JP3906549B2

JP3906549B2 - 液体金属イオンスラスタ

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Publication number: JP3906549B2
Application number: JP03714498A
Authority: JP
Inventors: 敏之尾崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: JPH11230024A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、宇宙航行体に搭載して推力を発生する液体金属イオンスラスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は宇宙航行体に搭載して推力を発生する従来のイオンスラスタを示す図であり、図において、１はイオンスラスタ、２はプラズマ生成室、３はガス供給口、４はイオン化されるガス、５はヒーター用電源、６は陰極、７はヒーター、８は電子、９は陰極点火放電維持用電源、１０は陰極点火放電維持用電極、１１はプラズマ生成室点火放電維持用電源、１２は陽極、１３は磁石、１４はポールピース、１５は磁力線、１６はプラズマ、１７はプラズマ生成室用電源、１８は加速グリッド用電源、１９は加速グリッド電極、２０はスクリーングリッド電極、２１はイオン電流である。
【０００３】
次に動作について、図１５を用いて説明する。まずプラズマ生成室２内にガス供給口３からキセノン等のイオン化されるガス４を導入し、プラズマ生成室２をガス雰囲気とする。次にヒーター用電源５をオンし、陰極６をヒーター７で加熱し、電子８を放出させる。なお陰極には中空陰極を用いることが多い。その場合には中空陰極にもイオン化されるガスを供給し、陰極加熱と同時に陰極点火放電維持用電源９をオンし、陰極点火放電維持用電極１０に高電圧を印加する。放電発生と共にプラズマが生成し、陰極が点火する。点火後は陰極中空部に生成したプラズマにより陰極加熱が行われるため、ヒーター７による加熱は停止する。なお陰極点火放電維持用電源９は放電を誘起するために点火前は定電圧モードで動作し、点火後はプラズマ密度を一定とするため定電流モードで動作させる。陰極が点火した後、プラズマ生成室点火放電維持用電源１１をオンし、陽極１２に高電圧を印加し、放電を発生させる。放電に係る電子電流は陰極６から発生した電子８からなる。電子８は磁石１３とポールピース１４によってプラズマ生成室２に形成された磁力線１５に拘束され、いわゆるラーマー運動をしながら、プラズマ生成室２内のガス密度とガス−電子間の衝突断面積によって決まる平均自由行程程度飛行するとガス粒子４と衝突し、プラズマ１６が生成する。なお衝突断面積は電子のエネルギーの関数である。またプラズマ生成室点火放電維持用電源１１をプラズマ生成前は定電圧モードで動作させ、プラズマ生成後は定電流モードで動作させることは陰極点火放電維持用電源９と同様である。また、プラズマ生成室２の構造が同じ時、プラズマ密度はほぼガス密度、放電に係る電子のエネルギー、電子密度の積で決まる。プラズマが生成した後、プラズマ生成室用高圧電源１７をオンし、プラズマ生成室２全体を１ｋＶ程度の正の高電位に浮かし、かつ加速グリッド用高圧電源１８をオンし、加速グリッド電極１９に負の高電位を印加する。この時プラズマ生成室２と同電位のスクリーングリッド電極２０と加速グリッド電極１９からなる引出系が形成する正電界によりプラズマ１６からイオン電流２１が引き出される。推力はイオン電流が噴出することで発生し、その大きさはイオン電流×（２×イオン質量／イオン電荷×引出電圧）^1/2である。ここで引出電圧はスクリーングリッド電極２０と加速グリッド電極１９に印加される電圧の差である。
【０００４】
さて、従来のイオンスラスタでは推力の大きさを変更するためにプラズマ生成室２内のプラズマ密度を変化させたり、引出電圧を変化することで実施していた。イオン電流２１はプラズマ密度に比例するため、プラズマ密度を制御することで、イオン電流２１すなわち推力を制御できる。プラズマ密度を変化させるには、放電に係る電子電流を増減することで電子密度を増減したり、ガス４の流量を変更してプラズマ生成室２のガス密度を変化することで実施する。また引出電圧を変更することでも推力を変更することができる。スクリーングリッド電極２０及び加速グリッド電極１９の印加電圧を変更すると、プラズマのイオン放出面に印加される電界強度が変化するため、イオン電流すなわち推力を制御できる。