JP4107391B2 - 宇宙用固体推進剤推進機 - Google Patents

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Description

本発明は宇宙用推進機に関し、より詳しくは、固体推進剤を小分け供給して使用する宇宙用固体推進剤推進機に関する。
宇宙用推進装置としては、気体、液体、固体の燃料や推進剤が利用されてきている。気体は収納容積が嵩むため、高圧化して高密度にして保持することが一般的である。そのために、保持容器（タンク）、配管、バルブ等に十分な耐圧性や構造強度が必要であり、その結果、重量が嵩むという問題がある。また、バルブからの漏れやバルブの不動などの故障を伴うことも多い。液体は、元来、高密度であるが、移送のために高圧システムを用いるので、上記の気体推進剤と同様の問題点を有している。高圧システムを使用する推進器は、危険作業である注気を打ち上げ前に実施する必要があるという問題もある。固体推進剤はもともと高密度であり、高圧システムが不要で保持性に優れるものの、一度点火されると燃料が無くなるまで運転を中止できず、推力の断続（動作中断と再着火）や調整を行うことができないという問題がある。固体燃料である火薬は、取扱においては火気厳禁であり、地上取り扱い性が悪い。固体燃料のそのような欠点を改善するために、固体燃料を使用単位に分割して保持し、必要に応じて着火するという方式が研究されている（例えば、非特許文献１参照）。しかしそれらの方式は、燃焼数に応じて比較的大きな面積を占有するという欠点を有している。
小型推進器は比推力が高くないため、要求されるΔＶを発生するためには、より多くの推進剤が必要になる。推進剤を保管する部分の重量などは、一般的に、その量に比例する傾向がある。したがって、推進器の燃料以外部分の構造の乾燥重量を低減させることは、小型スラスタにとっては重要である。そのような背景から、フィルム表面に塗布された固体推進剤にレーザーを照射してアブレーション噴射する機器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。そこに示されているようなレーザー照射をフィルム裏面から実施する方式は、噴射物質によってレーザー本体や光学系が汚染されることが防止されるため、ある程度有効である。しかし、フィルム重量は推進剤量に比例することになる。このフィルム重量は推力に寄与しないにもかかわらず、推進剤保管部の重量に含まれるため、推進装置の乾燥重量を増加させるという欠点がある。
また、特許文献１の装置ではアブレーション噴射にノズルを用いないため、効率的な推力発生ができない。さらに、蒸発した推進剤が拡散し再固化して周辺を汚染する可能性もある。人工衛星の表面は赤外線特性を綿密に調整して温度調節を行うため、表面汚染は重大な弊害を発生させるため、これは大きな問題である。
化学反応を利用しない固体推進剤を用いる推進機として、Pulsed Plasma Thruster (PPT)という方式がある（例えば、特許文献２参照）。固体推進剤として多種の材料が試されているが、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））が一般的である（例えば、非特許文献２参照）。この方式ではパルス放電が完了後、遅延して昇華するガスのために比推力をあまり向上させることができないという短所があった。このため推進剤は、遅延発生ガスの少ない種類に制限されている。他には、液体推進剤を用いたり（例えば、非特許文献３参照）、レーザーアブレーションによって昇華量を制御する（例えば、非特許文献４参照）などのような技術開発の努力がなされている。
米国特許第６５３０２１２号明細書 米国特許出願公開第２００３／００３３７９７号明細書 S. Tanaka, R. Hosokawa, S. Tokudome, K. Hori, H. Saito, M. Watanabe and M. Esaka, , "MEMS-based Solid Propellant Rocket Array Thruster", ISTS 2002-a-02, Proceedings of the 23 International Symposium on Space Technology and Science, Matsue, 2002, pp.6-11. H. Kamhawi, E. Pencil and T. Haag, "High Thrust-to-Power Rectangular Pulsed Plasma Thruster", AIAA 2002-3975, Joint Propulsion Conference, Indianapolis, July 2002. A. Kakami, H. Koizumi and K. Komusasaki, "Performance Study on Liquid Propellant Pulsed Plasma Thruster", AIAA 2003-5021, Joint Propulsion Conference, Huntsville, July 2003. M. Kawakami, W. Lin, A. Igari, H. Horisawa and I. Kimura, "Plasma Behaviors in a Laser-Assisted Plasma Thruster", AIAA 2003-5028, Joint Propulsion Conference, Huntsville, July 2003.
上記のように、高密度であって保管や移送に高圧力が不要で取り扱いの容易な固体推進剤を宇宙用推進器推進機に使用しようとする試みがなされて来たが、いずれの技術も、推進機の重量を増加させたり、表面汚染を発生したり、比推力をあまり向上させることができないといった欠点を有しており、問題が多いものであった。本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、固体推進剤を小分け供給することが可能な、宇宙用固体推進剤推進機を提供するものである。
上記の課題は以下の特徴を有する本発明によって解決される。すなわち、請求項１に記載の発明は、固体推進剤を保持する固体推進剤保持手段と、前記固体推進剤保持手段が保持している前記固体推進剤の一端から前記固体推進剤をその表面に付着させる固体推進剤付着面と、前記固体推進剤保持手段に保持されている前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面側に送ることによって、それを前記固体推進剤付着面上に付着させる場所である付着位置に給送する固体推進剤給送手段と、給送によって前記固体推進剤付着面上の付着位置に接触あるいは近接させられた部分の前記固体推進剤を加熱して溶解あるいは昇華させ、それによって前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面に付着させる付着エネルギー供給手段と、前記固体推進剤付着面の前記固体推進剤の付着部分を移動させることによって、前記固体推進剤を、それを放出させる場所である放出位置に移送する固体推進剤移送手段と、前記放出位置に移送された前記固体推進剤にエネルギーを与えることによって前記放出位置における前記固体推進剤付着面からそれとほぼ垂直な方向に加速し、推進ジェットとして下流に放出させる推進エネルギー供給手段と、を有し、前記固体推進剤付着面の前記固体推進剤の付着部分は、前記固体推進剤移送手段による前記固体推進剤付着面の移動によって、前記固体推進剤保持手段に保持された前記固体推進剤の前記一端の近傍に反復的に復帰させられることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、前記放出位置において発生した推進ジェットを上流端から取り入れ下流端から噴出させる管状の噴出部をさらに有し、前記噴出部は、それの上流端が前記固体推進剤付着面に近接して配置されており、前記放出位置は、前記固体推進剤付着面の前記噴出部の上流端に囲まれた領域内にあることをさらに特徴とする。
請求項３に記載の発明は、前記噴出部は、末広ノズル形状であることをさらに特徴とする。
請求項４に記載の発明は、前記固体推進剤は棒状に成形されており、前記固体推進剤給送手段は前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面側に直線的に移動させることによって給送することをさらに特徴とする。
請求項５に記載の発明は、前記固体推進剤給送手段は、前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面側に押し付ける力を与えることによって給送するように構成されたバネであることをさらに特徴とする。
請求項６に記載の発明は、前記固体推進剤付着面は少なくとも一部が透明材料で構成されており、前記付着エネルギー供給手段はレーザ光線発振器であり、レーザ光線発振器である前記付着エネルギー供給手段は、レーザ光線を発生して前記付着位置における前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面の裏面から透明材料を通して照射し、それによって前記固体推進剤を加熱して溶解あるいは昇華させることにより前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面に付着させることをさらに特徴とする。
請求項７に記載の発明は、前記固体推進剤は加熱により昇華する物質であり、前記固体推進剤付着面は少なくとも一部が透明材料で構成されており、前記推進エネルギー供給手段はレーザ光線発振器であり、レーザ光線発振器である前記推進エネルギー供給手段は、レーザ光線を発生して前記放出位置内の前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面の裏面から透明材料を通して照射し、それによって前記固体推進剤を加熱して昇華させることにより放出させることをさらに特徴とする。
