JP2692999B2 - 改良された推進力調節を有する静電イオン姿勢制御エンジン - Google Patents

改良された推進力調節を有する静電イオン姿勢制御エンジン

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の利用分野 この発明はスペースクラフトの推進力に関する。特に
この発明は、スペースクラフトを回転させるときに用い
る静電イオン姿勢制御エンジンに関する。
この発明は特定の実施例を参照して、ある応用例をこ
こに説明するが、この発明はこれらの応用例に限定され
るものではない。この分野の一般的な知識を有する人、
及びここに述べられた技術に詳しい人によって、補足的
な修正、応用、実施例がこの発明の範囲を越えることな
く考えられるのは明らかである。
従来技術の説明 化学物質推進燃料が地球の上空又は軌道上のスペース
クラフトの姿勢制御エンジンに対し用いられているが、
静電イオン推進力技術を用いたもう一つの方法がこの分
野で良く知られている。米国特許第3,052,088 発明者:
Davit及びその他の人、及び第3,156,090 発明者:Kaufm
an は代表的静電イオン推進力装置を開示した。特定の
強いインパルスを有する静電イオン姿勢制御エンジン
は、一般に化学物質の推進剤よりも少ない推進剤で同じ
推進力を得ることができる。これによって一般に機動時
間が延長される。機動時間は人工衛星の飛行任務時間に
ついての重要な限定要素であるから、静電イオン姿勢制
御エンジンを軌道上の人工衛星に採用することは有益で
ある。
しかし回転によって平衡のとれたスペースクラフトの
回転部分の状態維持を静電イオン姿勢制御エンジンによ
って行うには、スペースクラフトの高度を維持するため
に、ある推進力に関する調節を必要とすることが知られ
ている。即ち、システムの重心が回転軸に対してオフセ
ットであるとき、イオン姿勢制御エンジンは重心に対し
てトルクを生じる。所望のスペースクラフトの高度を維
持するのに十分なオフセットトルクを発生するために推
進力は、スペースクラフトの回転の特定の部分について
調節することができる。この推進力調節によって、化学
物質推進剤を望ましくないトルクを除くために用いる必
要がなくなり、イオン姿勢制御エンジン（即ち特定の強
いインパルス）の有用性を維持する一方、化学物質の排
出による汚染の危険性を軽減する。
更に調節されたイオン推進力は、化学物質推進剤より
も優れた機動時間とコストに関する重要な性能を提供す
る。このような有用性を実現する能力は、イオン推進力
システムの機動時間を減少せずに推進力を調節する能
力、又はスペースクラフトのシステムの互換性に依存す
る。
従来のあるイオン推進力調節技術は、排出ビームを形
成するために用いるスクリーンと加速装置電源の出力電
圧を調節することによって達成された。この技術ではス
クリーン電極からイオンに移されるエネルギーが減少す
る一方、イオンビーム流は本質的に一定に保たれた。こ
のエネルギーの減少は、イオンビームレット（ion beam
lets）の通過路の拡散を生じるイオンの低速化をもたら
した。イオンビームレットの拡散は、電極に入射するイ
オンを増加した。入射イオンの増加は、調節時の加速装
置電極の負電圧の増加と結び付いて、電極の消耗率を増
加し、スペースクラフトの飛行任務時間の追加的限定要
因となる。
イオンの低速化によって誘起されるスパッタリングに
よる付加的な欠点は、飛ばされた物質が敏感なスペース
クラフトの表面を汚染する場合があることである。
更に、イオン姿勢制御エンジンの動作中に、通常推進
力の60％又はそれ以下に調節を弱めることがしばしば望
まれる。この様な弱い推進力において、従来の調節され
たイオン姿勢制御エンジンによるイオンの電極への入射
は、電極の消耗が何回も増倍されるほど大きい。しかし
これは、所望のオフセットトルクを発生するために、延
長される調節の時間が必要となる。結果として、状態維
持動作を達成するために、姿勢制御エンジンを長い時間
動作しなければならない。このより長いデューティーサ
イクルの継続時間によって、飛行任務時間が減少する。
更に従来のシステムは一般に、十分な推進力調節を達
成するために、３グリット・イオン抽出アッセンブリを
必要とした。このようなアッセンプリ−は一般に重く、
コストが高く、製作するのが難しい。
従ってイオン推進剤の速度を減少することなく、推進
力調節を提供し、軽量、低コスト、長寿命のイオン姿勢
制御エンジンに対する需要がこの分野において多くある
のが良く知られている。
発明の概要 従来技術の欠点は、この発明の静電イオン姿勢制御エ
ンジンによって、実質的に克服される。この発明は、イ