また従来、推力ベクトルの方向を変更するためには、イオンスラスタ１をジンバル機構に設置し、ジンバルを機械的に動かしてイオンスラスタ１の向きを変更することで実施してきた。それは従来のイオンスラスタ１は一枚の電極に多数の孔を開けたイオン電流引出系を用いており、推力ベクトルの方向が一方向であるためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこのように構成されたイオンスラスタ１は推力を発生する際、プラズマからイオンを抽出するため、また一枚の電極に多数の孔を開けたグリッド電極１９，２０でイオンを抽出するため、宇宙航行体の推進装置として利用するためには次のような問題があった。宇宙航行体に搭載される推進装置は推力が可変であることを要求されることが多い。その時、プラズマ生成室２内のプラズマ密度を変化させたり、グリッド電極１９，２０に印加する電圧を変化させたりして、イオン電流２１を制御する。ところが、低推力に制御する時にガス流量一定で放電電流を低下するとガス利用効率が低下し、イオン電流発生に寄与しない無駄なガス量が増加する。また、放電電流一定でガス流量を低下するとイオン電流に対する放電電力が上昇、すなわち、電力効率が悪化し、電力を有効利用することができない。
【０００６】
また、宇宙航行体は推力方向制御を必要とする場合があるが、従来のイオンスラスタは単一のグリッド電極を利用してイオン電流を引き出すため、引出方向を制御することができない。そこで、イオンスラスタ本体をジンバル等に設置し、イオンスラスタの向きを機械的に変更する必要がある。このことはイオンスラスタ以外にジンバル駆動機構、駆動用動力源、制御系等の追加が必要となり、システムの複雑化を招く。
【０００７】
この発明は上記のような課題を改善するためになされたものであり、電力効率やガス利用効率を低下させずに推力を可変とし、ジンバル機構を利用すること無しに推力ベクトル方向の変更を可能とするイオンスラスタを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明による液体金属イオンスラスタは、推力を可変にできるように、また、推力ベクトルの方向を変更できるように、イオン化する金属を貯蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、貯蔵部封止蓋から突出した針状電極と、貯蔵部に接したヒーターと、貯蔵部封止蓋と対向する位置に針状電極に電界を形成する有孔電極を配したイオン源をマトリックス状に並べたイオン発生部と、ヒーターに電力を供給する電源と、有孔電極に電圧を印加する電源と、ヒーターとヒーター用電源を繋ぐ電気的経路の間にヒーターを選択するスイッチとを具備したものである。
【０００９】
第２の発明による液体金属イオンスラスタは、推力を可変にできるように、また、推力ベクトルの方向を変更できるように、イオン化する金属を貯蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、貯蔵部封止蓋から突出した針状電極と、貯蔵部に接したヒーターと、貯蔵部封止蓋と対向する位置に針状電極に電界を形成する有孔電極を配したイオン源をマトリックス状に並べたイオン発生部と、ヒーターに電力を供給する電源と、有孔電極及び貯蔵部封止蓋に電圧を印加しイオンを引き出す電源と、貯蔵部封止蓋とイオン引出電源の正極とを繋ぐ電気的経路の間に貯蔵部封止蓋を選択するスイッチと、有孔電極とイオン引出電源の負極とを繋ぐ電気的経路の間に有孔電極を選択するスイッチを具備したものである。
【００１０】
第３の発明による液体金属イオンスラスタは、推力を可変にできるように、また、推力ベクトルの方向を変更できるように、イオン化する金属を貯蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、貯蔵部封止蓋から突出した針状電極と、貯蔵部封止蓋と対向する位置に針状電極に電界を形成する有孔電極を配したイオン源をマトリックス状に並べたイオン発生部と、有孔電極に電圧を印加する電源と、イオン発生部に電子ビームを照射する電子偏向手段を有した電子発生手段を具備したものである。
【００１１】
