JP4650136B2

JP4650136B2 - ホールスラスタシミュレータ

Info

Publication number: JP4650136B2
Application number: JP2005208074A
Authority: JP
Inventors: 弘行大須賀; 貴史中川; 太一郎民田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2025-07-19
Also published as: JP2007023914A

Description

この発明はホールスラスタをシミュレートするホールスラスタシミュレータに関するものである。

従来、ホールスラスタをシミュレートするホールスラスタシミュレータは抵抗のみで構成されていた。（例えば、非特許文献１参照）

栗木恭一・荒川義博偏電気推進ロケット入門東京大学出版 2003年5月28日 P141-155

従来のホールスラスタシミュレータでは、抵抗のみで構成されていたため、実機のホールスラスタの様な過渡的な部分を模擬することができなかった。

この発明に関わるホールスラスタシミュレータは、実機のホールスラスタと同様の過渡的部分を模擬できるホールスラスタシミュレータを提供することを目的とする。

本発明に関わるホールスラスタシミュレータは、電流値が制御できる電流モード電子負荷と、抵抗値が制御できるアノード抵抗モード電子負荷とを並列に備えるアノード疑似負荷と、抵抗値が制御できるキーパ抵抗モード電子負荷と、前記キーパ抵抗モード電子負荷よりもインピーダンスが高い高抵抗負荷とを並列に備えるキーパ擬似負荷と、抵抗値を制御できるヒータ抵抗モード電子負荷を備えるホローカソードヒータ擬似負荷と、を備えるものである。

この発明によれば、実機のホールスラスタと同様の過渡的部分を模擬できるホールスラスタシミュレータを提供できる。

実施の形態１．
図１から図４の発明の実施の形態１におけるホールスラスタシミュレータを示す。図１において、衛星システムの電源装置１は、ホールスラスタ用電源装置７と接続されている。ホールスラスタ用電源装置７は、ホールスラスタシミュレータ１４に接続されている。

ホールスラスタ用電源７は、アノード電源２、キーパ電源３、ホローカソードヒータ電源４、内部電磁石電源５、外部電磁石電源６を備えている。

アノード電源２、キーパ電源３、ホローカソードヒータ電源４は、それぞれ図示しないホールスラスタのアノード、キーパに、ホローカソードヒータに電源を供給するものである。また、内部電磁石電源５は内部電磁石に、外部電磁石電源６は外部電磁石に電源を供給するものである。なお、内部電磁石電源５と外部電磁石６とは共通電源でも良い。

ホールスラスタシミュレータ１４は、アノード擬似負荷８、キーパ擬似負荷９、ホローカソードヒータ擬似負荷１０、内部電磁石擬似負荷１１、外部電磁石擬似負荷１２及び、過渡現象制御部１３を備えている。

アノード擬似負荷８は、アノード電源２と接続される。アノード擬似負荷８は、電流モード電子負荷５０とアノード抵抗モード電子負荷５１とを並列に備えている。電流モード電子負荷５０は、アノード電源２の電圧を監視し、イオンプラズマが生成可能となる電圧になった時に急峻に電流を流す電流源である。また、アノード抵抗モード電子負荷５１は、通常の電子負荷である。

キーパ擬似負荷９は、キーパ電源３と接続される。キーパ擬似負荷９は、キーパ抵抗モード電子負荷５２と高抵抗負荷５３とを並列に備えている。高抵抗負荷５３は、キーパ抵抗モード電子負荷５２よりもインピーダンスが高い。イオンプラズマが生成前の状態は、高抵抗負荷５３により模擬される。つまり、高抵負荷のインピーダンスは、一般的に数百ｋΩから数ＭΩである。イオンプラズマ生成が発生する瞬間は、キーパ抵抗モード電子負荷５２によりある所定の数式によって示されるインピーダンスとなる。

ホローカソードヒータ擬似負荷１０は、ホローカソードヒータ電源４と接続される。ホローカソードヒータ擬似負荷１０は、ヒータ抵抗モード電子負荷５４を備える。ヒータ抵抗モード電子負荷５４は、ある所定の数式によって示される範囲の時間変化で、徐々に擬似負荷のインピーダンスが増大するように動作する。

