JP4347461B2

JP4347461B2 - 高熱負荷に適応する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタ

Info

Publication number: JP4347461B2
Application number: JP23720299A
Authority: JP
Inventors: バレンティアンドミニク; ブジェアジャン−ピエール; クリンゲルエリク
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2019-08-24
Also published as: JP2000073937A; IL131182A; CA2280479C; FR2782884A1; US6281622B1; DE69914987T2; EP0982976B1; RU2219371C2; CA2280479A1; FR2782884B1; DE69914987D1; UA57770C2; IL131182A0; EP0982976A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱負荷に適応する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタに関し、より詳細には、保温材で製造された部品によって形成され、その下流端が開放されているイオン化及び加速のためのメインアニュラチャンネルと、メインアニュラチャンネルの下流部分に隣接してメインアニュラチャンネルの外側に配設される少なくとも１つのホローカソードと、メインアニュラチャンネルと同心で、開放された下流端から所定の距離に配設されるアニュラアノードと、アニュラアノードにイオン化ガスを供給するパイプ及び分配マニホールドと、メインアニュラチャンネルに磁場を発生する磁気回路とを有するプラズマスラスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３に示す断面の構造を有する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタは、例えば、欧州特許第０５４１３０９号により公知である。
【０００３】
この種のスラスタは、カソード２と、アノードフォーミングガス分配マニホールド１と、内壁３ａ及び外壁３ｂにより形成されるアニュラ加速チャンネル（放電チャンバー）３を有し、更に、外側ポール６と、内側ポール７と、中心コア１２と、磁気ジャケット８と、内側コイル９と、外側コイル１０とを有する磁気回路を有している。
【０００４】
アニュラ加速チャンネル３は、アニュラ加速チャンネル３内で、半径方向の磁場の勾配を増加させることが可能な内側磁気スクリーン４と外側磁気スクリーン５との間に位置している。このチャンネル３は、円筒状の金属部品１７によって、外側ポール６へ接続されている。
【０００５】
熱的な観点から見ると、チャンネル３は、磁気スクリーン４、５だけではなく、軸及び中心コイルへの輻射を防止し、更に外部への輻射も防止する熱スクリーン１３によっても包囲されている。従って、輻射によって冷却が行われる可能性があるのは、空間へ開放されているチャンネル３の下流端のみである。結果として、チャンネルの温度は、チャンネル３がその外側面を通じて輻射可能である場合よりも高くなる。
【０００６】
国際公開公報第９４／０２７３８は、閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタ２０を開示している。この閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタ２０では、加速チャンネル２４は、図１４のこの構造の半横断面立面図に示すように、上流側でバッファーチャンバー又は緩衝チャンバー２３に接続されている。
【０００７】
図１４に示すプラズマスラスタは、保温材で製造された部品２２によって形成され、その下流端２５ａで開放されているイオン化及び加速のためのアニュラメインチャンネル２４と、少なくとも１つのホローカソード４０と、メインチャンネル２４と同心のアニュラアノード２５とを有している。イオン化ガス供給手段２６は、アニュラ分配マニホールド２７を介して、アノード２５の上流で開放されている。メインチャンネル２４に磁場を発生させる手段３１から３３及び３４から３８は、メインチャンネル２４に、チャンネル２４の下流端２５ａで最大の誘導を生ずる勾配を有するほぼ半径方向の磁場を発生させるのに適している。これらの磁場発生手段は本質上、磁気シールドに包囲された外側コイル３１と、外側及び内側のポール部材３４、３５と、第１軸コア３３と、磁気シールドに包囲された第２軸コア３２と、磁気ヨーク３６とを有している。
【０００８】
緩衝チャンバー２３は、空間へ自由に輻射可能であり、チャンネル２４を冷却するように機能する。しかしながら、外側環状コイル３１が、その最大の熱負荷を持つ部分で、チャンネル２４の冷却を妨げる。更に、第１内側コイル３３は、第２軸コイル３２に接続された磁気スクリーンによって、利用可能となった容積に対して、非常に高いアンペア回数を提供しなければならない。これにより、温度は上昇し、非常に高温になる。
【０００９】
従来知られている閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタは、静止プラズマスラスタとも呼ばれ、本質的に、静止衛星の南北制御に利用される。
【００１０】