第４の発明による液体金属イオンスラスタは、推力を可変にできるように、また、推力ベクトルの方向を変更できるように、イオン化する金属を貯蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、貯蔵部封止蓋から突出した針状電極と、貯蔵部封止蓋と対向する位置に針状電極に電界を形成する有孔電極を配したイオン源をマトリックス状に並べたイオン発生部と、有孔電極に電圧を印加する電源と、イオン発生部にレーザー光を照射するレーザー偏向手段を有したレーザー発生手段を具備したものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１はこの発明の実施の形態１による、イオン化する金属を貯蔵する貯蔵部を独立にヒーター加熱し、イオン化する金属を個々のイオン源の針状電極に供給することで推力可変動作及び推力ベクトル方向変更動作が可能な液体金属イオンスラスタの構成を示す図であり、図において、１はイオンスラスタ、５はヒーター用電源、７はヒーター、２１はイオン電流、２２はヒーター選択用スイッチ、２３は液体金属貯蔵部、２５は供給孔を有する貯蔵部封止蓋、２６は針状電極、２７はイオン引出用電源、２８はイオン引出有孔電極である。また図２は液体金属イオン源のイオン発生原理を説明する図であり、２４は低融点金属である。また図３は最大推力発生時のヒーター選択用スイッチの設定状態を説明する図である。また図４は推力変更時及び推力ベクトル方向変更時のヒーター選択用スイッチの設定状態を説明する図である。
【００１３】
次に動作について図１〜４を用いて説明する。イオンスラスタ１はマトリックス状に配された多数の液体金属イオン源から構成する。個々の液体金属イオン源は液体金属貯蔵部２３、貯蔵部封止蓋２５、針状電極２６、イオン引出有孔電極２８、ヒーター７から構成する。ここで貯蔵部封止蓋２５とイオン引出有孔電極２８はそれぞれの開孔が対向するように配置し、これらは電気的に絶縁している。また針状電極２６は貯蔵部封止蓋２５の供給孔から突出するように配置し、針状電極２６とイオン引出有孔電極２８も電気的に絶縁している。マトリックス状に配置された液体金属イオン源の全てのイオン引出有孔電極２８は纏めてイオン引出用電源２７の負極に接続され、全ての貯蔵部封止蓋２５は纏めてイオン引出用電源２７の正極に接続する。ヒーター選択スイッチ２２の構成は設定と共に後述する。イオンスラスタ１の動作は次のようになる。まずヒーター用電源５をオンし、ヒーター選択用スイッチ２２を所定の設定とする。この時イオンを発生する液体金属イオン源のヒーター７のみに通電し、貯蔵部２３を加熱する。貯蔵部２３に貯蔵された例えばインジウムやガリウム等の低融点金属２４は熔融し、貯蔵部封止蓋２５の供給孔から針状電極２６に供給される。ここでイオン引出用電源２７をオンし、イオン引出有孔電極２８に負の高電圧、貯蔵部封止蓋２５に正の高電圧を印加する。この時貯蔵部封止蓋２５と針状電極２６は液体金属を介して同電位であるため、針状電極２６の針先に高電界が発生する。液体化した金属２４は静電力により針先方向に引かれる。一方、液体化した金属には表面張力があり、元の形状を保とうとする。静電力と表面張力とのバランスで、液体化した金属は所謂テーラーコーンと呼ばれる円錐形状を形成する。この時、円錐の頂点部分は更に高電界となり、液体化した金属は電界蒸発し、イオン電流２１として引き出される。ここで引き出されるイオン電流は高々数μＡである。例えばイオン電流を５μＡ、引出電圧を１ｋＶとすると、イオンがインジウムであれば１８μＮに、ガリウムであれば１４μＮに相当する。この程度の推力は従来のイオンスラスタの数十〜数百ｍＮという推力と比較すると小さいが、液体金属イオン源を数百個×数百個マトリックスに配置することで従来の推力と等価なものを構成できる。
【００１４】
次にイオンスラスタのヒーター選択用スイッチ２２の設定を図３を用いて説明する。まずヒーター選択用スイッチ２２の構成を説明する。ヒーター７には例えば円盤状のカーボンヒーターを用いる。さてヒーター７に通電する電気的経路はヒーター７に電流が流入する経路と電流が流出する経路がある。これら２系統の電気的経路に別個に電流を切断するスイッチを配する。例えばイオン源をＮ個×Ｎ個の液体金属イオン源のマトリックスで形成する場合、電流流入経路に配されるスイッチ、電流流出経路に配されるスイッチは共にＮ個となる。これらＮ個の電流流入経路に配されるスイッチとＮ個の電流流出経路に配されるスイッチをそれぞれ纏めてヒーター選択用スイッチ２２ａ，２２ｂとする。電流流入経路のヒーター選択用スイッチはヒーター用電源５の正極に接続され、電流流出経路のヒーター選択用スイッチはヒーター用電源５の負極に接続される。全イオン源を動作させる場合、ヒーター選択用スイッチ２２ａ及び２２ｂを全閉としておき、ヒーター用電源５をオンする。この時全てのイオン源のヒーター７に通電され貯蔵部が加熱され、全ての針状電極にイオン化する金属が供給される。次にイオン引出用電源２７をオンすると全ての針状電極２６に高電界が印加され、イオン電流が引き出される。この時がイオンスラスタの最大出力時である。