内部電磁石擬似負荷１１は、内部電磁石電源５と接続される。また、外部電磁石擬似負荷１２は、外部電磁石電源６と接続される。

アノード擬似負荷８と、キーパ擬似負荷９と、ホローカソードヒータ擬似負荷１０とは、過渡現象制御部１３により制御される。つまり、過渡現象制御部１３は、電流モード電子負荷５１、アノード抵抗モード電子負荷５１、キーパ抵抗モード電子負荷５２、ヒータ抵抗モード電子負荷５３のＯＮ／ＯＦＦを制御する。また、過渡現象制御部１３は、電流モード電子負荷５０の電流値を制御すると共に、前記各抵抗モード電子負荷のインピーダンスを制御する。詳細を図２から図４にて説明する。

図２にアノード擬似負荷８の特性を示した図である。アノード擬似負荷８は、過渡現象制御部１３からアノード過渡電流制御信号を受けて、アノード擬似負荷８がある任意の電圧になった時に、急峻に電流を流す電流モード電子負荷５０により、アノードのイオンプラズマ生成時を模擬する。

図２（１）は電流モード電子負荷５０の電流シーケンス１００と、抵抗モード電子負荷５１の抵抗シーケンス１０１とのＯＮ／ＯＦＦを示したである。電流シーケンス１００はｔ１でＯＮし、ｔ２でＯＦＦする。ｔ１はアノードにおいてイオンプラズマが発生した時刻を示している。この時刻は実機ホールスラスタのアノード電圧の測定データから求められる数値である。

また、抵抗シーケンス１００は、ｔ３でＯＮする。ｔ２とｔ３の間の時間は、電流モード電子負荷５０と、抵抗モード電子負荷５１とが同時にＯＮしている時間である。なお、ｔ２及びｔ３の時刻は、ホールスラスタ用電源装置７の電源出力特性によっても変化するため、ホールスラスタ用電源装置７と実機ホールスラスタの測定データから求められる近似値を指定すると擬似動作特性をもっともよく示す。

図２（２）は、電流モード電子負荷５０の電流変化を示すものである。ｔ１からｔ２の間電流モード電子負荷５０は電流源として電流を供給する。

アノード擬似負荷８は、実機のホールスラスタのイオンプラズマが生成可能となった瞬間のｔ１で、電流モード電子負荷５０はＯＮとなり電流を供給する。その後ｔ２でアノード抵抗モード電子負荷５１がＯＮする。ｔ３で電流モード電子負荷５０はＯＦＦとなり、定常状態となる。この定常状態は、ホールスラスタが安定的にイオンプラズマを生成している状態を模擬している。

つまり、アノード擬似負荷８の前記動作により、アノード電源２は実際のホールスラスタのアノード負荷と同様の過渡状態を得ることができる。

図３は、キーパ擬似負荷９のインピーダンス特性を示す図である。キーパ擬似負荷９は、イオンプラズマの生成前は、高抵抗負荷を示す。また、イオンプラズマが発生する瞬間は、過渡現象制御部１３からのキーパ電流制御信号によりキーパ抵抗モード電子負荷５２を過渡変化させる。キーパ抵抗モード電子負荷５２の過渡変化は、別段に示す数式により示される。

図３における時刻ｔ１は、高抵抗負荷５３による高負荷インピーダンスから、キーパ抵抗モード電子負荷５２が主体となる切り替え時間を示している。つまり、キーパ抵抗モード電子負荷５２がＯＮする時間を示し、任意の時刻でキーパ抵抗モード電子負荷５２をＯＮに切り替えることが可能である。また、逆に任意の時間でのキーパ抵抗モード電子負荷５２をＯＦＦに切り替えることも可能である。これにより、キーパ電源３から見たインピーダンスは、図３に示すように１ＭΩから２０Ωに切り替わる。

図４は、ホローカソードヒータ擬似負荷１０のインピーダンス特性を示す図である。ホローカソードヒータ擬似負荷１０は、ホローカソードヒータ電源４の電圧を監視し、過渡現象制御部１３からヒータ電流制御信号によりヒータ抵抗モード電子負荷５４を過渡変化させる。ヒータ抵抗モード電子負荷５４の過渡変化は、別段に示す数式により示される。これにより、ホローカソードヒータ電源４からみたインピーダンスは、図４に示すように変化する。