従来知られている閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの構造的な特徴では、オペレーション中に熱の排出を最適化することは不可能である。結果として、閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタは、例えば、静止軌道への移動や惑星間の飛行のような飛行任務の主要な推進力を提供するほどの十分に高い出力レベルを有することは出来ない。特に、発生される出力に対する出力発生部を覆う面積の比は、大型のスラスタではより小さいので、従来の種類の大型のプラズマスラスタの温度は過度に上昇する、あるいは、熱流束を一定に保つのであれば、上記の従来の大型のプラズマスラスタの質量は、非常に大きくなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した欠点を取り除き、閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタにおけるオペレーションと熱の排出を最適化することを可能として、従来知られている閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの出力よりも大きな出力のプラズマスラスタを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、従来知られているプラズマスラスタに比べ、熱的及び構造的構成が改良された、閉鎖型電子ドリフトスラスタの新規な構成を提案することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、高熱負荷に適応する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタによって達成される。このスラスタは、保温材で製造された部品によって形成され、下流端が開放されているイオン化及び加速のためのメインアニュラチャンネルと、メインアニュラチャンネルの下流部分に隣接してメインアニュラチャンネルの外側に配設される少なくとも１つのホローカソードと、メインアニュラチャンネルと同心で、開放された下流端から所定の距離に配設されるアニュラアノードと、アニュラアノードにイオン化ガスを供給するパイプ及び分配マニホールドと、メインアニュラチャンネルに磁場を発生する磁気回路とを有している。
【００１４】
更に、このスラスタは、
・ほぼ半径方向の第１外側ポール部材
・円錐形の第２外側ポール部材
・ほぼ半径方向の第１内側ポール部材
・円錐形の第２内側ポール部材
・第１及び第２の外側ポール部材を相互に連結する、外側コイルによって包囲された、複数の外側磁気コア
・第１内側コイルによって包囲され、第１内側ポール部材に接続される軸磁気コア
・外側コイルの上流側に配置された第２内側コイル
を有する磁気回路で特徴付けられる。
【００１５】
第１及び第２の外側ポール部材を相互に連結する複数の外側磁気コアの存在により、セラミックチャンネルの内壁から来る輻射の大部分が、第１及び第２の外側ポール部材の間を通ることを可能にする。第２外側ポール部材の円錐形状は、外側コイルのために利用可能な容積を増加すること及び輻射が起こり得る立体角を大きくすることを可能にする。第２内側ポール部材の円錐形状は又、磁束を導いて、第２内側コイルのためのシールド機能を果たすようにすると共に、第１内側コイルに利用可能な容積を増加させる。
【００１６】
好ましくは、プラズマスラスタは、円錐形の第２内側ポール部材の上流部分へ軸磁気コアを接続する複数の半径方向のアームと、第１の半径方向のアームを延長し、前記複数の外側磁気コア及び円錐形の第２外側ポール部材の上流部分へ接続される複数の第２の半径方向のアームとを有している。
【００１７】
第１の半径方向のアームの数及び第２の半径方向のアームの数は、外側磁気コアの数と等しい。
【００１８】
各々の第１の半径方向のアームと対応する第２の半径方向のアームとの間には、小さな隙間を残し、第２内側コイルの作用を増すようにする。
【００１９】
本発明の重要な態様では、プラズマスラスタは、熱伝導性の良い材料で製造した構造ベースを含み、この構造ベースは、スラスタの機械的支持部を構成し、軸磁気コア、第１及び第２の外側ポール部材、第１及び第２の内側ポール部材とは別体であり、熱伝導により第１内側コイル、第２内側コイル、及び外側コイルを冷却するように機能する。
【００２０】
好ましくは、構造ベースの側面には、輻射可能なコーティングが施される。
【００２１】
好ましくは、メインアニュラチャンネルは、上流部分において切頭円錐形状であり、下流部分において円筒形状である軸線を含む断面を有し、アニュラアノードは、円錐台状のテーパを有する軸線を含む断面を有する。
【００２２】
１つの形態によると、メインアニュラチャンネルを形成する部品は、一体型ブロックで構成されるアニュラチャンネルを形成し、拡張スロットを設けられた一体型の支持部によってベースへ接続され、ねじの係合によって一体型の支持部へ固定される。
【００２３】
他の実施形態では、アニュラメインチャンネルは、それぞれが個々の支持部を介してベースへ接続される断熱セラミック製の２つのリング状の部品によって形成される下流端を有し、アニュラメインチャンネルの上流部分は、支持部から真空によって電気的に絶縁されるアノードの壁により形成される。個々の支持部は同軸である。
【００２４】
例えば、断熱セラミック製の部品の軸方向長さとチャンネルの幅との比は、０．２５から０．５の範囲にあり、アノードの壁と断熱セラミック製の部品の支持部との間の距離は、０．８ｍｍから５ｍｍの範囲にある。
【００２５】
アノードは、ベースに対して、中実のコラム及び柔軟なブレードによって固定されている。
【００２６】
第２の半径方向のアームと、絶縁装置に接続されるイオン化ガスの供給パイプと、アノードにバイアスをかけるラインと、外部コイルと第１及び第２内側コイルに電力を供給するワイヤーとを受承するために、凹部をベースに設けることが可能である。
【００２７】