【００１５】
次にイオンスラスタを構成するイオン源を選択的に動作させる場合のヒーター選択用スイッチの設定を図４を用いて説明する。この時が推力可変動作、推力ベクトルの方向変更時である。例えば、７ａのヒーターを有する１つのイオン源のみ動作させる場合を説明する。ヒーター選択用スイッチ２２ａのイ及び２２ｂのロのみ閉とし、その他のスイッチは開としておき、ヒーター用電源５をオンする。この時イオン源７ａのヒーターのみ通電されイオン化される金属が針状電極２６に供給される。次に引出電源２７をオンし、針状電極２６に高電界を印加すると７ａのヒーターを有するイオン源のみからイオン電流が引き出される。こうした選択動作はヒーター選択用スイッチ２２の設定により任意の数のイオン源に対して可能であり、任意の位置に配されたイオン源に対しても可能である。
【００１６】
実施の形態２
図５はこの発明の実施の形態２による、イオン引出有孔電極に独立に電圧を印加することで推力可変動作及び推力ベクトルの方向変更動作が可能な液体金属イオンスラスタの構成を示す図であり、図において、１はイオンスラスタ、５はヒーター用電源、７はヒーター、２１はイオン電流、２３は液体金属貯蔵部、２５は供給孔を有する貯蔵部封止蓋、２６は針状電極、２７はイオン引出用電源、２８はイオン引出有孔電極、２９は針状電極選択スイッチ、３０は引出電極選択スイッチである。また図６は最大推力発生時の針状電極選択スイッチ及び引出電極選択スイッチの設定状態を説明する図である。また図７は推力変更時、推力ベクトルの方向変更時の針状電極選択スイッチ及び引出電極選択スイッチの設定状態を説明する図である。
【００１７】
次に動作について図５〜７を用いて説明する。まずイオンスラスタを構成する液体金属イオン源を全て動作させる場合を図５及び図６を用いて説明する。イオンスラスタ１を構成する液体金属イオン源の構成は実施の形態１と同じである。マトリックス状に配置された液体金属イオン源の全てのヒーター７の電流流入経路は纏めてヒーター用電源５の正極に接続し、全ての電流流出経路は纏めてヒーター用電源５の負極に接続する。針状電極選択用スイッチ２９と引出電極選択スイッチ３０の構成は次のようになる。液体金属イオン源の貯蔵部封止蓋２５を行方向に電気的経路で繋ぎ、液体金属イオン源のイオン引出有孔電極２８を列方向に電気的経路で繋ぐ。例えばイオン源をＮ個×Ｎ個の液体金属イオン源のマトリックスで形成する場合、貯蔵部封止蓋に係る電気的経路はＮ本、イオン引出有孔電極に係る電気的経路はＮ本となる。Ｎ×２本の電気的経路は正極、負極を選択するスイッチを介してイオン引出用電源２７に接続する。なお針状電極２６は液体金属を介して貯蔵部封止蓋２５と同電位となる。針状電極２６に係る電気的経路の正極／負極選択スイッチを纏めて針状電極選択スイッチ２９を構成し、イオン引出有孔電極２８に係る電気的経路の正極／負極選択スイッチを纏めて引出電極選択スイッチ３０を構成する。イオンスラスタ１の動作は次のようになる。まずヒーター用電源５をオンし、ヒーター７に通電、液体金属貯蔵部２３を加熱し、イオン化される金属を溶融し、貯蔵部封止蓋２５の供給孔から針状電極２６に供給しておく。次に引出用電源２７をオンし、イオン引出有孔電極２８に高電圧を印加することで針状電極２６の先端に高電界を発生させる。この時針状電極選択スイッチ２９をイオン引出用電源２７の正極に繋ぎ、引出電極選択スイッチ３０を引出用電源２７の負極に繋ぐ。この時全ての針状電極２６に高電界が印加され、イオン電流が引き出される。この時が本スラスタの最大出力時である。
【００１８】
次に液体金属イオン源集合体を選択的に動作させる時を図５及び図７を用いて説明する。この時が推力可変動作、推力ベクトルの方向変更時である。まずヒーター電源５をオンし、ヒーター７に通電、液体金属貯蔵部２３を加熱し、イオン化される金属を溶融し、溶融した金属が貯蔵部封止蓋２５の供給孔から針状電極２６に供給するのは最大出力時動作と同様である。例えば、２８ａのイオン引出有孔電極を有するイオン源のみ動作させる場合を説明する。針状電極選択スイッチ２９のイのみをイオン引出用電源２７の正極に繋ぎ、その他のスイッチをイオン引出用電源２７の負極に繋ぎ、また引出電極選択スイッチ３０のロのみをイオン引出用電源２７の負極に繋ぎ、その他のスイッチをイオン引出用電源２７の正極に繋ぐ。この時イオン引出用電源２７をオンすると、イオン引出有孔電極２８ａを有するイオン源の針状電極２６にのみ正の高電界が印加されイオン電流が引き出される。その他のイオン源には負の高電界が印加されるためイオン電流は引き出されない。こうした選択動作は任意の数のイオン源に対して可能であり、また任意の位置に配されたイオン源に対しても可能であることは言う迄もない。