請求項８に記載の発明は、前記固体推進剤は加熱により昇華する物質であり、前記推進エネルギー供給手段は前記噴出部の内部に対向配置された主放電電極とそのための主放電電源であり、前記主放電電源は高電圧を発生させて前記主放電電極間にそれを印加して主放電を発生させ、近傍の前記固体推進剤を加熱して昇華させることによって放出させることをさらに特徴とする。
請求項９に記載の発明は、前記主放電電極間の主放電を開始させるためのトリガ放電を行うための、前記噴出部の内部の前記固体推進剤付着面に近接して設けられたトリガ放電電極を含むイグナイタと、前記トリガ放電のためのトリガ放電電源と、をさらに含み、前記主放電電極は、末広状に対向配置された棒状の電極であり、前記イグナイタによるトリガ放電によって前記主放電電極間に主放電が発生させられ、前記主放電電極間の前記主放電によって昇華させられた前記固体推進剤の少なくとも一部は前記主放電によってさらにプラズマ化され、前記主放電電極間に発生させられたプラズマ化した前記固体推進剤に前記主放電によって流される電流と、前記主放電によって発生する磁場との電磁的相互作用によって、前記プラズマ化した前記固体推進剤は前記噴出部の下流に噴出させられることをさらに特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、前記主放電電極は、前記噴出部の少なくとも一部を構成していることをさらに特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、前記固体推進剤付着面の形状は円柱形であり、前記固体推進剤移送手段は、前記固体推進剤付着面を円柱形の中心軸を中心にして回転させることによって前記固体推進剤を前記放出位置に移送することをさらに特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、前記固体推進剤付着面の形状は底面が扇形である部分的な円柱形であり、前記固体推進剤移送手段は、前記固体推進剤付着面を円柱形の中心軸を中心にしてスイングさせることによって前記固体推進剤を前記放出位置に移送することをさらに特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、前記固体推進剤付着面の形状は平面であり、前記固体推進剤移送手段は、前記固体推進剤付着面を直線的に往復させることによって前記固体推進剤を前記放出位置に移送することをさらに特徴とする。
請求項１４に記載の発明は、前記固体推進剤は加熱により昇華する物質であり、前記固体推進剤付着面の形状は円柱形あるいは底面が扇形である部分的な円柱形であり、前記固体推進剤付着面は少なくとも一部が透明材料で構成されており、前記推進エネルギー供給手段は前記固体推進剤付着面のそれぞれ異なる複数の位置にレーザ光線を照射する複数のレーザ光線発振器であり、前記放出位置は前記のレーザ光線が照射される異なる複数の位置にそれぞれ対応して設けられており、レーザ光線発振器である前記推進エネルギー供給手段は、レーザ光線を発生して前記放出位置内のいずれかの位置の前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面の裏面から透明材料を通して照射し、それによって前記固体推進剤を加熱して昇華させることにより放出させることをさらに特徴とする。
請求項１５に記載の発明は、前記固体推進剤は加熱により昇華する物質であり、前記固体推進剤付着面の形状は円柱形あるいは底面が扇形である部分的な円柱形であり、前記固体推進剤付着面は少なくとも一部が透明材料で構成されており、前記推進エネルギー供給手段はレーザ光線の照射方向を変化させるレーザ光線照射方向可変手段を備えたレーザ光線発振器であり、前記放出位置は前記のレーザ光線が照射される位置に対応して設けられており、レーザ光線発振器である前記推進エネルギー供給手段は、レーザ光線を発生して前記放出位置内のいずれかの位置の前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面の裏面から透明材料を通して照射し、それによって前記固体推進剤を加熱して昇華させることにより放出させることをさらに特徴とする。
本発明によると、高密度であって取り扱いの容易な固体推進剤を消費量を管理しつつ必要量だけ小分け供給して推進ジェットとして噴出させることが可能となるため、宇宙用推進機の性能、特に燃費（比推力）を向上させることができるという効果が得られる。また本発明によると、一般には動作中断と再着火を行うことができない固体燃料推進機において、動作中断と再着火を行うことができるという効果が得られる。
これから図面に従って本発明の実施形態に係る宇宙用固体推進剤推進機の説明を行う。本発明に係る宇宙用固体推進剤推進機は、容器に貯蔵された固体推進剤を付着面に付着させて移送し、それにエネルギーを与えて放出させることによって推進ジェットを得るものである。固体推進剤の移送のための付着面への付着は、レーザ光線による加熱により溶解あるいは昇華させての付着面への転移（レーザ加熱）の形態で実施される。また固体推進剤の放出は、レーザ光線による加熱により昇華させて自身の圧力により加速（レーザ加熱）、放電による加熱により昇華させて自身の圧力により加速（放電加熱）、放電によりプラズマ化して電磁的に加速（ＰＰＴ（Pulsed Plasma Thruster）電磁加速）、などの形態で実施される。以下、本発明の代表的な実施形態として、固体推進剤の放出機構がそれぞれ異なる、第１の実施形態（レーザ加熱）、第２の実施形態（ＰＰＴ電磁加速）、第３の実施形態（放電加熱）の説明を行う。
またレーザ加熱の場合、レーザ光線が照射される領域を複数レーザの切替、可変レーザ照射方向などの方法により変化させることにより推進ジェットの方向を変化させることができる。固体推進剤の放出機構がレーザ加熱の場合について、第４の実施形態（複数レーザの切替）、第５の実施形態（可変レーザ照射方向）として推進ジェットの方向を変化させる実施形態の説明をする。
（第１の実施形態：レーザ加熱）
まず、本発明の第１の実施形態の説明を行う。図１は、本発明の第１の実施形態に係る宇宙用固体推進剤推進機１００の概略構成を表わす概略斜視図である。宇宙用固体推進剤推進機１００は、固体推進剤の放出にレーザ加熱を利用する実施形態である。まず、宇宙用固体推進剤推進機１００の構成について説明する。宇宙用固体推進剤推進機１００は、固体推進剤保持容器１０２、固体推進剤付着ドラム１０３、固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４、付着用レーザ光線発振器１０５Ａ、推進用レーザ光線発振器１０５Ｂ、ノズル１０７、および固体推進剤給送バネ１０９から構成される。宇宙用固体推進剤推進機１００は、図示しないが、上記の構成要素を適切な位置関係に保持しつつ収容するハウジングも構成として有する。また宇宙用固体推進剤推進機１００は、図示しないが、固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４、付着用レーザ光線発振器１０５Ａ、および推進用レーザ光線発振器１０５Ｂの動作をそれぞれ関連させて制御するコントローラ１１２も構成として有する。また、宇宙用固体推進剤推進機１００は、固体推進剤１０１を推進剤として使用する。
固体推進剤１０１は、宇宙用固体推進剤推進機１００から放出させられることによって推力を生じさせる、エネルギー（推進エネルギー）を与えられて加熱されることによって昇華する物質からなる推進剤である。固体推進剤１０１は、放出させるための推進エネルギーより相対的に小さいエネルギー（付着エネルギー）を与えられて加熱されることによって溶解あるいは昇華する物質であり、これによって固体推進剤を固体推進剤付着ドラム１０３に付着させてそこに転移させることができる。推進剤の形態は好適には棒状に成形された固体であり、高密度であって収納効率が高く地上取り扱い性や保管性に優れ、移送に高圧系を必要としないという固体の特徴を有する。固体推進剤１０１は、好適には単一の形状に成形された固体であるが、複数に分割して成形された固体であってもよい。宇宙用固体推進剤推進機１００はほぼ真空中で動作するので、固体推進剤１０１は雰囲気の圧力がほぼ真空の状態で加熱によって昇華する物質であればよい。固体推進剤１０１は推進エネルギーが与えられると昇華して高温高圧の気体となり自身の圧力によって加速されて放出させられ、推進ジェット１０８として放出させられてその反作用として推力を生じる。このような推力の発生方法をレーザアブレーションという。
固体推進剤１０１は、移送のために、付着力あるいは接着力などの密着した物質間の引力によって固体推進剤付着ドラム１０３に付着する。固体推進剤１０１は、付着エネルギーによって溶解させられて液体になって、より低温の固体推進剤付着ドラム１０３に接触し、その上で固化してそれに付着するか、付着エネルギーによって固体から気体へと昇華して、より低温の固体推進剤付着ドラム１０３に接触し、その上で固化してそれに付着する。
固体推進剤１０１の材料としては、従来から推進剤として使用されていたＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））などに限られず、広範な物質を使用することができる。固体推進剤１０１としては、ガス化しやすいものであればよく、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、塩化ビニールなどを使用することができる。
