード26との間に発生した電界の影響でアノード26に到達するが、それらのほとんどは、放電チャネル20の下流端部20bの近くの強い磁界Bによってトラップされる。
放電チャネル20の上流から下流に循環するガス分子は、それらと衝突する電子によってイオン化される。
さらに、放電チャネル20に存在する電子は、イオンが放電チャネル20から高速で放出されてエンジンの推進を引き起こすように、アノード26と放電チャネル20の下流出口20bとの間のこれらのイオンを加速する軸方向電界Eを生成する。
本発明は、より具体的には、電気スラスタを供給するためのシステムに関する。
前置きとして、現在のスラスタは、一定の推力を得るために調整された低ガス流量を必要とすることに留意する必要がある。この流量は、タンクと圧力を一定の場にもたらす圧力調整器とから生成され、流量は、エンジンに必要なガス量を中空カソードに供給するように調整される。この調整は、通常、電流が供給される熱毛細管チューブと、アノードとカソードとの間の推進剤流体の分布を可能にする流量リストリクタとによって行われる。
図2は、本発明に係る電気スラスタ10の供給システム50を示している。
この供給システム50は、パイプ51によって低圧バッファタンク2に接続された、例えばキセノンまたはクリプトンなどのイオン化可能ガスの高圧タンク1を備える。
低圧バッファタンク2の容量は、約1リットルである。高圧タンク1の圧力は、150バールから約1バールまで変化し;低圧バッファタンク2の圧力は、約1.5から3バールの間で変化する。
パイプ51上には、高圧タンク1と低圧バッファタンク2との間の圧力を高めるためにリストリクタ7が配置されている。
パイプ51はまた、高圧タンク1と低圧バッファタンク2との間のガスの流量を調整するためのバルブ6も備える。
供給システム50は、調整バルブ6の開閉を制御するための、および圧力センサ54と係合される低圧バッファタンク2内の圧力を測定するための手段53を備える。
供給システム50は、低圧バッファタンク2の下流に、2つのストップバルブV3、V4、冗長ストップバルブV1、ならびにそれぞれアノード26およびカソード40に向かうガスの流量の微調整を可能にする熱毛細管52を備える。他の構造も可能であり、例えば、バルブV1は冗長である、および、バルブV3およびV4は存在しないと考えることができる。
カソード40およびアノード26にそれぞれ関連付けられたリストリクタ3および4は、カソードとアノードとの間のガスの流量、すなわち、カソードに向かって約8から10%、アノードに向かって90から92%のガスの流量を分布させることを可能にする。
供給システム50はまた、エンジンをスイッチングすることができるパワーエレクトロニクス81と、アノード26とカソード40の間に放電電流を確立することができる点火エレクトロニクス82とを備える。管理ソフトウェアは、エンジンのイルミネーションのシーケンスとバルブの制御が、決定されたシーケンスにしたがってガスおよび電気をスラスタに供給することを可能にする。
図2では、始動にのみ必要な点火放電がDAで参照されており、アノード26とカソード40との間に確立されたエンジン放電はDMで参照されている。ホール効果プラズマエンジンの場合、上述したパワーエレクトロニクス81、82は、大抵の場合にスラスタから離れており、電磁干渉を避けるためにエンジンとパワーエレクトロニクスの間にフィルタリングユニットが使用されていることに留意されたい。エレクトロニクス81はまた、熱毛細管52、ならびにバルブV1、V3、およびV4にも供給する。
通常、調整バルブ6、リストリクタ7、低圧バッファタンク2、調整バルブ6の開閉を制御する手段53、および圧力センサ54により構成されるサブシステムは、圧力調整ユニットPRGを構成する。
同様に、ストップバルブV1、熱毛細管52、リストリクタ3、4、およびバルブV3、V4は、イオン化ガスの流量を調整するためのユニットRDXを構成する。
ガスは、毛細管チューブと呼ばれる細いチューブ内を循環する。毛細管チューブに電流を印加すると、これはジュール効果により加熱される。チューブが加熱されると、そこを循環するガスの粘度が変化し、チューブに印加された電流に応じて所望の流量を調整することができるように、すぐにチューブ内のガスの流れ状態も変化することがわかる。