【００１９】
実施の形態３
図８はこの発明の実施の形態３による、イオン化する金属を貯蔵する貯蔵部を電子ビームによって独立に加熱することで推力可変動作及び推力ベクトルの方向変更動作が可能な液体金属イオンスラスタの構成を示す図であり、図において、１はイオンスラスタ、２１はイオン電流、３１は電子ビーム発生装置、３２は電子ビーム用陰極、３３は引出加速レンズ、３４は収束レンズ、３５は偏向レンズ、３６は電子ビームである。また図９はイオンスラスタの拡大図であり、１はイオンスラスタ、２１はイオン電流、２３は液体金属貯蔵部、２５は貯蔵部封止蓋、２６は針状電極、２７はイオン引出用電源、２８はイオン引出有孔電極である。また図１０は偏向レンズを静電偏向レンズで構成した例である。また図１１は最大推力発生時の静電偏向レンズ駆動電圧、推力変更時及び推力ベクトルの方向変更時の静電偏向レンズ駆動電圧の例を示す図である。
【００２０】
次に動作について図８〜１１を用いて説明する。図９でイオンスラスタ１は図１の実施の形態１からヒーター用電源５、ヒーター７及びヒーター選択用スイッチ２２を除いたものである。図８で収束レンズ３４は電界収束レンズで構成しても電磁収束レンズで構成しても良い。また、偏向レンズ３５も静電偏向レンズ、電磁偏向レンズ何れで構成しても良い。収束レンズ３４には電子ビーム収束に必要な電場もしくは磁場を形成するため、電界収束レンズの場合は所定の電圧を、電磁収束レンズの場合は所定の電流を印加する。また偏向レンズ３５の動作の一例として静電偏向レンズで構成した場合の動作は次のようになる。この時偏向レンズは図１０に示すように例えば対向する２組の電極板３５ａ，３５ｂから構成される。さて、電子ビームの偏向距離は偏向板の長さ×偏向板中心からイオンスラスタ迄の距離×偏向板に印加する電圧／（２×偏向板間隔×加速電圧）で表される。従って偏向板３５ａ，３５ｂに印加する電圧を変更することで偏向距離を変更することができ、任意の位置のイオン源に電子ビームを照射、加熱することができる。例えばイオンスラスタ１の全イオン源を加熱するため、図１１（Ａ）のように電子ビームを走査する時横方向偏向板３５ａには図１１（ａ）に示す周期的な駆動電圧波形を印加し、縦方向偏向板３５ｂには横方向偏向板駆動電圧に同期して図１１（ｂ）に示す周期的な駆動電圧波形を印加する。ここで電圧ＶＸ，ＶＹはそれぞれ横方向偏向距離最大、縦方向偏向距離最大となる位置にあるイオン源に電子ビームを照射するために必要な電圧である。なお偏向距離は偏向板３５ａ，３５ｂに電圧を印加しない時、電子ビームが照射する位置を基準とする。また、イオン源を選択的に動作させる場合には偏向レンズ３５の偏向動作を所望のイオン源の貯蔵部のみ走査するようにしておく。例えば図１１（Ｂ）に示す横方向位置Ｘ１からＸ２、縦方向位置Ｙ１からＹ２の範囲にあるイオン源を動作させるためには横方向偏向板、縦方向偏向板にそれぞれ図１１（ｃ）、図１１（ｄ）の駆動電圧を印加する。ここで電圧ＶＸ１，ＶＸ２，ＶＹ１，ＶＹ２はそれぞれ横方向偏向距離Ｘ１の位置、横方向偏向距離Ｘ２の位置、縦方向偏向距離Ｙ１の位置、横方向偏向距離Ｙ２の位置にあるイオン源に電子ビームを照射するために必要な印加電圧である。
【００２１】
イオンスラスタ１の全イオン源を動作させる場合の動作は次のようになる。まず電子ビーム発生装置３１の電子ビーム用陰極３２を加熱し、熱電子がエミッションできる温度とする。また収束レンズ３４には所定の電圧もしくは電流を印加し、偏向レンズ３５の偏向動作はイオンスラスタ１の全てのイオン源を走査するように設定しておく。ここで引出加速レンズ３３に所定の電圧を印加すると、電子ビーム用陰極３２から電子ビーム３６が引き出される。電子ビーム３６は収束レンズ３４により加速収束され、偏向レンズ３５により全てのイオン源貯蔵部２３を加熱するように走査される。電子ビーム照射により、液体金属貯蔵部２３が加熱され、イオン化する金属を溶融し、貯蔵部封止蓋２５の供給孔から全ての針状電極２６に供給される。次に引出用電源２７をオンしイオン引出有孔電極２８に電圧を印加すると全ての針状電極２６に高電界が印加され、イオン電流２１が引き出される。また、イオン源を選択的に動作させる場合には偏向レンズ３５の偏向動作を所望のイオン源の貯蔵部のみ走査するようにしておく。電子ビーム３６は全イオン源を動作させる場合と同様に、加速収束し、偏向レンズを経てイオンスラスタに到達する。この時電子ビームが照射され、液体金属貯蔵部２３が加熱されたイオン源のみからイオン電流が引き出される。こうした選択動作は任意の数のイオン源に対して可能であり、任意の位置に配されたイオン源に対しても可能である。