固体推進剤保持容器１０２は、推進剤である固体推進剤１０１を保持する機構を有する固体推進剤保持手段の一形態である。固体推進剤保持容器１０２は、固体推進剤１０１を貯蔵のために保持するとともに、固体推進剤付着ドラム１０３上で固体推進剤１０１がそれに付着させられる位置である付着位置１１０に固体推進剤１０１の一端が接するように固体推進剤付着ドラム１０３の表面に対する位置を固定する。図１の例では、固体推進剤保持容器１０２は、棒状の固体推進剤１０１を収容する円筒状の構成である。固体推進剤保持容器１０２は、固体推進剤１０１の固体推進剤付着ドラム１０３の表面に対する位置を固定できれば、必ずしも固体推進剤１０１のほぼ全体を収容する必要はない。しかし、固体推進剤保持容器１０２の固体推進剤付着ドラム１０３側の一端がその近傍まで伸びており、付着位置１１０を覆うようになっていると、固体推進剤付着ドラム１０３への付着時に周囲への飛散を防止することができ、好適である。この場合、固体推進剤保持容器１０２の固体推進剤付着ドラム１０３側の一端は、付着位置１１０から固体推進剤付着ドラム１０３の回転方向側においては、それと固体推進剤付着ドラム１０３とのクリアランスが他の部分より大きくなっており、固体推進剤付着ドラム１０３に付着した固体推進剤１０１が固体推進剤保持容器１０２と干渉することなく移送することができるようになっているとより好適である。後述の固体推進剤給送バネ１０９が固体推進剤１０１の固体推進剤付着ドラム１０３の表面に対して垂直方向の位置を固定している場合は、固体推進剤保持容器１０２は固体推進剤１０１の固体推進剤付着ドラム１０３の表面に対して水平方向の位置を固定する。
固体推進剤付着ドラム１０３は、固体推進剤１０１をその表面に付着させる固体推進剤付着面の一形態である。固体推進剤付着ドラム１０３は、固体推進剤保持容器１０２に保持された固体推進剤１０１の一端に近接あるいは接しており、そこから溶解あるいは昇華によって固体推進剤１０１をその表面に転移させて付着させる構成である。固体推進剤付着ドラム１０３は付着位置１１０において固体推進剤１０１を付着する。付着位置１１０は、固体推進剤付着ドラム１０３と固体推進剤保持容器１０２などの他の構成要素との位置関係として決定される位置の領域であり、固体推進剤付着ドラム１０３上で、それに接している固体推進剤１０１の断面のある領域に相当する。図１では円状に描写しているが、固体推進剤１０１の断面の形状により、他の形状であってもよい。固体推進剤付着ドラム１０３は、好適には円柱のドラム形状である。固体推進剤付着ドラム１０３は、後述の付着用レーザ光線１０６Ａや推進用レーザ光線１０６Ｂを透過するような透明材料で形成された円柱形のドラムである。固体推進剤付着ドラム１０３は透明であるために付着用レーザ光線１０６Ａによってはほとんど加熱されず、付着用レーザ光線１０６Ａがそれを通じて固体推進剤１０１に照射されても自身は低温のままである。このため、付着用レーザ光線１０６Ａによって溶解あるいは昇華した固体推進剤１０１をその表面で冷却して固化させることによってその上に付着させることができる。固体推進剤付着ドラム１０３は、中空が好適であるが、中実であってもよい。
固体推進剤付着ドラム１０３の固体推進剤１０１を付着する表面の形状は、完全な円柱でなく、底面が扇形であるような部分的な円柱形（部分円筒形、鎧型）であってもよい。図１において破線の四角形で囲んだ部分は、部分的な円柱形の形状をした固体推進剤付着ドラム１０３の例である。さらにはその形状は、円柱に限られるものでもなく、他の形状の曲面や平面などのドラム以外の形状であってもよい（円柱形以外の固体推進剤付着ドラムを使用する実施形態）。
固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４は、コントローラ１１２の制御に基づき、固体推進剤付着面である固体推進剤付着ドラム１０３を回転させ、それの固体推進剤１０１の付着部分を移動させることによって、固体推進剤１０１をそれを放出させる場所である放出位置１１１に移送する固体推進剤移送手段の一形態である。固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４は、固体推進剤付着ドラム１０３と一体的に構成されていてもいい。固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４は、必要量だけ回転させられるように制御され、また、回転速度や回転方向も適切に制御される。固体推進剤付着ドラム１０３が部分的な円柱形の場合は、固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４はそれの回転方向を切り換え、また、固体推進剤付着ドラム１０３が平面の場合は、固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４はそれを往復運動させる（円柱形以外の固体推進剤付着ドラムを使用する実施形態）。
また、固体推進剤付着ドラム１０３の固体推進剤１０１の付着部分は、固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４による固体推進剤付着面である固体推進剤付着ドラム１０３の移動によって、固体推進剤保持容器１０２に保持された固体推進剤１０１の一端の近傍の付着位置１１０に反復的に復帰させられる。これによって、固体推進剤１０１を付着した固体推進剤付着面を固体推進剤付着面として繰り返し利用することができるため、固体推進剤付着面の面積を小さくすることができ、宇宙用固体推進剤推進機１００を小型軽量にすることが可能となる。
固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４が固体推進剤付着ドラム１０３を回転させる方向は一方向であってもいいし、交互に両方の方向に回転させてもいい。固体推進剤付着ドラム１０３の固体推進剤１０１を付着する表面の形状が、底面が扇形であるような部分的な円柱形の場合は、それを交互に両方の方向に円柱形の中心軸を中心にして回転させることによってスイングさせるとよい。固体推進剤付着ドラム１０３の固体推進剤１０１を付着する表面の形状が、平面の場合は、それを直線的に往復させるとよい（円柱形以外の固体推進剤付着ドラムを使用する実施形態）。
付着用レーザ光線発振器１０５Ａは、付着位置１１０における固体推進剤１０１の一端に付着エネルギーを与えることによって加熱し、溶解あるいは昇華させ、それによって固体推進剤１０１を固体推進剤付着ドラム１０３の表面に付着させる付着エネルギー供給手段の一形態である。付着用レーザ光発振器１０５Ａは、固体推進剤付着ドラム１０３の固体推進剤１０１の付着部分の裏面に付着用レーザ光線１０６Ａを照射できるような位置に設置され、好適には、固体推進剤付着ドラム１０３を挟んで付着位置１１０と反対側において、発振して放射する付着用レーザ光線１０６Ａの光軸が付着位置１１０に合致するように設置される。付着用レーザ光発振器１０５Ａは付着用レーザ光線１０６Ａを発振し、それを付着位置１１０における固体推進剤１０１の固体推進剤付着ドラム１０３側の一端に照射して加熱する。なお、付着用レーザ光線発振器１０５Ａは、特定の場所にエネルギーを集中させるために、発振したレーザ光線を集光するためのレンズを付着用レーザ光線１０６Ａを放射する部分の下流の位置に備えていてもよい。
推進用レーザ光線発振器１０５Ｂは、付着後、放出位置１１１に移送された固体推進剤１０１に推進エネルギーを与えることによって加速し、推進ジェットとして放出させる推進エネルギー供給手段の一形態である。推進用レーザ光発振器１０５Ｂは、固体推進剤付着ドラム１０３の固体推進剤１０１の付着部分の裏面に推進用レーザ光線１０６Ｂを照射できるような位置に設置され、好適には、固体推進剤付着ドラム１０３を挟んで放出位置１１１と反対側において、発振して放射するレーザ光線１０６の光軸が放出位置１１１に合致するように設置される。付着用レーザ光発振器１０５Ｂを放出位置１１１と反対側に設置することにより、昇華した固体推進剤１０１によって汚染されることがなくなる。推進用レーザ光発振器１０５Ｂは推進用レーザ光線１０６Ｂを発振し、それを放出位置１１１に移送された固体推進剤１０１に照射して加熱する。なお、推進用レーザ光線発振器１０５Ｂは、放出位置１１１上の特定の場所にエネルギーを集中させるために、発振したレーザ光線を集光するためのレンズを推進用レーザ光線１０６Ｂを放射する部分の下流の位置に備えていてもよい。放出位置１１１は、固体推進剤１０１の放出を遮るような構成要素がない位置である。放出位置１１１は、固体推進剤付着ドラム１０３と固体推進剤保持容器１０２などの他の構成要素との位置関係として決定される位置の領域であり、図１では円状に描写しているが、他の形状、例えば帯状であってもよい。
ノズル１０７は、噴出部の一形態であり、昇華して高圧となった固体推進剤１０１を推進ジェット１０８を上流端から取り入れ下流端から噴出させるように外部に導く噴出部の一実施形態である。ノズル１０７は、好適には末広の管状の形状である。ノズル１０７の２つの開口部のうち、狭い開口部が上流端の開口部であり、広い開口部が下流端の開口部である。ノズル１０７の上流端の開口部は放出位置１１１を囲むようにそれに近接して配置されている。ノズル１０７の上流端の開口部の中心から下流端の開口部の中心を結んだ方向がノズル１０７の開口方向であり、その方向に推進剤１０１が推進ジェット１０８として放出させられる。昇華して高圧となった固体推進剤１０１が最も大きい力を受けて加速されやすい方向が開口方向となるようにノズル１０７は配置される。そのような方向は、固体推進剤１０１が昇華して高圧となる放出位置１１１における固体推進剤付着ドラム１０３の表面からそれと垂直な方向である。ノズル１０７は、シールドとして機能することにより昇華した固体推進剤１０１が周囲に拡散して機器等に再固化して付着して周辺を汚染させることを防ぐとともに、推進ジェット１０８の噴出方向や噴出速度が適切になるように制御することにより、効率的な推力が得られるようにする。
固体推進剤給送バネ１０９は、固体推進剤保持容器１０２に保持されている固体推進剤１０１を固体推進剤付着ドラム１０３に給送することによって、それを固体推進剤付着ドラム１０３に付着させる場所である付着位置１１０に給送する固体推進剤給送手段の一形態である。固体推進剤給送バネ１０９は、それのバネの復元力によって固体推進剤１０１を固体推進剤付着ドラム１０３側に直線的に送り出すことによって給送する。バネはつるまきバネなどの形態である。固体推進剤給送バネ１０９の一端が固体推進剤１０１の固体推進剤付着ドラム１０３の反対側の一端に接しており、固体推進剤１０１を固体推進剤付着ドラム１０３側に給送するとともに、それの固体推進剤付着ドラム１０３の表面に対して垂直方向の位置を固定してもよい。固体推進剤給送手段は、固体推進剤１０１を必ずしも直線的に送り出す必要があるのではなく、円弧状に給送したり、あるいは、固体推進剤１０１の他の貯蔵場所から固体推進剤１０１を固体推進剤付着ドラム１０３上の付着位置１１０に相対する位置にまで移動させた後に固体推進剤付着ドラム１０３側に送り出すような構成であってもよい。