構造ベースが存在するために、磁気回路は、ほぼ磁束を導く機能を果たすことが可能であると共に、例えば、側面が陽極処理された軽合金、又は銅のデポジットで下流面がコーティングされたカーボン−カーボン複合材料等の熱伝導性の良い材料で製造された剛体のベースが、伝導によってコイルを冷却し、輻射によって損失熱を排出し、更に、スラスタの構造的強度を提供するように同時に機能する。
【００２８】
プラズマスラスタは、メインアニュラチャンネルの上流側に配置される超断熱材のシートを含んでおり、これらの超断熱材のシートは、メインアニュラチャンネルと第１内側コイルとの間にも配置される。
【００２９】
第１の構成例では、上流側の円錐形状第２内側ポール部材の円錐の頂点は、下流を向いている。
【００３０】
他の構成例では、上流側の円錐形状第２内側ポール部材の円錐の頂点は、上流を向いている。
【００３１】
本発明の他の形態によると、プラズマスラスタは、第１内側コイル、円錐形状第２内側ポール部材、及び第２内側コイルを支持する共通支持部を含んでおり、これら第１内側コイル、円錐形状第２内側ポール部材、及び第２内側コイルは、この共通支持部へ、ろう付けによって、又は拡散溶接によって固定される。そして、前記共通支持部は、熱伝導性のシートをベースと共通支持部との間に挟んで、ねじ手段によってベースへ取り付けられる。
【００３２】
特定の実施形態においては、最大の熱負荷を持つ第１内側コイルを冷却する効果を改善するため、第１内側コイルは、共通支持部の内側部分に接続されると共に磁気コアの凹部に配置されるヒートパイプによって冷却される。
【００３３】
他の形態においては、第１内側コイルは、共通支持部の上流部分に接続されると共に第２内側ポール部材に形成された開口部を通る複数のヒートパイプによって冷却される。
【００３４】
好ましくは、円錐形状第２外側ポール部材は、開口部を有している。
【００３５】
第１及び第２の外側ポール部材は、開口部を有する非磁性の構造リンク部材によって、機械的に接続される。
【００３６】
他の実施形態においては、外側コイルの外側磁気コアは、外側磁気コアの軸線が、第１及び第２の外側ポール部材の円錐の母線によって形成される角度の二等分線に対しほぼ垂直であるように、スラスタの軸線に対して、角度βで傾斜している。
【００３７】
更に他の形態によると、アニュラアノードは、内部バッフルを備えると共に２つのアニュラダイアフラムを形成するためにメインチャンネルの壁と協働する平坦な下流プレートを有するマニホールドと、下流方向へのガスの漏洩を制限するためにメインチャンネルの壁に取り付けられるリアプレートと、イオン化ガスをメインチャンネルへ注入するための穴部を備えた円筒状の壁とを含んでいる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの第１の例を示す図１、２を参照する。
【００３９】
図１、２の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタは、保温壁１２２によって形成されるイオン化と加速のためのメインアニュラチャンネル１２４を有している。チャンネル１２４は、その下流端１２５ａにおいて開放されており、軸線を含む断面では、上流部分において切頭円錐形状であり、下流部分において円筒形状である。
【００４０】
ホローカソード１４０は、メインチャンネル１２４の外側に配置され、スラスタの軸線Ｘ′Ｘに対して、好ましくは、角度αを成している。αは１５°から４５°の範囲である。
【００４１】
軸線を含む断面において、アニュラアノード１２５は、下流方向が開放されている円錐台状のテーパを有する断面形状を有する。
【００４２】
アノード１２５は、プラズマと接触する表面積を増加するスロットを有することが可能である。イオン化ガス分配マニホールド１２７から供給されるイオン化ガスを注入する穴部１２０が、アノード１２５の壁を通して形成される。マニホールド１２７へは、パイプ１２６によってイオン化ガスが供給される。
【００４３】
以下でアノード１２５の特定の例について、図４、５を参照して説明する。
【００４４】
アノード１２５とカソード１４０との間の放電は、磁気回路によって決定される磁場分布によって制御される。
【００４５】
磁気回路は、ほぼ半径方向の第１外側ポール部材１３４を有している。この外側ポール部材１３４は、平面状、又は、出口平面Ｓ（図１）に対して、僅かに＋１５°から−１５°の範囲の角度ｅ₁を形成する円錐状であっても良い。
【００４６】
第１外側ポール部材１３４は、外側コイル１３１で包囲された複数の磁気コア１３７によって、僅かに円錐形状である可能性のある第１外側ポール部材１３４よりもはっきりした円錐形状である第２外側ポール部材３１１に接続されている。第２外側ポール部材３１１の円錐母線角ｅ₂は、２５°から６０°の範囲とされる。第２外側ポール部材３１１は、好ましくは、半径方向の大きさを縮小するように、外側コイル１３１に合うように開口され、チャンネル１２４の壁１２２を構成するセラミックからの輻射による冷却効果を改善するようにコイル間において開口される。
【００４７】
ほぼ半径方向の第１内側ポール部材１３５は、平面状、又は、出口平面Ｓに対して、僅かに＋１５°から−１５°の範囲の角度ｉ₁を形成する円錐状であっても良い。
【００４８】
第１内側ポール部材１３５は、第１内側コイル１３３によって包囲された中央軸磁気コア１３８から延設されている。軸磁気コア１３８は、それ自身、スラスタの上流部分において、第２内側ポール部材３５１へ接続される複数の半径方向のアーム３５２によって延長される。この第２内側ポール部材３５１は、上流側にあり、スラスタの軸線Ｘ′Ｘに対して、１５°から４５°の範囲の円錐母線角ｉ₂を呈する円錐形状である。図１、２の実施形態では、第２内側ポール部材３５１の円錐の頂点は、下流方向を向いている。本明細書の説明では、「下流方向」とは、出口平面Ｓ及びチャンネル１２４の開放端１２５ａに近接する領域に向かうことを意味し、「上流方向」とは、アノード１２５及びイオン化ガス供給マニホールド１２７が取付けられるアニュラチャンネル１２４の閉鎖部分へ向かって行く、出口平面Ｓから遠い方の領域に向かうことを意味する。