【００２２】
実施の形態４
図１２はこの発明の実施の形態４による、イオン化する金属を貯蔵する貯蔵部をレーザー光によって独立に加熱することで推力可変動作が可能な液体金属イオンスラスタの構成を示す図であり、図において、１はイオンスラスタ、３７はレーザー発生手段、３８はレーザー光偏向手段、３９はレーザー発振器、４０はレーザー光、４１は収束レンズである。また図１３はレーザー光偏向手段を回転駆動反射鏡で構成した例である。また図１４は最大推力発生時の反射鏡駆動角度、推力変更時及び推力ベクトルの方向変更時の反射鏡駆動角度の例を示す図である。
【００２３】
次に動作について図９及び図１２〜１４を用いて説明する。レーザー光偏向手段３８は例えば図１３に示すように独立に回転駆動することで直交する２軸にレーザー光を照射できる２枚の反射鏡３８ａ，３８ｂで構成する。それぞれの反射鏡の最大回転角度は各軸の最大偏向距離に位置するイオン源にレーザー光を照射するために必要な角度である。イオンスラスタ１の全イオン源を加熱する場合、図１４（ａ）に示す周期的な回転角度で横方向偏向反射鏡３８ａを回転駆動し、図１４（ｂ）に示す周期的な回転角度で縦方向偏向反射鏡３８ｂを回転駆動する。ここで角度Ａｘ，Ａｙはそれぞれ横方向偏向距離最大、縦方向偏向距離最大となる位置にあるイオン源にレーザー光を照射するために必要な角度である。なお偏向距離は反射鏡３８ａ，３８ｂが共に角度０の時、レーザー光が照射する位置を基準とする。また、イオン源を選択的に動作させる場合にはレーザー偏向手段３８の偏向動作を所望のイオン源の貯蔵部のみ走査するようにしておく。例えば横方向位置ｘ１からｘ２、縦方向位置ｙ１からｙ２の範囲にあるイオン源を動作させるためには図１４（ｃ）の角度で横方向偏向反射鏡、図１４（ｄ）の縦方向偏向反射鏡を駆動する。ここで電圧ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＹ１，ＡＹ２はそれぞれ横方向偏向距離Ｘ１の位置、横方向偏向距離Ｘ２の位置、縦方向偏向距離Ｙ１の位置、縦方向偏向距離Ｙ２の位置にあるイオン源にレーザー光を照射するために必要な角度である。
【００２４】
イオンスラスタ１の全イオン源を動作させる場合の動作は次のようになる。レーザー発生手段３７を構成するレーザー偏向手段３８の偏向動作はイオンスラスタ１の全てのイオン源を走査するようにしておく。レーザー発振器３９から引き出されたレーザー光４０は収束レンズ４１により収束、レーザー偏向手段３８により偏向され、全てのイオン源の貯蔵部２３を加熱するように走査される。レーザー光照射により、貯蔵部２３は加熱され、イオン化される金属を溶融し、針状電極２６に供給される。次にイオン引出用電源２７をオンしイオン引出有孔電極２８に電圧を印加すると全ての針状電極２６に高電界が印加され、イオン電流が引き出される。また、イオン源を選択的に動作させる場合にはレーザー偏向手段３７の偏向動作を所望のイオン源の貯蔵部のみ走査するようにしておく。この時はレーザー光が照射され、貯蔵部が加熱されたイオン源のみからイオン電流が引き出される。こうした選択動作は任意の数のイオン源に対して可能であり、任意の位置に配されたイオン源に対しても可能である。
【００２５】
【発明の効果】
第１の発明によれば、針状電極と液体金属貯蔵部とヒーターと供給孔を有する貯蔵部蓋とイオン引出有孔電極からなるイオン源を多数並べたイオン発生部と、ヒーター用電源と、イオン引出用電源と、ヒーター選択用スイッチを具備することにより、任意の数および任意の位置のイオン源からイオンビームを発生することが可能となり、電力効率及び推進剤利用効率を低下させることなく、推力を可変にできる効果がある。また、推力発生部の向きを変更する機構を設けなくても推力ベクトルの方向を変更できる効果がある。
【００２６】
第２の発明によれば、針状電極と液体金属貯蔵部とヒーターと供給孔を有する貯蔵部封止蓋とイオン引出有孔電極からなるイオン源を多数並べたイオン発生部と、ヒーター用電源と、引出用電源と、針状電極選択スイッチと、引出電極選択スイッチを具備することにより、任意の数および任意の位置のイオン源からイオンビームを発生することが可能となり、電力効率及び推進剤利用効率を低下させることなく、推力を可変にできる効果がある。また、推力発生部の向きを変更する機構を設けなくても推力ベクトルの方向を変更できる効果がある。
【００２７】