固体推進剤給送手段の固体推進剤給送バネ１０９の他の形態としては、固体推進剤１０１を固体推進剤付着ドラム１０３側に給送するリニアアクチュエータ等の駆動機構などを使用することができる。この場合、リニアアクチュエータと固体推進剤１０１の間にバネを設置して、固体推進剤１０１にかかる力を平滑にすることもできる。
コントローラ１１２は、給送用レーザ光線発振器１０５Ａを動作させて固体推進剤１０１を固体推進剤付着ドラム１０３上に付着させ、固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４を適切に作動させて固体推進剤付着ドラム１０３上に付着した固体推進剤１０１を移送させ、固体推進剤１０１が放出位置１１１まで移送されてくると、推進用レーザ光線発振器１０５Ｂに推進用レーザ光線１０６Ｂを発振させて放射させ、それが固体推進剤１０１に適切に照射されるような制御を行う制御回路である。コントローラ１１２は、固体推進剤１０１の固体推進剤付着ドラム１０３上の位置などを検出するためにセンサー等の入力を受け、それに基づいて固体推進剤１０１にレーザ光線を照射させる。
次に、宇宙用固体推進剤推進機１００の動作について説明する。固体推進剤１０１が固体推進剤保持容器１０２によって保持され、それの一端に接して配置されている固体推進剤給送バネ１０９によって、固体推進剤付着ドラム１０３側への力を受けて給送される。コントローラ１１２が、人工衛星の姿勢制御コンピュータなどから推進ジェット１０８を放出させる指示を受けると、付着用レーザ光線発振器１０５Ａに付着用レーザ光線１０６Ａを発振させて放射させ、それを付着位置１１０における固体推進剤１０１の一端に対して固体推進剤付着ドラム１０３を通して裏面から照射させる。固体推進剤１０１を連続的に付着させて移送する場合は、付着用レーザ光線１０６Ａも連続的に照射される。コントローラ１１２は、好適には、付着用レーザ光線発振器１０５Ａが発振する付着用レーザ１０６Ａの発振タイミングのみならず、発振強度も制御し、固体推進剤１０１の必要量を小分けして付着させるようにする。
付着用レーザ光線１０６Ａが照射された固体推進剤１０１の一端は、加熱されて溶解あるいは昇華し、その一端が接していた、低温の固体推進剤付着ドラム１０３の表面によって冷却されて固化し、そこに付着する。
固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４は、コントローラ１１２の制御により、それの回転によって固体推進剤付着ドラム１０３を回転させ、固体推進剤付着ドラム１０３の固体推進剤１０１の付着部分を、付着位置１１０から、それを放出させる場所である放出位置１１１に移送する。固体推進剤１０１の移送は、固体推進剤１０１を連続的に付着させながら移送すると好適である。コントローラ１１２は、固体推進剤１０１の必要量を小分けして固体推進剤付着ドラム１０３に付着させて移送するように、固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４の回転を適切に制御する。
コントローラ１１２は、固体推進剤付着ドラム１０３上に付着した固体推進剤１０１が放出位置１１１に移送されてきたことを、センサーや固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４の回転量などから検知し、推進用レーザ光線発振器１０５Ｂに推進用レーザ光線１０６Ｂを発振させて放射させ、それを放出位置１１１に移送されてきた固体推進剤付着ドラム１０３の固体推進剤１０１の付着部分に対して固体推進剤付着ドラム１０３を通して裏面から照射させる。固体推進剤１０１が連続的に移送されてくる場合は、推進用レーザ光線１０６Ｂも連続的に照射される。推進用レーザ光線１０６Ｂが照射された固体推進剤１０１は、推進用レーザ光線１０６Ｂのエネルギーを吸収して加熱されて昇華し、高温高圧のガスとなる。その高圧化したガスは、放出位置１１１における固体推進剤付着ドラム１０３の表面に向かって垂直に圧力を及ぼし、その反作用としては固体推進剤付着ドラム１０３の表面から垂直方向に同じ大きさの圧力を受けてその方向に加速される。それは、ノズル１０７に導かれて推進ジェット１０８としてノズル１０７の開口方向の下流に向けて放出させられ、その反作用として推力を生じさせる。
このように、所定の時間のレーザ光線１０６の照射によって推進ジェット１０８となる固体推進剤１０１の量を適切に制御、管理することができるため、固体推進剤１０１の遅延昇華を防止することができる。これによって、宇宙用固体推進剤推進機１００の性能の低下を防止できるとともに、固体推進剤１０１の材料物質としてＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））に限定されない広範囲の材料物質を採用することが可能となり、さらに性能を向上させることが可能となる。
コントローラ１１２は、固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４に固体推進剤付着ドラム１０３を適切に回転させ、固体推進剤付着ドラム１０３の推進用レーザ光線１０６Ｂが照射された固体推進剤１０１の付着部分を移動させて、それが固体推進剤保持容器１０２に保持された固体推進剤の固体推進剤付着ドラム１０３側の一端の近傍の付着位置１１０に反復的に復帰させられるようにする。例えば、固体推進剤付着ドラム１０３を一方向に回転させることによって、固体推進剤付着ドラム１０３の推進用レーザ光線１０６Ｂが照射された固体推進剤１０１の付着部分は、付着位置１１０に一回転ごとに反復的に復帰させられることになる。固体推進剤付着ドラム１０３の形状が部分的な円柱形である場合は、回転方向を逆方向に切り換えることによって、固体推進剤付着ドラム１０３の推進用レーザ光線１０６Ｂが照射された固体推進剤１０１の付着部分を付着位置１１０に一往復ごとに反復的に復帰させることができる（円柱形以外の固体推進剤付着ドラムを使用する実施形態）。固体推進剤付着ドラム１０３を一方向に連続して回転させる場合は、連続的に固体推進剤１０１を供給して噴出させることが可能となる。コントローラ１１２は、固体推進剤付着ドラム回転モータ１０４の速度などを制御することによって、固体推進剤１０１の供給量を制御することができる。
（第２の実施形態：ＰＰＴ電磁加速）
次に、本発明の第２の実施形態の説明を行う。図２は、本発明の第２の実施形態に係る宇宙用固体推進剤推進機２００の概略構成を表わす概略斜視図である。宇宙用固体推進剤推進機２００は、固体推進剤の放出にＰＰＴ電磁加速を利用する実施形態である。
まず、宇宙用固体推進剤推進機２００の構成について説明する。他の実施形態の構成要素と対応する構成要素の符号は、１０の位以下の数字を同じとしている。宇宙用固体推進剤推進機２００は、固体推進剤保持容器２０２、固体推進剤付着ドラム２０３、固体推進剤付着ドラム回転モータ２０４、付着用レーザ光線発振器２０５Ａ、固体推進剤給送バネ２０９、およびノズル２３１から構成される。ノズル２３１は、主放電電極２３１ａ、主放電電極２３１ｂ、およびイグナイタ２３１ｃを含む。宇宙用固体推進剤推進機２００は、図示しないが、上記の構成要素を適切な位置関係に保持しつつ収容するハウジングも構成として有する。また宇宙用固体推進剤推進機２００は、図示しないが、固体推進剤付着ドラム回転モータ２０４、付着用レーザ光線発振器２０５Ａ、およびイグナイタ２３１ｃの動作をそれぞれ関連させて制御するコントローラ２１２も構成として有する。宇宙用固体推進剤推進機２００は、第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００と比較すると、推進用レーザ光線発振器１０５Ｂおよびノズル１０７に対応する構成を有しておらず、ノズル２３１を追加的な構成として有している点が相違する。宇宙用固体推進剤推進機２００は、固体推進剤２０１を推進剤として使用する。
固体推進剤２０１は、宇宙用固体推進剤推進機２００から放出させられることによって推力を生じさせるために、放電によって昇華し、さらに電離してプラズマ化する物質からなる推進剤である。固体推進剤２０１は、放出させるときより相対的に小さいエネルギー（付着エネルギー）を与えられて加熱されることによって溶解あるいは昇華する物質であり、これによって固体推進剤を固体推進剤付着ドラム２０３に付着させてそこに転移させることができる。
固体推進剤保持容器２０２、固体推進剤付着ドラム２０３、固体推進剤付着ドラム回転モータ２０４、付着用レーザ光線発振器２０５Ａ、固体推進剤給送バネ２０９、およびコントローラ２１２は、第１の実施形態などの対応する構成要素と同じ構造を有する。ただし、コントローラ２１２はイグナイタ２３１ｃのトリガ放電電源に接続されている点が相違する。
ノズル２３１は、昇華した固体推進剤２０１を推進ジェット２０８として外部に導く噴出部と固体推進剤２０１に推進エネルギーを供給する推進エネルギー供給手段の一実施形態であり、それらを組合わせた実施形態である。ノズル２３１は、噴出部としては、高圧ガス化した固体推進剤２０１が周囲に拡散して機器等に再固化して付着し、周辺を汚染させることを防ぐとともに、推進ジェット２０８の噴出方向や噴出速度を適切にすることにより、効率的な推力が得られるようにする。ノズル２３１に含まれる主放電電極２３１ａ及び主放電電極２３１ｂは、好適には、推進ジェット２０８の下流側になるほど両者の間隔が広がるように末広状に対向配置される棒状の電極である。ノズル２３１は好適には２枚の同じ形状の側面壁を有しており、それが対向配置された主放電電極２３１ａと主放電電極２３１ｂとをサンドイッチ状に挟み込むように配置されることによって、ノズル２３１の内部に末広の空洞を画定する。ノズル２３１をこのような末広の直方体のような形態とすることによって、主放電電極２３１ａと主放電電極２３１ｂとの間に直線的な空間が形成されるため安定した主放電を行わせることができ、末広の空洞となっているのでできるだけ高速な推進ジェット２０８を下流方向に集中的に噴出させることが可能となる。主放電電極２３１ａと主放電電極２３１ｂは、図示しない主放電電源から高電圧の電力の供給を受け、固体推進剤２０１を昇華させてプラズマ化し、それを電磁的に加速する主放電を行うための電極である。