流量を調整するためのユニットRDXは、通常、推進剤ガスを供給するために、数mg/s程度の非常に低い質量流量を調整することができる必要がある。それが、熱毛細管52が既知の方法で使用される理由であり、ガスは、電流源に接続された毛細管ダクトを通過し、ジュール効果により毛細管ダクトを加熱することによりガスの流量を調整する。しかしながら、実際には、最新技術の流量を調整する装置は、特に供給圧力が一定の場合、非常に狭い範囲で流量を変化させることを可能にしない。したがって、265kPaのキセノンを供給するための圧力を有するPPS(R)1350という名称で市販されたホール効果スラスタにおいて使用される流量を調整する装置は、流量を4から8mg/sの範囲にわたって変化させることができるにすぎない。これは、1.5kWの電力およびアノードとカソードとの間の350Vの電圧で、単一の機能ポイントに対して最適化されたこの現在のホール効果スラスタにとっては十分であるが、広い範囲の動力および推力、したがって、例えば、10から17mg/s、さらには17から50mg/sの間で変化する可能性のある推進ガスの流量の調整を必要とする、考慮されている静電スラスタが機能するには明らかに不十分である。
本発明によれば、この問題は、熱毛細管52に対してニッケル基合金を含む毛細管ダクトを使用することにより解決される。より具体的には、Special Metals Corporation社によってInconel(R)という名称で市販されている合金、特に合金Inconel(R)600、Inconel(R)625、およびInconel(R)718が使用される。
合金Inconel(R)600は、重量パーセントで、少なくとも72%のニッケル、14から17%のクロム、6から10%の鉄、最大1%のマンガン、最大0.5%の銅、最大0.5%のシリコン、最大0.15%の炭素および最大0.015%の硫黄を含む合金である。
合金Inconel(R)625は、重量パーセントで、少なくとも58%のニッケル、20から23%のクロム、最大5%の鉄、8から10%のモリブデン、3.15から4.15%のニオブ、最大1%のコバルト、最大0.5%のマンガン、最大0.4%のアルミニウム、最大0.4%のチタン、最大0.5%のシリコン、最大0.1%の炭素、最大0.015%の硫黄および最大0.015%のリンを含む合金である。
合金Inconel(R)718は、重量パーセントで、50から55%のニッケル、17から21%のクロム、2.8から3.3%のモリブデン、4.75から5.5%のニオブ、最大1%のコバルト、最大0.35%のマンガン、最大0.3%の銅、0.2から0.8%のアルミニウム、0.65から1.15%のチタン、最大0.35%のシリコン、最大0.08%の炭素、最大0.015%の硫黄、最大0.015%のリンおよび最大0.006%のホウ素を含み、残りは鉄とすることができる合金である。
Rolled Alloys社によってRA 602 CA(R)という名称で市販されている合金、Haynes International社によってHAYNES(R)214(R)という名称で市販されている合金、ならびにHaynes International社によってHAYNES(R)230(R)という名称で市販されている合金もまた、ニッケル合金として使用することができる。
合金RA 602 CA(R)は、重量パーセントで、24から26%のクロム、0.15%から0.25%の炭素、1.8から2.4%のアルミニウム、0.1から0.2%のチタン、0.05から0.12%のイットリウム、0.01から0.10%のジルコニウム、最大0.15%のマンガン、最大0.5%のシリコン、最大0.1%の銅、8から11%の鉄を含み、残りはニッケルである合金である。
合金HAYNES(R)214(R)は、重量パーセントで、16%のクロム、4.5%のアルミニウム、3%の鉄、最大2%のコバルト、最大0.5%のマンガン、最大0.5%のモリブデン、最大0.5%のチタン、最大0.5%のタングステン、最大0.15%のニオブ、最大0.2%のシリコン、最大0.1%のジルコニウム、0.04%の炭素、最大0.01%のホウ素、0.01%のイットリウムを含み、残りはニッケルである合金である。
合金HAYNES(R)230(R)は、重量パーセントで、22%のクロム、14%のタングステン、2%のモリブデン、最大3%の鉄、最大5%のコバルト、0.5%のマンガン、0.4%のシリコン、最大0.5%のニオブ、0.3%のアルミニウム、最大0.1%のチタン、0.1%の炭素、0.02%のランタン、最大0.015%のホウ素を含み、残りはニッケルである合金である。