第３の発明によれば、針状電極と液体金属貯蔵部と供給孔を有する貯蔵部封止蓋とイオン引出有孔電極からなるイオン源を多数並べたイオン発生部と、引出用電源と、電子ビーム偏向手段を有する電子ビーム発生手段を具備することにより、任意の数および任意の位置のイオン源からイオンビームを発生することが可能となり、電力効率及び推進剤利用効率を低下させることなく、推力を可変にできる効果がある。また、推力発生部の向きを変更する機構を設けなくても推力ベクトルの方向を変更できる効果がある。
【００２８】
第４の発明によれば、針状電極と液体金属貯蔵部と供給孔を有する貯蔵部封止蓋とイオン引出有孔電極からなるイオン源を多数並べたイオン発生部と、引出用電源と、レーザー偏向手段を有するレーザー発生手段を具備することにより、任意の数および任意の位置のイオン源からイオンビームを発生することが可能となり、電力効率及び推進剤利用効率を低下させることなく、推力を可変にできる効果がある。また、推力発生部の向きを変更する機構を設けなくても推力ベクトルの方向を変更できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す液体金属イオンスラスタの構成例を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１を示す液体金属イオンスラスタの動作原理を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態１を示す液体金属イオンスラスタの最大推力発生時のヒーター選択スイッチの設定状態を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態１を示す液体金属イオンスラスタの推力変更時及び推力ベクトルの方向変更時のヒーター選択スイッチの設定状態を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態２を示す液体金属イオンスラスタの構成例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２を示す液体金属イオンスラスタの最大推力発生時の針状電極選択スイッチ、引出電極選択スイッチの設定状態を説明する図である。
【図７】この発明の実施の形態２を示す液体金属イオンスラスタの推力変更時及び推力ベクトルの方向変更時の針状電極選択スイッチ、引出電極選択スイッチの設定状態を説明する図である。
【図８】この発明の実施の形態３を示す液体金属イオンスラスタの構成例を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態３を示す液体金属イオンスラスタ部を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態３を示す液体金属イオンスラスタの偏向レンズを静電偏向レンズで構成した液体金属スラスタの構成例を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態３を示す液体金属イオンスラスタの最大推力発生時の静電偏向レンズ駆動電圧例、推力変更時及び推力ベクトルの方向変更時の静電偏向レンズ駆動電圧例を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態４を示す液体金属イオンスラスタの構成例を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態４を示す液体金属イオンスラスタのレーザー光偏向手段を反射鏡で構成した液体金属スラスタの構成例を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態４を示す液体金属イオンスラスタの最大推力発生時の反射鏡駆動角度、推力変更時及び推力ベクトルの方向変更時の反射鏡駆動角度の例を示す図である。
【図１５】従来のイオンスラスタの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１イオンスラスタ
２プラズマ生成室
３ガス供給口
４イオン化されるガス
５ヒーター用電源
６陰極
７ヒーター
８電子
９陰極点火放電維持用電源
１０陰極点火放電維持用電極
１１プラズマ生成室点火放電維持用電源
１２陽極
１３磁石
１４ポールピース
１５磁力線
１６プラズマ
１７プラズマ生成室用電源
１８加速グリッド電源
１９加速グリッド電極
２０スクリーングリッド電極
２１イオン電流
２２ヒーター選択用スイッチ
２３液体金属貯蔵部
２４低融点金属
２５貯蔵部封止蓋
２６針状電極
２７イオン引出用電源
２８イオン引出有孔電極
２９針状電極選択スイッチ
３０引出電極選択スイッチ
３１電子ビーム発生装置
３２電子ビーム用陰極
３３引出加速レンズ
３４収束レンズ
３５偏向レンズ
３６電子ビーム