イグナイタ２３１ｃは、図示しないトリガ放電電源から電力の供給を受け、主放電を開始させるためのトリガ放電を行うためのトリガ放電電極を含むプラグである。イグナイタ２３１ｃは、その本体がいずれかの主放電電極（ここでは主放電電極２３１ｃ）を貫通して埋め込まれており、ノズル２３１の内部の空洞にトリガ放電電極を露出させる。イグナイタ２３１ｃは、１つ又は２つの電極を有しており、トリガ放電電極が１つの場合はそれと主放電電極２３１ｃとの間で、トリガ放電電極が２つの場合はそれらの間でトリガ放電を起こさせる。コントローラ２１２は、トリガ放電電源がイグナイタ４３１ｃにおいて放電を起こさせるタイミングを制御する。
次に、宇宙用固体推進剤推進機２００の動作について説明する。宇宙用固体推進剤推進機２００の動作は第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００などの動作と共通する部分があるが、以下のように、固体推進剤２０１を放出させるための構成や動作がそれとは異なっている。
固体推進剤付着ドラム２０３は、第１の実施形態と同様に、付着用レーザ光線発振器２０５Ａから照射された付着用レーザ光線２０６Ａによって、その表面に固体推進剤２０１が付着させられている。固体推進剤付着ドラム２０３に付着した固体推進剤２０１は、コントローラ２１２の制御により、固体推進剤付着ドラム回転モータ２０４によって放出位置２１１まで移送される。主放電電極２３１ａと主放電電極２３１ｂとの間には図示しない主放電電源により高電圧が印加されている。ここで行われる放電は瞬間的なものであるため、主放電電源は、瞬間的に大電流を供給できるような、例えば充電されたコンデンサとすると好適である。主放電電極２３１ａと主放電電極２３１ｂとの間で主放電を開始させようとするときに、コントローラ２１２の制御により、イグナイタ２３１ｃがそれのトリガ放電電極を用いて小さいトリガ放電を起こす。このトリガ放電によってイオンと電子とからなるプラズマがトリガ放電電極の周囲に発生するが、これが主放電電極２３１ａと主放電電極２３１ｂとの間の間の電界で加速されて衝突した分子をさらに電離させることによって、主放電を誘起する。
主放電で発生する熱によって放出位置２１１近傍の固体推進剤２０１は昇華し、昇華した固体推進剤２０１は、主放電の電流による電子やイオンとの衝突や熱によって電離してプラズマ化し、それがさらに主放電の電流を流れやすくする。こうして、パルス的な主放電が行われる。
主放電電流が主放電電極２３１ａと主放電電極２３１ｂとの間で流れることにより、その主放電電流の周りに環状に自己誘起磁場が発生する。主放電電流はプラズマの中を流れるが、このプラズマ電流と自己誘導磁場との相互作用によって、プラズマが電磁的に下流に向かって加速される。加速されたプラズマはノズル２３１にも導かれて推進ジェット２０８としてノズル２３１の開口方向の下流に向けて放出させられ、その反作用として推力を生じさせる。このプラズマの加速機構は、パルス型プラズマスラスタ（ＰＰＴ，Ｐｕｌｓｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｔｈｒｕｓｔｅｒ）の加速機構と同じであり、ここではＰＰＴ電磁加速と呼んでいる。以下、第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００と同じ動作を行って、コントローラ２１２は、固体推進剤付着ドラム２０３の固体推進剤２０１の付着部分が付着位置２１０に反復的に復帰させられるように制御する。
（第３の実施形態：放電加熱）
次に、本発明の第３の実施形態の説明を行う。図３は、本発明の第３の実施形態に係る宇宙用固体推進剤推進機３００の概略構成を表わす概略斜視図である。宇宙用固体推進剤推進機３００は、固体推進剤の放出に放電加熱を利用する実施形態である。
まず、宇宙用固体推進剤推進機３００の構成について説明する。他の実施形態の構成要素と対応する構成要素の符号は、１０の位以下の数字を同じとしている。宇宙用固体推進剤推進機３００は、固体推進剤保持容器３０２、固体推進剤付着ドラム３０３、固体推進剤付着ドラム回転モータ３０４、付着用レーザ光線発振器３０５Ａ、ノズル３０７、および固体推進剤給送バネ３０９から構成される。ノズル３０７は、主放電電極３０７ａ及び主放電電極３０７ｂを含む。宇宙用固体推進剤推進機３００は、図示しないが、上記の構成要素を適切な位置関係に保持しつつ収容するハウジングも構成として有する。また宇宙用固体推進剤推進機３００は、図示しないが、固体推進剤付着ドラム回転モータ３０４、付着用レーザ光線発振器３０５Ａ、、ならびに主放電電極３０７ａおよび主放電電極３０７ｂの動作をそれぞれ関連させて制御するコントローラ３１２も構成として有する。宇宙用固体推進剤推進機３００は、第２の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機２００と比較すると、ノズル２３１に対応する構成を有しておらず、ノズル３０７を有している点が相違する。
固体推進剤３０１は、第１の実施形態における固体推進剤１０１と同様に、宇宙用固体推進剤推進機３００から放出させられることによって推力を生じさせるために、加熱によって昇華する物質からなる推進剤である。固体推進剤３０１は、放出させるときより相対的に小さいエネルギー（付着エネルギー）を与えられて加熱されることによって溶解あるいは昇華する物質であり、これによって固体推進剤を固体推進剤付着ドラム３０３に付着させてそこに転移させることができる。
固体推進剤保持容器３０２、固体推進剤付着ドラム３０３、固体推進剤付着ドラム回転モータ３０４、付着用レーザ光線発振器３０５Ａ、固体推進剤給送バネ３０９、およびコントローラ３１２は、第２の実施形態などの対応する構成要素と同じ構造を有する。ただし、コントローラ３１２が主放電電極３０７ａ及び主放電電極３０７ｂの主放電電源に接続されている点が相違する。
ノズル３０７は、昇華した固体推進剤３０１を推進ジェット３０８として外部に導く噴出部と固体推進剤３０１にエネルギーと供給する推進エネルギー供給手段の一実施形態であり、それらを組合わせた実施形態である。ノズル３０７は、噴出部としては、高圧ガス化した固体推進剤３０１が周囲に拡散して機器等に再固化して付着し、周辺を汚染させることを防ぐとともに、推進ジェット３０８の噴出方向や噴出速度を適切にすることにより、効率的な推力が得られるようにする。ノズル３０７に含まれる主放電電極３０７ａ及び主放電電極３０７ｂは、好適には、固体推進剤付着ドラム３０３上の放出位置３１１の直上にそれらの間隙が位置するように配置される。このように配置することによって、主放電電極３０７ａと主放電電極３０７ｂの間で発生させられる主放電が固体推進剤付着ドラム３０３上の固体推進剤３０１を放電のエネルギーによって効率的に加熱することができるようになる。主放電電極３０７ａと主放電電極３０７ｂは、図示しない主放電電源から高電圧の電力の供給を受け、固体推進剤３０１を昇華させるための電極である。
次に、宇宙用固体推進剤推進機３００の動作について説明する。宇宙用固体推進剤推進機３００の動作は第２の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機２００などの動作と共通する部分があるが、以下のように、固体推進剤３０１を放出させるための構成や動作がそれとは異なっている。
固体推進剤付着ドラム３０３は、第１の実施形態と同様に、付着用レーザ光線発振器３０５Ａから照射された付着用レーザ光線３０６Ａによって、その表面に固体推進剤３０１が付着させられている。固体推進剤付着ドラム３０３に付着した固体推進剤３０１は、コントローラ３１２の制御により、固体推進剤付着ドラム回転モータ３０４によって放出位置３１１まで移送される。主放電電極３０７ａと主放電電極３０７ｂとの間で主放電を起こさせようとするときに、コントローラ３１２の制御により、主放電電源がそれらの間に超高電圧を印加する。ここで行われる放電は瞬間的なものであるため、主放電電源は、瞬間的に大電流を供給できるような、例えば充電されたコンデンサに超高電圧発生のためのコイルを接続したものとすると好適である。主放電電源から超高電圧が印加されると、主放電電極３０７ａと主放電電極３０７ｂとの間で瞬間的な放電が発生し、それが固体推進剤３０１を加熱する。放電経路内に固体推進剤３０１が入るようにし、固体推進剤３０１自身に放電電流を流して発熱させるようにすると好適である。加熱された固体推進剤３０１は、昇華して高温高圧のガスとなる。そのガスは、ノズル３０７に導かれて推進ジェット３０８としてノズル３０７の開口方向の下流に向けて放出させられ、その反作用として推力を生じさせる。以下、第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００と同じ動作を行って、コントローラ３１２は、固体推進剤付着ドラム３０３の固体推進剤３０１の付着部分が付着位置３１０に反復的に復帰させられるように制御する。
なお、ノズル３０７内に、第２の実施形態におけるイグナイタ２３１ｃに対応する構成を配置してもよい。この場合、主放電電極３０７ａと主放電電極３０７ｂとの間にはある程度の高電圧をあらかじめ印加しておく。そして、イグナイタ３３１ｃがそれのトリガ放電電極を用いて小さいトリガ放電を起こさせる。このトリガ放電が、主放電電極３０７ａと主放電電極３０７ｂとの間の主放電を誘起し、固体推進剤３０１を高圧ガス化する（イグナイタを使用する実施形態）。