オン推進剤の速度を減少することなく、推進力調節を提
供することによって、高性能、低コスト、長寿命の姿勢
制御エンジンを実現する。この発明は、プラズマを生成
する容器内に、気体推進剤をイオン化するイオン化手段
を含む。この発明は更に、プラズマからイオンビームを
放出するイオン抽出システムを含む。この発明の特に新
しい点は、アノードを介して電流を調節することによっ
て電流を調節する制御手段を提供することである。
図面の簡単な説明 第１図はこの発明の静電イオン姿勢制御エンジンの断
面図。
第２図はこの発明の静電イオン姿勢制御エンジンの電
気的接続の様子を示す図。
第３図はこの発明の放電用電源を示すブロック図。
第４図はカソード放出電流、イオンビーム流、及びこ
の発明によって生ずる推進力の直接の関係を示す図。
第５図はこの発明による高度制御システムの動作を示
すブロック図である。
発明の詳細な説明 第１図は一般的なイオン姿勢制御エンジン10の断面図
を示す。姿勢制御エンジン10はイオン化チャンバー12を
含む。このイオン化チャンバー12はシリンダー状の金属
導管性側壁11及び導電性端壁13によって形成される。イ
オン化チャンバーの側壁11及び端壁13は又、アノードと
しての機能を持ち、カソード14からの電子がこれによっ
て加速される。カソード14はバリューム酸化物BaO の
ような化学的に安定した金属の貯蔵器17に取り付けられ
る。例えば推進剤のキセノンが貯蔵器17からイオン化チ
ャンバー12へ供給される。推進剤気体は、必要通過量が
セットされた標準ソレノイド動作のバルブ19を通過し、
気体マニホールド28を通過し，プリナム（plenum）30を
通りイオン化チャンバー12へ流入する。推進剤のごく一
部が、自由電子を誘起するためにカソード14を通過す
る。カソード14の周囲にはカソードヒータ15が位置す
る。カソード14がカソードヒータ15によって加熱したと
き、カソード14は誘起され電子を放出する。カソード保
持器16は金属シリンダー又は、カソード14の反対側が開
放されている他の適切な導電性金属であり、ここからカ
ソード14から放出された電子が引き出される。
磁石18の配列はイオン化チャンバー12の一部を取り囲
んでいる。磁石18はこの分野で知られているように、永
久磁石又は電磁石でもよい。磁石18によって生じた磁場
はカソード14によって生成されたイオン化チャンバー12
内の電子を包含する。従ってイオン化チャンバー12は、
気体分子のプラズマと、カソード14によって放出された
電子の衝突によって生じた、イオン化チャンバー12内の
気体のイオンを包含する。
イオン抽出アッセンブリ20はイオン化チャンバー12の
端壁13及びカソード14に対して反対側端に位置する。イ
オン抽出アッセンブリ20はプラズマに含まれるイオンを
イオン化チャンバー12から高速度で発射し、それによっ
てプラスイオンを生成し推進力を発生する。イオン抽出
アッセンブリ20は、スペースクラフトのグランドに対し
てプラスに充電されるスクリーン電極22,及び加速スク
リーン電極22に対してマイナスに充電される加速電極24
を含む。加速電極24の負電荷は電気的コネクタ23によっ
て供給される。両方のスクリーン電極22および加速電極
24は網鉄又は他の適切な強靭の物質で造られる。複数の
ホール52が電極22および24に設けられ、これによって推
進剤イオンが姿勢制御エンジン10から発射される。中和
アッセンブリ32はイオン化チャンバー12の近傍に位置す
る。
中和アッセンブリ32はスペースクラフトからのプラス
イオン流及びプラスイオンビームの空間電荷を補償する
ために電子を放出する。この動作によってスペースクラ
フトの電位が中間電位に保たれる。中和アッセンブリ32
は電子を供給する中和カソード34及び中和カソード34か
らの電子の放出を誘起する第２カソードヒータ35、及び
カソード34から電子を引き出す中和保持器36を含む。推
進剤のごく一部は、電子を中和アッセンブリ32から押し
出すために気体マニホールド28を通り、中和カソード34
を通過する。
第２図はこの発明による電源と制御回路を示す略ブロ
ック図内におけるイオン姿勢制御エンジン10を概略的に
示す。ビーム電源40はグランドとカソード14の間に接続
される。ビーム電源40の出力電圧は可変であり、飛行計
画に従って従来のスラスター（thruster）電源プロセッ
サ42により制御される。従来の加速電源44はグランドと
加速電極24の間に接続され、スペースクラフトに対して
加速電極24に負電圧を供給する。加速電源44の出力電圧
も又可変であり、スラスター電源プロセッサ42によって
制御される。
この発明によってコントローラ45に応答するように修