３７レーザー発生手段
３８レーザー光偏向手段
３９レーザー発振器
４０レーザー光
４１収束レンズ

Claims

宇宙航行体に搭載して推力を発生する液体金属イオンスラスタにおいて、
イオン化する低融点金属を貯蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、上記貯蔵部封止蓋の供給孔から針先が突出した針状電極と、上記貯蔵部にそれぞれ接したヒーターと、上記貯蔵部封止蓋の供給孔と対向する位置に上記針状電極に電界を形成する有孔電極とを配したイオン源を、
複数個マトリックス状に並べたイオン発生部と、
上記ヒーターに電力を供給するヒーター用電源と、
上記有孔電極に電圧を印加しイオンを引き出すイオン引出用電源と、
上記ヒーターと上記ヒーター用電源を繋ぐ電気的経路の間に上記複数のイオン源のうち任意のイオン源に対応する上記ヒーターを選択するスイッチとを具備し、
上記スイッチの選択に応じて、上記選択されたイオン源に対応するヒーターが通電されるとともに、当該ヒータの通電により対応する上記貯蔵部の低融点金属が溶融し液体化されて上記針状電極に供給され、
上記有孔電極への電圧印加により当該液体化された低融点金属が上記針状電極の針先で電界蒸発し、イオン電流が引き出される、
ことを特徴とする液体金属イオンスラスタ。
宇宙航行体に搭載して推力を発生する液体金属イオンスラスタにおいて、
イオン化する低融点金属を貯蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、上記貯蔵部封止蓋の供給孔から針先が突出した針状電極と、上記貯蔵部にそれぞれ接して配置され、上記貯蔵部を加熱し、上記低融点金属を溶融し液体化して上記針状電極に供給するヒーターと、上記貯蔵部封止蓋の供給孔とそれぞれ対向する位置に上記針状電極に電界を形成する有孔電極とを配したイオン源を、
複数個マトリックス状に並べたイオン発生部と、
上記ヒーターに電力を供給するヒーター用電源と、
上記有孔電極及び上記貯蔵部封止蓋に電圧を印加しイオンを引き出すイオン引出用電源と、
上記それぞれの貯蔵部封止蓋と上記イオン引出用電源の正極とを繋ぐ電気的経路の間に上記貯蔵部封止蓋を選択する針状電極選択スイッチと、
上記有孔電極と上記イオン引出用電源の負極とを繋ぐ電気的経路の間に上記有孔電極を選択する引出電極選択スイッチとを具備し、
上記針状電極選択スイッチ及び引出電極選択スイッチによって選択されたイオン源の上記有孔電極への電圧印加により、上記ヒータの加熱により液体化された低融点金属が上記針状電極の針先で電界蒸発し、イオン電流が引き出される、
ことを特徴とする液体金属イオンスラスタ。
宇宙航行体に搭載して推力を発生する液体金属イオンスラスタにおいて、
イオン化する低融点金属を貯蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、上記貯蔵部封止蓋の供給孔から針先が突出した針状電極と、上記貯蔵部封止蓋の供給孔と対向する位置に上記針状電極に電界を形成する有孔電極とを配したイオン源を、
複数個マトリックス状に並べたイオン発生部と、
上記有孔電極に電圧を印加する電源と、
上記イオン発生部に電子ビームを照射する電子偏向手段を有した電子発生手段とを具備し、
上記電子発生手段から上記イオン発生部への電子ビームの照射により、電子ビームの照射されたイオン源の上記貯蔵部の低融点金属が溶融し液体化されて上記針状電極に供給され、上記有孔電極への電圧印加により当該液体化された低融点金属が上記針状電極の針先で電界蒸発し、イオン電流が引き出される、
ことを特徴とする液体金属イオンスラスタ。
宇宙航行体に搭載して推力を発生する液体金属イオンスラスタにおいて、
イオン化する低融点金属を貯蔵する貯蔵部と、
供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、
上記貯蔵部封止蓋の供給孔から針先が突出した針状電極と、
上記貯蔵部封止蓋の供給孔と対向する位置に上記針状電極に電界を形成する有孔電極とを配したイオン源を、
複数個マトリックス状に並べたイオン発生部と、
上記有孔電極に電圧を印加する電源と、
上記イオン発生部にレーザー光を照射するレーザー偏向手段を有したレーザー発生手段とを具備し、
上記レーザ発生手段から上記イオン発生部へのレーザ光の照射により、レーザ光に照射されたイオン源の上記貯蔵部の低融点金属が溶融し液体化されて上記針状電極に供給され、上記有孔電極への電圧印加により当該液体化された低融点金属が上記針状電極の針先で電界蒸発し、イオン電流が引き出される、
ことを特徴とする液体金属イオンスラスタ。