【００４９】
第２内側磁気コイル１３２は、第２内側ポール部材３５１の上流部分の外側に配置される。第２内側コイル１３２の磁場は、半径方向のアーム３５２と整列して配置される半径方向のアーム１３６によって、及び第２外側ポール部材３１１及び第２内側ポール部材３５１によって導かれる。第２内側コイル１３２の作用を完全なものとするために、例えば、幅が約１ｍｍから４ｍｍの小さな隙間を半径方向のアーム３５２と半径方向のアーム１３６の間に残すことが可能である。
【００５０】
軸磁気コア１３８は、半径方向のアーム３５２と整列して配置される複数の磁気アーム１３６によって、外側磁気コア１３７へ接続される。半径方向のアーム３５２の数と半径方向のアーム１３６の数とは、外側磁気コア１３７に配置される外側コイル１３１の数に等しい。
【００５１】
本発明の重要な態様によると、コイル１３３、１３１及び１３２は、熱伝導材製の構造ベース１７５を介して、熱伝導によって直接的に冷却され、前記ベース１７５は又、スラスタの機械的支持部として機能する。ベース１７５は、好ましくは、その側面に、損失熱の空間への輻射を改善するために、輻射可能なコーティングを施される。
【００５２】
ベース１７５は、軽合金で製造することが可能で、輻射率を増加させるように、その側面を陽極処理される。
【００５３】
ベース１７５は又、例えば銅等の金属のデポジットで下流面がコーティングされたカーボン−カーボン複合材料で製造することが可能で、側面の輻射率を最大にし、チャンネルのセラミックからの輻射に曝される下流面の吸収率を最小化するようにする。
【００５４】
構造的支持部、及び伝導によってコイル１３１、１３３、１３２を冷却する手段の両方として作用する強度の高いベース１７５の存在により、磁気回路を可能な限り軽量化することが可能となる。
【００５５】
図１、２の例では、磁気回路は４つの外側コイル１３１を有し、この内の２つが図２に示されている。しかしながら、外側コイル１３１の数が、４つでない場合も可能である。
【００５６】
外側コイル１３１と、接続された外側磁気コア１３７とは、磁場を発生させ、その一部が下流及び上流の外側ポール部材１３４、３１１によって導かれる。残りの磁場は、軸磁気コア１３８の廻りでグループ化したアーム１３６によって集められ、軸磁気コア１３８自体には、下流内側ポール部材１３５と、第１軸コイル１３３と、上流側の円錐形状第２内側ポール部材３５１と、第２コイル１３２とが設けられる。
【００５７】
コイル１３２によって供給される磁束は、ポール部材３５１、コア１３８、半径方向のアーム１３６、ポール部材３１１によって導かれ、コイル１３２は、特別な磁気シールドを必要としない。
【００５８】
図７を参照すると、コイル１３３、ポール部材３５１、及びコイル１３２が、共通支持部３３２と共に組立体を構成することがわかる。この組立体は、機械的観点及び熱的観点の両方から一体型ブロックと見なされ、この一体型ブロックの組立体は、ベース１７５を介し、熱伝導によって、効果的に冷却される。
【００５９】
コイル１３３、ポール部材３５１、及びコイル１３２は、ろう付け又は拡散溶接によって、共通支持部３３２へ固定される。支持部３３２自体は、ねじによって、ベース１７５へ取付けられる。伝導シートが、ベース１７５とサポート３３２との間に挿入され、ベース１７５とサポート３３２との間の接触面での熱抵抗を減少させる。ポール部材の内側の穴部に軸磁気コア１３８が挿入され、２つの内側コイル１３３、１３２及びポール部材３５１が、コア１３８に共に取付け可能であるようにする。
【００６０】
従来のプラズマスラスタでは、アニュラチャンネル１２４を形成するセラミック材料の構造１２２は、外側ポール部材に対して、金属製の支持部によって保持される。
【００６１】
本発明では、図１、２及び図６の例に示すように、チャンネル１２４を形成するセラミック材料の構造１２２は、スラスタの後部（即ち、上流端）へ、金属製の支持部１６２によって固定され、支持部が部品１２２の下流部分からの輻射の障害物を構成しないようにし、部品１２２が自由に空間へ輻射するようにする。
【００６２】
窒化ホウ素をベースとした幾つかのセラミックは、金属へのろう付けが困難である。この問題は、機械的締結法を利用すれば解決される。
【００６３】
例えば、セラミック材料製の部品１２２と支持部１６２との両方に、断面が半円形のねじ山を設けることが可能である。次いで、２つの部品１２２、１６２の間に、ワイヤー１６３を介挿して、この２つの部品１２２、１６２を結合することが可能である。上記の配置により、従来は磁気回路のエレメントに取付けられていたセラミック部品１２２を、支持部１６２に取付けることが可能になる。
【００６４】
金属製の支持部１６２には、弾力的な締付けを提供すると共に、金属とセラミックとの間の異なる膨張率に対応することを可能とする指状部分を形成する、リブ１６５と、ノッチ１６４を設けることが可能である。
【００６５】
又、支持部の固定突出部を逆にして、つまり、円筒状の支持部１６２の内側の方に向けて、アノードにバイアスを掛けるためのワイヤー１４２と、イオン化ガスをマニホールド１２７に供給するためのパイプ１２６とを通す開口部を有し、セラミック部品１２２が支持部１６２へねじで取付けられるマウントを使用することも可能である。
【００６６】
図１１は、チャンネル１２４の他の実施形態を示している。
【００６７】
高いスラストを発生する、つまり、直径の大きなスラスタについては、アニュラチャンネル１２４を形成するセラミック部品を一体型で製造することは困難である。このため、セラミック材料製の部品１２２は、２つの別々のリング１２２ａと１２２ｂに分けられ、別々の支持部１６２ａと１６２ｂに取付けられる。
【００６８】