正された従来の放電用電源46は、ビーム電源40の正側
と、イオン化チャンバー12の側壁11及び端壁13によって
構成されるイオン姿勢制御エンジンのアノード間に接続
される。放電用電源46は、カソード14と、アノード11及
び13の間の電位差を供給する。放電用電源46の電流はコ
ントローラ45によって制御される。
一般的なカソード保持電源48はカソード14とカソード
保持器16の間に接続され、カソード保持器16にカソード
14に対し正電位を供給する。中和電源50は中和カソード
34と中和保持器36の間の電位差を供給する。中和カソー
ド34はグランドへ接続されている。またコントローラ45
は中和保持電源50を制御する。一般的なヒータ（図示さ
れていない）はカソード14及び中和カソード34の両方に
設けられている。
コントローラ45から出力される信号は機上のマイクロ
プロセッサ又はこの分野で知られる地上ステーションな
どから供給することができる。これらによって供給され
る制御信号は推進力を初期化又は制御するのに効果があ
る。
第３図は放電用電源46のブロック図である。コンパレ
ータ54はコントローラ45から信号を受信し、この信号を
参照電圧と比較する。コンパレータの出力電圧は、第２
参照電圧と伴に飽和反応器56に接続される。この分野で
知られるように、飽和反応器56は、電圧入力を可変電流
出力に変換するために用いることができる。飽和反応器
56は、コントローラ45からの信号に従って制御される電
流を供給する。飽和反応器は全波整流器58に接続され、
可変正電流を供給する。この分野に詳しい人であれば、
あらゆる電流制御電源がこの発明の範囲を越えることな
く用いることができるのは明らかである。
スラスター電源プロセッサ42は電源40、44、46、48、
50、及びヒータ電源（図示されていない）を順番に作動
させる。コントローラ45からの信号が、スラスター電源
プロセッサ42を作動することによって、姿勢制御エンジ
ン10の動作を初期化し、更にスラスター電源プロセッサ
42はある配線を介して（図示されていない）、ソレノイ
ドバルブ19を開く。電流はヒータ電源からカソードヒー
タ15及び35を流れ、カソード14及び34からの電子放出を
初期化する。カソード14及び34から電子を引き出すため
に、カソード保持電源48及び中和保持電源50によって、
電圧がカソード保持器16と中和カソード保持器36に印加
される。その後、推進剤気体は貯蔵器17から、バルブ19
及びマニーホールド28、プリナム30を通り、イオン化チ
ャンバー12へ流出可能となる。マニーホールド28はカソ
ード14及び中和アッセンブリ32を介して少量の気体を通
過させる。カソード14を介したこの気体流はカソードオ
リフィスを介してイオン化チャンバー12へ掃き出され
る。放電用電源46によって発生したイオン化チャンバー
12とカソード14間の電位差によって、電子は側壁11及び
端壁13に向かって加速する。イオン化チャンバー12内の
電子と推進剤の衝突によって推進剤のイオン化が誘起さ
れプラズマが生成する。イオン化チャンバー12内のイオ
ンの濃度は、全粒子群の約10〜15％とすることができ
る。電子は、側壁11及び端壁13に設けられた磁石18によ
って発生した磁場のためにイオン化チャンバー12内に含
まれる。電子と気体イオンの放電プラズマがイオン化チ
ャンバー内に生成される。
イオン抽出アッセンブリ20は、プラスに充電されたス
クリーングリット22及びマイナスに充電された加速グリ
ット24の通過するプラスに帯電したイオンを二つのグリ
ット間の電界によって加速させる。各グリットはイオン
を通過させる宇宙空間に放出するために直線上に配置さ
れた複数のホール52を備え、それらホールは寸法誤差を
最小にし電子のグリットへの照射を極力押さえている。
姿勢制御エンジンはイオン抽出アッセンブリ20を介して
加速したイオンビームによって前進する。
軌道上のスペースクラフトは進路を妨害する数多くの
力を受ける。スペースクラフトのドリフトは適切な時間
に行われる姿勢制御エンジンの点火によって、過度な軌
道結節において校正することができる。特許出願、推進
力調節静電イオン姿勢制御エンジンを装備したスペース
クラフト及びこれに関連する方法（出願番号第 07/04
1,564 1987年４月23日付）によって開示されたような
従来のシステムにおいて、オフ（off）軸姿勢制御エン
ジンは、スペースクラフトの重心を通る方向の推進力を
発生するため、又は高度の校正をするために、適切な時
間にオフパルスであろう。オフパルシング（Off−pulsi
ng）は、全体の回転の中の特定の時間における姿勢制御
エンジンの遮蔽、又は推進力を減少する方法である。し