（第４の実施形態：レーザ加熱、複数レーザの切替）
次に、本発明の第４の実施形態の説明を行う。図４は、本発明の第４の実施形態に係る宇宙用固体推進剤推進機４００の概略構成を表わす概略斜視図である。宇宙用固体推進剤推進機４００は、固体推進剤の放出はレーザ加熱を利用し、複数のレーザ光線発振器を切り換えて使用することによって、推進ジェットの方向を変化させる実施形態である。まず、宇宙用固体推進剤推進機４００の構成について説明する。他の実施形態の構成要素と対応する構成要素の符号は、１０の位以下の数字を同じとしている。宇宙用固体推進剤推進機４００は、固体推進剤保持容器４０２、固体推進剤付着ドラム４０３、固体推進剤付着ドラム回転モータ４０４、付着用レーザ光線発振器４０５Ａ、推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ１、推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ２、推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ３、および固体推進剤給送バネ４０９から構成される。宇宙用固体推進剤推進機４００は、図示しないが、上記の構成要素を適切な位置関係に保持しつつ収容するハウジングも構成として有する。また宇宙用固体推進剤推進機４００は、図示しないが、固体推進剤付着ドラム回転モータ４０４、付着用レーザ光線発振器４０５Ａ、推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ１、推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ２、および推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ３、の動作をそれぞれ関連させて制御するコントローラ４１２も構成として有する。宇宙用固体推進剤推進機４００は、第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００と比較すると、ノズル１０７に対応する構成を有しておらず、推進用レーザ光線発振器を複数有している点が相違する。宇宙用固体推進剤推進機４００は、固体推進剤４０１を推進剤として使用する。
固体推進剤４０１は、第１の実施形態における固体推進剤１０１と同様に、宇宙用固体推進剤推進機４００から放出させられることによって推力を生じさせるために、加熱によって昇華する物質からなる推進剤である。固体推進剤４０１は、放出させるときより相対的に小さいエネルギー（付着エネルギー）を与えられて加熱されることによって溶解あるいは昇華する物質であり、これによって固体推進剤を固体推進剤付着ドラム４０３に付着させてそこに転移させることができる。
固体推進剤保持容器４０２、固体推進剤付着ドラム４０３、固体推進剤付着ドラム回転モータ４０４、付着用レーザ光線発振器４０５Ａ、固体推進剤給送バネ４０９、およびコントローラ４１２は、第１の実施形態などの対応する構成要素と同じ構造を有する。ただし、コントローラ４１２が推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ１、推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ２、および推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ３に接続されており、推力を得ようとする方向に対応して動作させる推進用レーザ光線発振器を切り換える点が相違する。
推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ１、４０５Ｂ２、および４０５Ｂ３は、それぞれが第１の実施形態の推進用レーザ光線発振器１０５Ｂと同じ構造を有するが、それぞれが発振するレーザ光線４０６Ｂ１、４０６Ｂ２、および４０６Ｂ３を、それぞれ固体推進剤付着ドラム４０３上の異なる放出位置４１１Ｂ１、４１１Ｂ２、および４１１Ｂ３に対して固体推進剤付着ドラム４０３を通じて裏面から照射するように配置される点が相違する。この実施形態では３つの推進用レーザ光線発振器が用いられているが、推進用レーザ光線発振器の個数は任意の複数とすることができる。宇宙用固体推進剤推進機４００は、第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００のノズル１０７に対応する構成は必ずしも必要ない。この場合、放出位置４１１Ｂ１、４１１Ｂ２、および４１１Ｂ３の間隔を大きくすることができ、推進ジェットの方向、すなわち推力の向きを大きく変えることができる。なお、図示しないが、第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００のノズル１０７と同様に位置に配置されるノズル４３２を有するようにすることもできる。ノズル４３２は、ノズル４３２の上流端の開口部が放出位置４１１Ｂ１、４１１Ｂ２、および４１１Ｂ３のすべてを囲むようにそれに近接して配置される。ノズル４３２の上流端の開口部は円形ではなく、放出位置４１１Ｂ１、４１１Ｂ２、および４１１Ｂ３に沿った帯状あるいは楕円形が好適であり、ノズル４３２の断面も帯状あるいは楕円形が好適である。ノズル４３２は、昇華した固体推進剤４０１が周囲に拡散して機器等に再固化して付着し、周辺を汚染させることを防ぐとともに、推進ジェット４０８の噴出方向や噴出速度が適切になるように制御することにより、効率的な推力が得られるようにする。
次に、宇宙用固体推進剤推進機４００の動作について説明する。宇宙用固体推進剤推進機４００の動作は第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００などの動作と共通する部分があるが、以下のように、固体推進剤４０１を放出させるための構成や動作がそれとは異なっている。
固体推進剤付着ドラム４０３は、第１の実施形態と同様に、付着用レーザ光線発振器４０５Ａから照射された付着用レーザ光線４０６Ａによって、その表面に固体推進剤４０１が付着させられている。固体推進剤付着ドラム４０３に付着した固体推進剤４０１は、コントローラ４１２の制御により、固体推進剤付着ドラム回転モータ４０４によって、所望の推進ジェット４０８の噴出方向に応じた放出位置４１１Ｂ１、４１１Ｂ２、および４１１Ｂ３Ｃのいずれかまで移送される。ここでは、放出位置４１１Ｂ１が所望の推進ジェット４０８の噴出方向に応じた放出位置とする。
コントローラ４１２は、固体推進剤４０１が推進ジェットの噴出方向に応じた放出位置４１１Ｂ１に移送されてきたことを、センサーや固体推進剤付着ドラム回転モータ４０４の回転量などから検知し、推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ１に推進用レーザ光線４０６Ｂ１を発振させて放射させ、それを放出位置４１１Ｂ１に移送されてきた固体推進剤付着ドラム４０３上の固体推進剤４０１の付着部分に対して固体推進剤付着ドラムを通じて裏面から照射させる。固体推進剤４０１が連続的に移送されてくる場合は、推進用レーザ光線４０６Ｂ１も連続的に照射される。推進用レーザ光線４０６Ｂ１が照射された固体推進剤４０１は、推進用レーザ光線４０６Ｂ１のエネルギーを吸収して加熱されて昇華し、高温高圧のガスとなる。その高圧化したガスは、放出位置４１１Ｂ１における固体推進剤付着ドラム４０３の表面から垂直方向に同じ大きさの圧力を受けてその方向に加速される。それは、ノズル４３２に導かれて推進ジェット４０８としてノズル４３２の開口方向の範囲内の所望の方向の下流に向けて放出させられ、その反作用として推力を生じさせる。コントローラ４１２は、所望の方向に応じて、推進用レーザ光線発振器４０５Ｂ１、４０５Ｂ２、および４０５Ｂ３の内のいずれかを動作させ、放出位置４１１Ｂ１、４１１Ｂ２、および４１１Ｂ３の対応するいずれかの位置にある固体推進剤４０１を加熱させ、所望の方向に推進ジェット４０８を噴出させる動作を継続する。以下、第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００と同じ動作を行って、コントローラ４１２は、固体推進剤付着ドラム４０３の固体推進剤４０１の付着部分が付着位置４１０に反復的に復帰させられるように制御する。
（第５の実施形態：レーザ加熱、可変レーザ照射方向）
次に、本発明の第５の実施形態の説明を行う。図５は、本発明の第５の実施形態に係る宇宙用固体推進剤推進機５００の概略構成を表わす概略斜視図である。宇宙用固体推進剤推進機５００は、固体推進剤の放出はレーザ加熱を利用し、レーザ光線発振器が発生するレーザ光線の照射方向を変化させることによって、推進ジェットの方向を変化させる実施形態である。まず、宇宙用固体推進剤推進機５００の構成について説明する。他の実施形態の構成要素と対応する構成要素の符号は、１０の位以下の数字を同じとしている。宇宙用固体推進剤推進機５００は、固体推進剤保持容器５０２、固体推進剤付着ドラム５０３、固体推進剤付着ドラム回転モータ５０４、付着用レーザ光線発振器５０５Ａ、推進用レーザ光線発振器５０５Ｂ、固体推進剤給送バネ５０９、および推進用レーザ光線発振器アクチュエータ５７１から構成される。宇宙用固体推進剤推進機５００は、図示しないが、上記の構成要素を適切な位置関係に保持しつつ収容するハウジングも構成として有する。また宇宙用固体推進剤推進機５００は、図示しないが、固体推進剤付着ドラム回転モータ５０４、付着用レーザ光線発振器５０５Ａ、推進用レーザ光線発振器５０５Ｂ、および推進用レーザ光線発振器アクチュエータ５７１の動作をそれぞれ関連させて制御するコントローラ５１２も構成として有する。宇宙用固体推進剤推進機５００は、第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００と比較すると、ノズル５０７に対応する構成を有しておらず、推進用レーザ光線発振器アクチュエータ５７１を有している点が相違する。宇宙用固体推進剤推進機５００は、固体推進剤５０１を推進剤として使用する。