リング状のセラミック支持部１２２ａと１２２ｂの長さのチャンネル１２４の幅に対する比は、一般には、０．２５から０．５の範囲とされる。チャンネル１２４の残りの部分は、アノード１２５の壁によって形成される。アノード１２５と２つの支持部１６２ａ、１６２ｂとの間の電気絶縁は、真空によりもたらされる。アノード１２５の壁と支持部１６２ａ、１６２ｂとの間の距離は、０．８ｍｍから５ｍｍの範囲であり、小さな隙間を構成する。
【００６９】
図１１に示すアノード１２５は、例えば、剛体のベース１７５に固定された１５１のような絶縁装置によって支持され、この剛体のベース１７５は、例えば１５１のような絶縁装置のための自然の静電スクリーンを構成する。絶縁装置１５１は、柔軟なブレード１１５ａが延設され、絶縁装置を膨張率の差により生ずる力から保護する。
【００７０】
大直径のプラズマスラスタに関しては、上流の内側ポール部材３５１を、頂点が下流ではなく上流に向いた円錐形状とすることも又、有利である。下流部分においてコイル１３３の直径が大きいということが、底辺の大きな台形形状の場合に比べて上流部分においてコイルが小さいということを補い、又、別々のリング１２２ａ、１２２ｂと連結されるリング支持部１６２ａ、１６２ｂを組込むことをより容易にする。
【００７１】
一方、直径のさほど大きくないプラズマスラスタに関しては、上流の内側ポール部材３５１を、頂点が下流に向いた円錐形状とすることにより、台形形状の断面のコイル１３３とベース１７５（図１）との間の接触面積を増加させることが可能となり、又、どのように磁場が分布されるかを決定するポール部材３５１、１３５の端部１１１、１１２の位置に影響を受けることなく、下流の内側コイル１３３のための大きな容積を保持することが可能となることがわかる。
【００７２】
外側ポール部材１３４、３１１の間に配置される磁気コア１３７に取付けられる外側コイル１３１（例えば、３から８個あっても良い）の使用により、アニュラチャンネル１２４の外側壁からの輻射の大部分を放出することが可能となる。第２外側ポール部材３１１の円錐形状は、外側コイル１３１のために利用可能な容積を増加させることと、輻射が起こる立体角を増加させることを可能にする。円錐形状外側ポール部材３１１には又、好ましくは、セラミック部品１２２の見える部分を増加する開口部が設けられて、非常にコンパクトで、大きなオープンスペースを有する磁気回路を得られるようにし、それによって、輻射がチャンネル１２４の全側面から起こることが可能になる。
【００７３】
既に述べたように、ベース１７５は、本質的に構造上の機能を果たしている。この剛体ベース１７５は、高い共振周波数を有している。ポール部材についても同じことが要求される。残念ながら、上流の外側ポール部材３１１に開口部を設けると、その共振周波数は比較的低くなる。同様に、下流の外側ポール部材１３４がほぼ平坦な形状の場合にも、共振振動数はあまり高くない。この問題を解決するために、２つのポール部材３１１、１３４の間に、ほぼ円錐状の非磁性リンク部材３４１（図９）を配置することが可能である。輻射が起こることを可能とするために、部材３４１自体には、多くの開口部がなければならないが、部材３４１を構成している格子状のエレメントが、引張及び圧縮に作用するので、共振周波数は損なわれない。
【００７４】
図１０に示した他の実施形態では、外側コイルのために利用可能な容積は、ポール部材１３４、３１１の形状と外側コイルのために利用可能な容積との間の関係により、コイルの軸線を傾斜させることによって改善される。例えば、外側コイル１３１が、スラスタの軸線Ｘ′Ｘと角度βを形成する場合には、外側コイル１３１の軸線が、２つのポール部材１３４、３１１の円錐の母線によって形成される角度ｕの二等分線に対してほぼ垂直であるようすると、外側コイル１３１をより大きな容積とし、ベース１７５の大きさを縮小することが可能である。図１０に示すように、ここでは図をわかり易くするために、チャンネル１２４と、コイル１３３、１３２と、ポール部材３５１とが省略されているが、傾斜した外側コイル１３１の使用と開口部を有する円錐形状外側ポール部材３１１とを組合せることは可能である。
【００７５】
上述したように、ベース１７５は、共通支持部３３２、コイル１３３、１３２、及び図２に示すように好ましくはノッチが設けられているポール部材３５１の熱伝導によって、冷却効果において重要な役割を果たす。
【００７６】
しかしながら、最大の熱負荷を持つコイル１３３の冷却は、一つ以上のヒートパイプを使用することにより改善可能である。図８には、軸磁気コア１３８の凹部３８１に適合されたヒートパイプ４３３が示されているが、これらは接触していない。ヒートパイプ４３３は、支持部３３２を一定温度に維持するように、コイル１３３の共通支持部３３２の内面へ溶接、又はろう付けすることが可能である。
【００７７】
図３は、コイル１３３のための支持部の上流部分へ接続され、上流の内側ポール部材３５１に形成された開口部を通る複数のヒートパイプ４３３ａ、４３３ｂによって冷却されるコイル１３３を示している。
【００７８】
図１、２を再び参照すると、アニュラチャンネル１２４の上流側に配置されたスクリーン１３０を形成する超断熱材料のシートと、チャンネル１２４と第１内側コイル１３３の間に配置されるスクリーンを形成する超断熱材料のシート３０１とが示されている。このように、超断熱スクリーン１３０、３０１は、チャンネル１２４によって、内側コイル１３３、１３２及びベース１７５に向かって輻射される熱流束の大部分を遮断する。対照的に、チャンネル１２４を形成する部品１２２は、ポール部材１３４、３１１の間の立体角を通して、空間に自由に輻射する。
【００７９】
図１１の実施形態では、静電スクリーン３０２は、アノード１２５の上流側に配置され、超断熱材料１３０のシートを適所に保持すると共に、パッシェンの法則が（真空による絶縁について）成立することを確実にする。更に、外側サポート１６２ａの外面には、セラミックの部品１２２ａ、１２２ｂの冷却を促す輻射可能なコーティングを施すことが可能である。