かし従来の静電イオン姿勢制御エンジンのオフパルシン
グは、姿勢制御エンジンの寿命を減少する原因となっ
た。
この発明は静電イオン姿勢制御エンジンに対して、二
つの零ではないレベルの間の推進力レベルＦを調節する
ことによって推進力調節を提供する。これは第４図に示
されるように、カソード放出電源JEを調節することによ
って達成される。このカソード放出電流の調節は放電用
電源46の電流を調節することによって行われる。カソー
ド放出電流の調節によりイオン化チャンバー12内のイオ
ンの濃度が修正される。このイオン化チャンバー12内の
イオン濃度変化により、イオン抽出アッセンブリ20を介
したイオンビーム流JBが効果的に変化し、その結果イオ
ン姿勢制御エンジン10の推進力レベルが変化する。
第５図は従来の高度制御システムの動作ブロック図で
ある。相対角度センサー82はスペースクラフトのディス
パンプラットホーム（despun platform）に対する回転
ロータの位置を検出する。高度センサー80はスペースク
ラフトの高度を検出する。この情報は高度制御プロセッ
サ84に入力され、所望の高度を得るために、スペースク
ラフトの現在の高度を判断し、所望の調節波信号を発生
する。この調節波信号は所望の高度校正を行うために、
前記した方法で推進力を調節するコントローラ45に入力
される。
この発明は説明上の実施例及び特定の応用例を参照し
て説明されたが、この発明はこれらに限定されるもので
はない。この分野に詳しい人、及びこの発明の技術的内
容が理解できる人が、この発明の範囲を越えることのな
い付加的な修正、応用、及び実施例を考えられるのは明
らかである。例えば、姿勢制御エンジン10のイオン抽出
アッセンブリ20は、この発明の範囲を越えることなく減
速電極を含むことができる。
従って、この発明の範囲内における、このようなあら
ゆる修正、応用、及び実施例は、添付した特許請求の範
囲によって意図されるものである。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子を供給するカソード手段（14、15、1
    6）、及び気体推進剤をイオン化するため電子を加速す
    るアノード手段（11、13）を備え、チャンバー（12）内
    で前記気体推進剤からプラズマを生成するイオン化手段
    と； 前記プラズマからイオンビームを抽出するイオン抽出手
    段（20）；及び コントローラ（45）及び放電用電源（46）を含み、前記
    イオンビームの流量を調節する制御手段（45、46）を具
    備し、 前記放電用電源（46）の電流は前記コントローラ（45）
    により制御され、それにより前記カソード放出電流を調
    節し、前記チャンバ（12）内のイオン濃度を変化させる
    ことを特徴とする静電イオン姿勢制御エンジン。
  2. 【請求項２】前記コントローラ（45）は前記放電用電源
    （46）に所望推進レベルに対応する信号を供給すること
    により前記放電用電源（46）の電流を制御することを特
    徴とする請求項１記載のイオン姿勢制御エンジン。
  3. 【請求項３】前記放電用電源（46）は： 制御電圧を発生するために、前記コントローラからの入
    力電圧を参照電圧と比較するコンパレータ手段（54）
    と； 前記参照電圧と前記制御電圧を処理し、可変電流出力を
    生成する飽和反応器手段（56）と；及び 前記可変電流出力を可変正電流に変換する全波整流器手
    段（58）を具備することを特徴とする請求項２記載のイ
    オン姿勢制御エンジン。
  4. 【請求項４】カソード（14）とアノード（11、13）を備
    えたイオン化アッセンブリを有する静電イオン姿勢制御
    エンジン（10）の推進力を調節する方法であって、 ａ）チャンバー内に気体推進剤を供給するステップと； ｂ）プラズマを生成するために前記気体推進剤をイオン
    化するステップと； ｃ）前記プラズマからイオンビームを発射させるステッ
    プと； ｄ）放電用電源（46）の電流を制御し、前記カソードの
    放出電流を調節することにより前記イオンビームの流量
    を調節し、前記イオン姿勢制御エンジン（10）の推進力
    レベルを変化させるステップを具備することを特徴とす
    る静電イオン姿勢制御エンジンの推進力調節方法。
JP1501932A 1987-12-11 1988-10-11 改良された推進力調節を有する静電イオン姿勢制御エンジン Expired - Fee Related JP2692999B2 (ja)

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