固体推進剤５０１は、第１の実施形態における固体推進剤１０１と同様に、宇宙用固体推進剤推進機５００から放出させられることによって推力を生じさせるために、加熱によって昇華する物質からなる推進剤である。固体推進剤５０１は、放出させるときより相対的に小さいエネルギー（付着エネルギー）を与えられて加熱されることによって溶解あるいは昇華する物質であり、これによって固体推進剤を固体推進剤付着ドラム５０３に付着させてそこに転移させることができる。
固体推進剤保持容器５０２、固体推進剤付着ドラム５０３、固体推進剤付着ドラム回転モータ５０４、付着用レーザ光線発振器５０５Ａ、固体推進剤給送バネ５０９、およびコントローラ５１２は、第１の実施形態などの対応する構成要素と同じ構造を有する。ただし、コントローラ５１２が推進用レーザ光線発振器アクチュエータ５７１にも接続されている点が相違する。
推進用レーザ光線発振器アクチュエータ５７１は、レーザ光線照射方向可変手段の一形態であり、好適にはそれの可動部が推進用レーザ光線発振器５０５Ｂに接続されたリニアアクチュエータあるいはロータリーアクチュエータである。コントローラ５１２は、所望の推進ジェットの噴出方向に基づいて推進用レーザ光線発振器アクチュエータ５７１の可動部の動作量を決定し、推進用レーザ光線発振器アクチュエータ５７１がその動作量だけ可動部を動作させるように制御する。これによって、推進用レーザ光線発振器アクチュエータ５７１は推進用レーザ光線発振器５０５Ｂの向きを変化させ、推進用レーザ光線５０６Ｂの照射方向を変化させる。推進用レーザ光線５０６Ｂが照射される放出位置５１１は噴出方向に応じて変化させられる。
宇宙用固体推進剤推進機５００は、第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００のノズル１０７に対応する構成は必ずしも必要ない。この場合、放出位置５１１の変化し得る範囲を大きくすることができ、推進ジェットの方向、すなわち推力の向きを大きく変えることができる。なお、図示しないが、第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００のノズル１０７と同様に位置に配置されるノズル５３２を有するようにすることもできる。ノズル５３２は、ノズル５３２の上流端の開口部が放出位置５１１の変化し得る範囲のすべてを囲むようにそれに近接して配置される。ノズル５３２の上流端の開口部は円形ではなく、放出位置５１１の変化し得る範囲に沿った帯状あるいは楕円形が好適であり、ノズル５３２の断面も帯状あるいは楕円形が好適である。ノズル５３２は、昇華した固体推進剤５０１が周囲に拡散して機器等に再固化して付着し、周辺を汚染させることを防ぐとともに、推進ジェット５０８の噴出方向や噴出速度が適切になるように制御することにより、効率的な推力が得られるようにする。
次に、宇宙用固体推進剤推進機５００の動作について説明する。宇宙用固体推進剤推進機５００の動作は第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００などの動作と共通する部分があるが、以下のように、固体推進剤５０１を放出させるための構成や動作がそれとは異なっている。
固体推進剤付着ドラム５０３は、第１の実施形態と同様に、付着用レーザ光線発振器５０５Ａから照射された付着用レーザ光線５０６Ａによって、その表面に固体推進剤５０１が付着させられている。固体推進剤付着ドラム５０３に付着した固体推進剤５０１は、コントローラ５１２の制御により、固体推進剤付着ドラム回転モータ５０４によって、所望の推進ジェット５０８の噴出方向に応じて推進用レーザ光線発振器アクチュエータ５７１により向きが変化させられた推進用レーザ光線発振器５０５Ｂが放射する推進用レーザ光線５０６Ｂの照射方向にある放出位置５１１まで移送される。
コントローラ５１２は、固体推進剤５０１が推進用レーザ光線５０６Ｂの照射方向にある放出位置５１１に移送されてきたことを、センサーや固体推進剤付着ドラム回転モータ５０４の回転量などから検知し、推進用レーザ光線発振器９０５Ｂに推進用レーザ光線５０６Ｂを発振させて放射させ、それを放出位置５１１に移送されてきた固体推進剤付着ドラム５０３上の固体推進剤５０１の付着部分に対して固体推進剤付着ドラム５０３を通じて裏面から照射させる。固体推進剤５０１が連続的に移送されてくる場合は、推進用レーザ光線５０６Ｂも連続的に照射される。推進用レーザ光線５０６Ｂが照射された固体推進剤５０１は、推進用レーザ光線５０６のエネルギーを吸収して加熱されて昇華し、高温高圧のガスとなる。その高圧化したガスは、放出位置５１１における固体推進剤付着ドラム５０３の表面から垂直方向に同じ大きさの圧力を受けてその方向に加速される。それは、ノズル５３２に導かれて推進ジェット５０８としてノズル５３２の開口方向の範囲内の所望の方向の下流に向けて放出させられ、その反作用として推力を生じさせる。コントローラ５１２は、所望の方向に応じて、推進用レーザ光線発振器アクチュエータ５７１を動作させて推進用レーザ光線発振器５０５Ｂの向きを変化させて放出位置５１１を変化させ、所望の方向に推進ジェット５０８を噴出させる動作を継続する。以下、第１の実施形態における宇宙用固体推進剤推進機１００と同じ動作を行って、コントローラ５１２は、固体推進剤付着ドラム５０３の固体推進剤５０１の付着部分が付着位置５１０に反復的に復帰させられるように制御する。
これまで各種の実施形態を説明してきたが、まとめると、以下に示すように種々の部分的構成について種々のバリエーションが存在する。宇宙用固体推進剤推進機においては、以下に示すように、それらのバリエーションを可能な範囲で自由に組み合わせてそれを構成することができる。
１．固体推進剤の化学的特性
（１）熱昇華性
（２）熱昇華性かつ放電によりプラズマ化
この項の「（１）熱昇華性」は、３項において「（１）レーザ加熱」または「（２）放電加熱」の場合において使用することができる。この項の「（２）熱昇華性かつ放電によりプラズマ化」は、３項において「（３）ＰＰＴ電磁加速」の場合において使用することができる。
２．固体推進剤付着ドラムの形状
（１）円柱形
（２）部分的な円柱形
（３）平面
この項のバリエーションを自由に選択して使用することができる。
３．固体推進剤の加速方法
（１）レーザ加熱
（２）放電加熱
（３）ＰＰＴ電磁加速
上述の１項で述べた対応関係のものを使用することができる。
４．レーザ加熱における推進ジェットの噴出方向
（１）単一の推進用レーザ光線発振器による単一の噴出方向
（２）複数の推進用レーザ光線発振器の切り換えによる可変噴出方向
（３）単一の可変照射方向推進用レーザ光線発振器による可変噴出方向
この項のバリエーションを自由に選択して使用することができる。
本発明の第１の実施形態に係る宇宙用固体推進剤推進機１００の概略構成を表わす概略斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る宇宙用固体推進剤推進機２００の概略構成を表わす概略斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る宇宙用固体推進剤推進機３００の概略構成を表わす概略斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る宇宙用固体推進剤推進機４００の概略構成を表わす概略斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る宇宙用固体推進剤推進機５００の概略構成を表わす概略斜視図である。
符号の説明
１００，２００，３００，４００，５００ 宇宙用固体推進剤推進機
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１ 固体推進剤
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２ 固体推進剤保持容器
１０３，２０３，３０３，４０３，５０３ 固体推進剤付着ドラム
１０４，２０４，３０４，４０４，５０４ 固体推進剤付着ドラム回転モータ
１０５Ａ，２０５Ａ，３０５Ａ，４０５Ａ，５０５Ａ 付着用レーザ光線発振器
１０５Ｂ，２０５Ｂ，３０５Ｂ，４０５Ｂ１，４０５Ｂ２，４０５Ｂ３，４０５Ｂ 推進用レーザ光線発振器
１０６，２０６，３０６，４０６Ｂ１，４０６Ｂ２，４０６Ｂ３，５０６ レーザ光線
１０７，２０７，３０７，４３２，５３２ ノズル
３０７ａ 主放電電極
３０７ｂ 主放電電極
１０８，２０８，３０８，４０８，５０８ 推進ジェット
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０ 付着位置
１１１，２１１，３１１，４１１Ｂ１，４１１Ｂ２，４１１Ｂ３，５１１ 放出位置
１１２，２１２，３１２，４１２，５１２ コントローラ
２３１ ノズル
２３１ａ 主放電電極
２３１ｂ 主放電電極
２３１ｃ イグナイタ
５７１ 推進用レーザ光線発振器アクチュエータ

Claims (15)

  1. 固体推進剤を保持する固体推進剤保持手段と、
    前記固体推進剤保持手段が保持している前記固体推進剤の一端から前記固体推進剤をその表面に付着させる固体推進剤付着面と、
    前記固体推進剤保持手段に保持されている前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面側に送ることによって、それを前記固体推進剤付着面上に付着させる場所である付着位置に給送する固体推進剤給送手段と、
    給送によって前記固体推進剤付着面上の付着位置に接触あるいは近接させられた部分の前記固体推進剤を加熱して溶解あるいは昇華させ、それによって前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面に付着させる付着エネルギー供給手段と、
    前記固体推進剤付着面の前記固体推進剤の付着部分を移動させることによって、前記固体推進剤を、それを放出させる場所である放出位置に移送する固体推進剤移送手段と、