【００８０】
図１２は、上流の第２内側ポール部材３５１の円錐が、上流を向いている本発明のプラズマスラスタの特定の実施形態を示す。この配置は、より詳細には、直径の大きなスラスタに適するが、図１２に示すような一体型のセラミック材料の部品１２２によって形成される加速チャンネル１２４や、図１１を参照して上述したような２つの別々のセラミック材料の部品１２２ａ、１２２ｂによって形成される加速チャンネル１２４についても同様に適しており、使用可能である。図１２では、種々のエレメントが、先に図を参照して、説明したエレメントと機能的に同等であり、これらについては、特に図１、２と同じ参照番号を付してある。これらについては再度説明しない。
【００８１】
図１２でわかるように、凹部又はミル加工部分７５１が、ベース１７５に形成され、第２の半径方向アーム１３６と、アノード１２５にバイアスをかけるライン１４５と、外側コイル１３１と第１及び第２の内側コイル１３３、１３２に電力を供給するワイヤー３１３、３２３、３３３とを受承する（図７及び図１２）。凹部が又、ベース１７５に形成され、イオン化ガスを供給する、絶縁装置３００が設けられたパイプ１２６を受承するようにすることも可能である（例を図４に示す）。
【００８２】
好ましくは、外側コイル１３１と、第１及び第２の内側コイル１３３、１３２は、無機絶縁遮蔽ワイヤーで製造される。コイル１３１、１３２、１３３に巻かれているワイヤーは、高い熱伝導性を有するろう付け金属によって固定される。
【００８３】
外側コイル１３１と、第１及び第２の内側コイル１３３、１３２とは、直列に接続され、カソード１４０と、アノード−カソード放電のための電力源の陰極とへ電気的に接続される。
【００８４】
従来技術の実施形態では、例えば図１４に示す実施形態のように、アニュラバッファーチャンバー２３は、半径方向の大きさについて、メインアニュラチャンネル２４より大きく、アニュラアノード２５が位置している領域を越えて、メインアニュラチャンネルから上流へ延設されている。
【００８５】
図１に示す本発明の実施形態では、軸線を含む断面が上流部分で切頭円錐形状であり、下流部分で円筒形状であるメインアニュラチャンネル１２４を使用することによって、よりコンパクトな配置が可能である。この場合、アニュラアノード１２５は、軸線を含む断面において、円錐台状のテーパを有する断面形状を有する。
【００８６】
局所的にガス濃度を増加することによって、つまり、上流部分でのガスの流れの断面積を増加するのではなく減少することによって、緩衝チャンバー作用がメインチャンネル１２４において得られることが観察されている。
【００８７】
図４に、アニュラアノード１２５の１つの実施形態を示す。アノード１２５の剛体部分１１６に形成される一連の環状スロット１１７は、汚染を防止することを可能にする。イオン化ガスは、剛体のパイプ１２６を通って、注入穴部１２０によって環状スロット１１７と連通している分配チャンバー１２７に導入される。絶縁装置３００は、電気結線１４５によってアノード−カソード放電のための電力源の陽極へ接続されるアノード１２５とパイプ１２６との間に配置される。
【００８８】
アノード１２５とセラミック材料製のチャンネル１２４を形成する部品１２２との間の異なる膨張率の問題を解決可能であることが又、好ましい。
【００８９】
３つの円形コラムに固定される剛体のアノードについては、短いコラムで得られる高い固有振動数と長いコラムを必要とする高い許容熱動力応力との間で許容可能な妥協点を見出すことが可能である。
【００９０】
１つの解決法が図４に示されている。アノード１２５は、円形断面の中実コラム１１４と、柔軟なブレードを形成するために薄くなっている２つのコラム１１５との両方によって支持され、異なる熱膨張の観点から満足のいく結果が達成される。
【００９１】
図５は、加速チャンネル１２４の切頭円錐形状部分に位置するアノード１２５の他の実施形態を示す。この場合では、アニュラアノード１２５は、内部バッフル２７１を備えると共に２つのアニュラダイアフラム２７３を形成するためにメインチャンネル１２４の壁と協働する下流平面プレート２７２を含むマニホールド１２７を有している。後部プレート２７４が、メインチャンネル１２４の壁１２２に取付けられ、上流方向へのガスの漏洩を制限する。穴部１２０を有する円筒状の壁が、イオン化ガスを、メインチャンネル１２４へ注入することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの第１の特定の実施形態の半横断面図である。
【図２】図１のプラズマスラスタの斜視部分外皮切断図である。
【図３】ヒートパイプを取付けられた本発明のプラズマスラスタの中央部分の斜視図である。
【図４】本発明のプラズマスラスタへの組込みに適したアノードの斜視横断面図である。
【図５】本発明のプラズマスラスタへの組込みに適した単純構造の他のアノードの斜視部分半横断面図である。
【図６】本発明のプラズマスラスタの特定の実施形態のアニュラチャンネル支持部の半断面立面図である。
【図７】本発明のプラズマスラスタの中央部分の分解図である。
【図８】本発明のプラズマスラスタの第１内側コイルに接続されたヒートパイプを示す断面図である。
【図９】本発明のプラズマスラスタの磁気回路の外側ポール部材間の構造補強を示す斜視図である。
【図１０】本発明の他の実施形態であって、傾斜した外側コイルを取付けられたプラズマスラスタの特定の実施形態を示す部分略示図である。
【図１１】本発明のプラズマスラスタの特定の実施形態の加速チャンネルの本体の一部を形成するアノードを示す部分半横断面図である。
【図１２】本発明の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの他の特定の実施形態の半横断面図である。