毛細管ダクトの材料の変更は、後者に固有の全ての物理的パラメータ、特に熱的および電気的特性の変更を伴う。実際、これらの特性の結合が、熱毛細管の動作上の制約に、現在のその定義に大きな影響を与えることなく応じることを可能にすることは明らかではなかった。しかしながら、ニッケル基合金、特に上で説明されたInconel(R)合金は、推進剤流体の拡大した流量範囲にわたって容易に熱毛細管の機能を確保することを可能にすることが示される。これらの合金は、現在の流量コントローラの寸法および一体化の制約と互換性を保ちながら、熱制限に関連する問題を解決することを可能にする。特に、これらの合金は、ステンレス鋼の毛細管の高温にさらされる劣化メカニズムを回避することを可能にする。これらの劣化メカニズムは、毛細管チューブの酸化、チューブの壁の両側の材料内のクロムおよびニッケルの差別的偏析、ならびに炭化クロムの沈殿を含む。

Claims (14)

  1. 少なくとも1つの毛細管ダクトを備える熱毛細管装置タイプの、電気スラスタのための推進剤流体の流量を調整する装置(52)であって、少なくとも1つの毛細管ダクトは導電性であり、ダクトの温度変化の作用の下で推進剤流体の流量を調整することができ、前記少なくとも1つの毛細管ダクトがニッケル基合金を含むことを特徴とする、装置。
  2. 前記少なくとも1つの毛細管ダクトがニッケル基合金からなることを特徴とする、請求項1に記載の装置(52)。
  3. ニッケル基合金が、クロム、鉄、マンガン、銅、ニオブおよびモリブデンから選択される少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の装置(52)。
  4. ニッケル基合金が鉄を含むことを特徴とする、請求項3に記載の装置(52)。
  5. 鉄含有量が合金の10重量%以下であることを特徴とする、請求項4に記載の装置(52)。
  6. ニッケル基合金が鉄およびクロムを含むことを特徴とする、請求項4または5に記載の装置(52)。
  7. ニッケル基合金が、a)少なくとも72重量%のニッケル、14から17重量%のクロムおよび6から10重量%の鉄を含む合金、b)少なくとも58重量%のニッケル、20から23重量%のクロムおよび5重量%以下の鉄含有量を含む合金、およびc)50から55重量%のニッケルおよび17から21重量%のクロムを含む合金から選択されることを特徴とする、請求項6に記載の装置(52)。
  8. ニッケル基合金が、重量パーセントで、24から26%のクロム、0.15から0.25%の炭素、1.8から2.4%のアルミニウム、0.1から0.2%のチタン、0.05から0.12%のイットリウム、0.01から0.10%のジルコニウム、最大0.15%のマンガン、最大0.5%のシリコン、最大0.1%の銅、8から11%の鉄を含み、残りはニッケルであることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の装置(52)。
  9. ニッケル基合金が、重量パーセントで、16%のクロム、4.5%のアルミニウム、3%の鉄、最大2%のコバルト、最大0.5%のマンガン、最大0.5%のモリブデン、最大0.5%のチタン、最大0.5%のタングステン、最大0.15%のニオブ、最大0.2%のシリコン、最大0.1%のジルコニウム、0.04%の炭素、最大0.01%のホウ素、0.01%のイットリウムを含み、残りはニッケルであることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の装置(52)。
  10. ニッケル基合金が、重量パーセントで、22%のクロム、14%のタングステン、2%のモリブデン、最大3%の鉄、最大5%のコバルト、0.5%のマンガン、0.4%のシリコン、最大0.5%のニオブ、0.3%のアルミニウム、最大0.1%のチタン、0.1%の炭素、0.02%のランタン、最大0.015%のホウ素を含み、残りはニッケルであることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の装置(52)。
  11. 前記少なくとも1つの毛細管ダクトが電流源に接続されていることを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載の装置(52)。
  12. 請求項1から11のいずれか一項に記載の装置(52)を備えることを特徴とする、電気スラスタ(10)。
  13. 電気スラスタ(10)が、ホール効果プラズマスラスタであることを特徴とする、請求項12に記載の電気スラスタ(10)。
  14. 請求項12または13に記載の電気スラスタ(10)を備えることを特徴とする、衛星。
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