    前記放出位置に移送された前記固体推進剤にエネルギーを与えることによって前記放出位置における前記固体推進剤付着面からそれとほぼ垂直な方向に加速し、推進ジェットとして下流に放出させる推進エネルギー供給手段と、を有し、
    前記固体推進剤移送手段によって前記放出位置に移動させられた前記固体推進剤付着面の前記固体推進剤の付着部分は、前記固体推進剤移送手段による前記固体推進剤付着面の移動によって、前記固体推進剤保持手段に保持された前記固体推進剤の前記一端の近傍に復帰させられることを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  2. 請求項１に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記放出位置において発生した推進ジェットを上流端から取り入れ下流端から噴出させる管状の噴出部をさらに有し、
    前記噴出部は、それの上流端が前記固体推進剤付着面に近接して配置されており、
    前記放出位置は、前記固体推進剤付着面の前記噴出部の上流端に囲まれた領域内にあることを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  3. 請求項２に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記噴出部は、末広ノズル形状であることを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  4. 請求項１に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記固体推進剤は棒状に成形されており、
    前記固体推進剤給送手段は前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面側に直線的に移動させることによって給送することを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  5. 請求項４に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記固体推進剤給送手段は、前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面側に押し付ける力を与えることによって給送するように構成されたバネであることを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  6. 請求項１に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記固体推進剤付着面は少なくとも一部が透明材料で構成されており、
    前記付着エネルギー供給手段はレーザ光線発振器であり、
    レーザ光線発振器である前記付着エネルギー供給手段は、レーザ光線を発生して前記付着位置における前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面の裏面から透明材料を通して照射し、それによって前記固体推進剤を加熱して溶解あるいは昇華させることにより前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面に付着させることを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  7. 請求項１に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記固体推進剤は加熱により昇華する物質であり、
    前記固体推進剤付着面は少なくとも一部が透明材料で構成されており、
    前記推進エネルギー供給手段はレーザ光線発振器であり、
    レーザ光線発振器である前記推進エネルギー供給手段は、レーザ光線を発生して前記放出位置内の前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面の裏面から透明材料を通して照射し、それによって前記固体推進剤を加熱して昇華させることにより放出させることを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  8. 請求項２に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記固体推進剤は加熱により昇華する物質であり、
    前記推進エネルギー供給手段は前記噴出部の内部に対向配置された主放電電極とそのための主放電電源であり、
    前記主放電電源は高電圧を発生させて前記主放電電極間にそれを印加して主放電を発生させ、近傍の前記固体推進剤を加熱して昇華させることによって放出させることを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  9. 請求項８に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記主放電電極間の主放電を開始させるためのトリガ放電を行うための、前記噴出部の内部の前記固体推進剤付着面に近接して設けられたトリガ放電電極を含むイグナイタと、 前記トリガ放電のためのトリガ放電電源と、をさらに含み、
    前記主放電電極は、末広状に対向配置された棒状の電極であり、
    前記イグナイタによるトリガ放電によって前記主放電電極間に主放電が発生させられ、 前記主放電電極間の前記主放電によって昇華させられた前記固体推進剤の少なくとも一部は前記主放電によってさらにプラズマ化され、
    前記主放電電極間に発生させられたプラズマ化した前記固体推進剤に前記主放電によって流される電流と、前記主放電によって発生する磁場との電磁的相互作用によって、前記プラズマ化した前記固体推進剤は前記噴出部の下流に噴出させられることを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  10. 請求項８または９に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記主放電電極は、前記噴出部の少なくとも一部を構成していることを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  11. 請求項１に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記固体推進剤付着面の形状は円柱形であり、
    前記固体推進剤移送手段は、前記固体推進剤付着面を円柱形の中心軸を中心にして回転させることによって前記固体推進剤を前記放出位置に移送することを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  12. 請求項１に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記固体推進剤付着面の形状は底面が扇形である部分的な円柱形であり、
    前記固体推進剤移送手段は、前記固体推進剤付着面を円柱形の中心軸を中心にしてスイングさせることによって前記固体推進剤を前記放出位置に移送することを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  13. 請求項１に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記固体推進剤付着面の形状は平面であり、
    前記固体推進剤移送手段は、前記固体推進剤付着面を直線的に往復させることによって前記固体推進剤を前記放出位置に移送することを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  14. 請求項１に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記固体推進剤は加熱により昇華する物質であり、
    前記固体推進剤付着面の形状は円柱形あるいは底面が扇形である部分的な円柱形であり、
    前記固体推進剤付着面は少なくとも一部が透明材料で構成されており、
    前記推進エネルギー供給手段は前記固体推進剤付着面のそれぞれ異なる複数の位置にレーザ光線を照射する複数のレーザ光線発振器であり、
    前記放出位置は前記のレーザ光線が照射される異なる複数の位置にそれぞれ対応して設けられており、
    レーザ光線発振器である前記推進エネルギー供給手段は、レーザ光線を発生して前記放出位置内のいずれかの位置の前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面の裏面から透明材料を通して照射し、それによって前記固体推進剤を加熱して昇華させることにより放出させることを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
  15. 請求項１に記載の宇宙用固体推進剤推進機において、
    前記固体推進剤は加熱により昇華する物質であり、
    前記固体推進剤付着面の形状は円柱形あるいは底面が扇形である部分的な円柱形であり、
    前記固体推進剤付着面は少なくとも一部が透明材料で構成されており、
    前記推進エネルギー供給手段はレーザ光線の照射方向を変化させるレーザ光線照射方向可変手段を備えたレーザ光線発振器であり、
    前記放出位置は前記のレーザ光線が照射される位置に対応して設けられており、
    レーザ光線発振器である前記推進エネルギー供給手段は、レーザ光線を発生して前記放出位置内のいずれかの位置の前記固体推進剤を前記固体推進剤付着面の裏面から透明材料を通して照射し、それによって前記固体推進剤を加熱して昇華させることにより放出させることを特徴とする宇宙用固体推進剤推進機。
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