【図１３】第１の従来技術の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの半横断面図である。
【図１４】第２の従来技術の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの半横断面立面図である。
【符号の説明】
１２２…メインアニュラチャンネルを構成する保温材で製造された部品
１２４…メインアニュラチャンネル
１２５…アニュラアノード
１２５ａ…下流端
１２６…パイプ
１２７…マニホールド
１３１…外側コイル
１３２…第２内側コイル
１３３…第１内側コイル
１３４…第１外側ポール部材
１３５…第１内側ポール部材
１３７…外側磁気コア
１３８…軸磁気コア
１４０…ホローカソード
３１１…第２外側ポール部材
３５１…第２内側ポール部材

Claims

高熱負荷に適応する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタであって、該スラスタが、
保温材で製造された部品（１２２）によって形成され、下流端（１２５ａ）で開放されている、イオン化及び加速のためのメインアニュラチャンネル（１２４）と、
メインアニュラチャンネルの下流部分に隣接してメインアニュラチャンネル（１２４）の外側に配設される少なくとも１つのホローカソード（１４０）と、
メインアニュラチャンネル（１２４）と同心で、開放された下流端（１２５ａ）から所定の距離に配設されるアニュラアノード（１２５）と、
アニュラアノード（１２５）にイオン化ガスを供給するパイプ（１２６）及び分配マニホールド（１２７）と、
メインアニュラチャンネル（１２４）に磁場を発生する磁気回路と、
を有し、更に、前記磁気回路が、
・ほぼ半径方向の第１外側ポール部材（１３４）と、
・円錐形の第２外側ポール部材（３１１）と、
・ほぼ半径方向の第１内側ポール部材（１３５）と、
・円錐形の第２内側ポール部材（３５１）と、
・第１及び第２の外側ポール部材（１３４、３１１）を相互に連結する、外側コイル（１３１）によって包囲された、複数の外側磁気コア（１３７）と、
・第１内側コイル（１３３）によって包囲され、第１内側ポール部材（１３５）に接続される軸磁気コア（１３８）と、
・外側コイル（１３１）の上流側に配置された第２内側コイル（１３２）と、
を有することを特徴とするスラスタ。
軸磁気コア（１３８）を円錐形状第２内側ポール部材（３５１）の上流部分へ接続する複数の半径方向のアーム（３５２）と、第１の半径方向のアーム（３５２）を延長し、前記複数の外側磁気コア及び円錐形状第２外側ポール部材（３１１）の上流部分へ接続される複数の第２の半径方向のアーム（１３６）とを有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマスラスタ。
第１の半径方向のアーム（３５２）の数及び第２の半径方向のアーム（１３６）の数が、外側磁気コア（１３７）の数と等しいことを特徴とする請求項２に記載のプラズマスラスタ。
小さな隙間が、各々の第１の半径方向のアーム（３５２）と対応する第２の半径方向のアーム（１３６）との間に存在することを特徴とする請求項２又は３の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
前記メインアニュラチャンネル（１２４）が、上流部分において切頭円錐形状であり、下流部分において円筒形状である軸線を含む断面を有することと、アニュラアノード（１２５）が、円錐台状のテーパを有する軸線を含む断面を有することとを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
前記プラズマスラスタの機械的支持部を構成し、軸磁気コア（１３８）、第１及び第２の外側ポール部材（１３４、３１１）、第１及び第２の内側ポール部材（１３５、３５１）とは別体であって、熱伝導によって第１内側コイル（１３３）、第２内側コイル（１３２）、及び外側コイル（１３１）を冷却するように機能する構造ベース（１７５）を含むことを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
前記構造ベース（１７５）の側面が、輻射可能なコーティングに覆われていることを特徴とする請求項６に記載のプラズマスラスタ。
前記メインアニュラチャンネル（１２４）を形成する部品（１２２）が、一体型のブロックで構成されるアニュラチャンネルを形成し、拡張スロット（１６４）を設けられた一体型の支持部（１６２）によってベース（１７５）へ接続され、ねじの係合によって前記一体型の支持部へ固定されることを特徴とする請求項６又は７に記載のプラズマスラスタ。
前記アニュラメインチャンネル（１２４）が、それぞれが個々の支持部（１６２ａ、１６２ｂ）を介してベース（１７５）へ接続される、断熱セラミック製の２つのリング状の部品（１２２ａ、１２２ｂ）によって形成される下流端を有することと、前記アニュラメインチャンネル（１２４）の上流部分が、真空によって支持部（１６２）から電気的に絶縁されるアノード（１２５）の壁により形成されることとを特徴とする請求項６又は７に記載のプラズマスラスタ。
前記断熱セラミック製の部品（１２２）の軸方向長さと前記チャンネル（１２４）の幅との比が、０．２５から０．５の範囲であることと、前記アノード（１２５）の壁と前記断熱セラミック製の部品（１２２）の支持部（１６２）との間の距離が、０．８ｍｍから５ｍｍの範囲であることとを特徴とする請求項９に記載のプラズマスラスタ。
前記アノード（１２５）が、前記ベース（１７５）に対して、中実のコラム（１１４、１５１）及び柔軟なブレード（１１５）によって固定されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載のプラズマスラスタ。
第２の半径方向のアーム（１３６）と、絶縁装置（３００）に接続されるイオン化ガスの供給パイプ（１２６）と、アノード（１２５）にバイアスをかけるライン（１４５）と、外部コイル（１３１）と第１及び第２内側コイル（１３３、１３２）に電力を供給するワイヤーとを受承するために、凹部（７５１）が、前記ベース（１７５）に設けられることを特徴とする請求項２又は請求項６から１１の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
前記メインアニュラチャンネル（１２４）の上流側に配置される超断熱材のシート（１３０）を含み、超断熱材のシート（３０１）が、前記メインアニュラチャンネル（１２４）と前記第１内側コイル（１３３）との間にも配置されることを特徴とする請求項１から１２の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
上流側の円錐形状第２内側ポール部材（３５１）の円錐の頂点が、下流を向いていることを特徴とする請求項１から１３の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
上流側の円錐形状第２内側ポール部材（３５１）の円錐の頂点が、上流を向いていることを特徴とする請求項１から１３の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
第１内側コイル（１３３）と、円錐形状第２内側ポール部材（３５１）と、第２内側コイル（１３２）とを支持する共通支持部（３３２）を含み、これら第１内側コイル（１３３）と、円錐形状第２内側ポール部材（３５１）と、第２内側コイル（１３２）とが、前記共通支持部（３３２）へ、ろう付けによって、又は拡散溶接によって固定されることと、前記共通支持部（３３２）が、熱伝導性のシートをベース（１７５）と共通支持部との間に挟んで、ねじ手段によって前記ベースに取り付けられることとを特徴とする請求項６から１２の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
前記第１内側コイル（１３３）が、共通支持部（３３２）の内側部分に接続されると共に前記磁気コア（１３８）の凹部（３８１）に配置されるヒートパイプ（４３３）によって冷却されることを特徴とする請求項１６に記載のプラズマスラスタ。
前記第１内側コイル（１３３）が、共通支持部（３３２）の上流部分に接続されると共に前記第２内側ポール部材（３５１）に形成された開口部を通る複数のヒートパイプ（４３３ａ、４３３ｂ）によって冷却されることを特徴とする請求項１６に記載のプラズマスラスタ。
前記円錐形状第２外側ポール部材（３１１）が、開口部を有していることを特徴とする請求項１から１８の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
開口部を有する非磁性の構造リンク部材（３４１）が、前記第１の外側ポール部材（１３４）と前記第２の外側ポール部材（３１１）との間に配置されることを特徴とする請求項１９に記載のプラズマスラスタ。
前記外側コイル（１３１）の外側磁気コア（１３７）が、外側磁気コア（１３７）の軸線が、第１及び第２の外側ポール部材（１３４、３１１）の円錐の母線によって形成される角度の二等分線に対しほぼ垂直であるようにスラスタの軸線に対して傾斜していることを特徴とする請求項１から２０の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
前記アニュラアノード（１２５）が、内部バッフル（２７１）を備えると共に平坦な下流プレート（２７２）であって該平坦な下流プレート（２７２）とメインチャンネル（１２４）の壁との間に２つのアニュラダイアフラム（２７３）を形成する平坦な下流プレート（２７２）を有するマニホールドと、上流方向へのガスの漏洩を制限するためにメインチャンネル（１２４）の壁に取り付けられるリアプレート（２７４）と、イオン化ガスをメインチャンネル（１２４）へ注入するための穴部（１２０）を備えた円筒状の壁とを含んでいることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
前記ベース（１７５）が、銅のデポジットで下流面をコーティングされたカーボン−カーボン複合材料で製造されていることを特徴とする請求項６から１２の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
前記外側コイル（１３１）と、前記第１及び第２の内側コイル（１３３、１３２）とが、無機絶縁遮蔽ワイヤーで製造されることと、前記コイル（１３１、１３３、１３２）に巻かれているワイヤーが、高い熱伝導性を有するろう付け金属によって結合されることとを特徴とする請求項１から２３の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
前記外側コイル（１３１）と、前記第１及び第２の内側コイル（１３３、１３２）とが、直列に接続され、カソード（１４０）と、アノード−カソード放電のための電力源の陰極とへ電気的に接続されることを特徴とする請求項１から２４の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
円錐形状第２外側ポール部材（３１１）が、２５°から６０°の範囲の円錐母線角を有することを特徴とする請求項１から２５の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。
円錐形状第２内側ポール部材（３５１）が、スラスタの軸線に対して、１５°から４５°の範囲の円錐母線角を有することを特徴とする請求項１から２６の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。