以上のように、アノード擬似負荷８、キーパ擬似負荷９、ホローカソードヒータ擬似負荷１０を備えることにより、実機のホールスラスタと同様の過渡的部分を模擬できるホールスラスタシミュレータを提供できる。

キーパ抵抗モード電子負荷５２の過渡変化を示す数式について、以下で述べる。キーパ抵抗モード電子負荷５２で模擬する導電率をｇ、キーパ陰極のアーク放電電位差をＶｐ、キーパ電源３のキーパ電流をＩとすると、単位時間当たりの伝導率変化は式（１）となる。なお、アーク放電電位差Ｖｐは実機のホールスラスタから実測することができる。

実験データを検証した結果、単位時間値の伝導率変化は式（２）で示すことができる。ここで、α１、α２、βは定数であり、実機のホールスラスタの実測データから得ることができる。

式（２）の右辺第１項は、放電開始時の電流の急激な立ち上がりを表す項であり、電子衝突による急激な電子増倍を考えている。具体的には電子衝突によるイオン化周波数である。これは電圧に強く依存するような関数であり、一例として電圧の６乗で示した。

第２項はアークのエネルギーバランスに基づく項であり、アーク放電が定常的に維持されているときに有効となる項である。従って、放電の開始時ではなく、アーク放電が安定に維持されているときの、電流と電圧の関係を与える項である。一般にアーク放電では、電流を大きくすると電圧が小さくなる、という負抵抗性の特性を示すが、この特性はこの第２項によって表現可能である。

第３項は拡散による電子損失を表す項である。すなわち電圧が非常に強いとき、右辺第１項が支配的となり絶縁破壊が生じる。放電開始によって電圧が低くなると右辺第２項が支配的となり、アークの安定な維持を表現する。さらに電圧が低くなるとアークが維持できなくなり、放電が消滅していくが、この様子が右辺第３項によって表現できる。

次に式（１）のα１、α２、βの算出方法を述べる。アーク放電が安定に維持されているとき、式（１）の左辺はゼロとなる。これを変形すると、式（３）が得られる。実機のホールスラスタで測定したアーク放電電位差をＶｐ及びキーパ電源３のキーパ電流をＩを代入することで、α１、α２、βを算出することができる。

以上のように、キーパ抵抗モード電子負荷５２の過渡変化を示す式（２）で示すことができる。これにより、過渡現象制御部１３は、キーパ擬似負荷９のキーパ抵抗モード電子負荷５２を式（２）に基づき制御する。

ヒータ抵抗モード電子負荷５４の過渡変化を示す数式について、以下で述べる。

ホローカソードの放電は陰極からの熱電子の量に非常に強く依存しており、熱電子の量は陰極の温度に依存している。従って、ホローカソードヒータ擬似負荷１０のヒータ抵抗モード電子負荷５４の過渡変化を数式で示すためには、ホローカソードの陰極温度のモデルが必要である。

ホローカソードヒータに電流を流すとジュール熱によってヒータ部の温度が上昇する。するとヒータの抵抗が高くなる。一方で熱は熱伝導や輻射によって損失するので、ヒータの温度変化は式（４）で表される。

式（４）において、右辺第１項はジュール熱による加熱、第２項は熱拡散、第３項は輻射熱を表す。なお、式（４）においてθは温度、θ₀は周囲温度、ρは密度、ｓは比熱、ｋは熱伝導率、Pをヒータへの単位時間あたりの入熱、Ｖｆをヒータ線の体積、S_fをヒータ及び陰極などが光を放出する実効的な面積である。また、σはステファン・ボルツマン係数である。

式（４）は空間微分の項を含むなど、以降のモデル化には複雑であるので、温度勾配が一定であると仮定すれば、式（５）のような時間微分のみの常微分方程式に書き換えることができる。なお、式（５）において、αｈ、βｈ、γｈは測定結果から求まる定数である。

ここで、ホローカソードヒータ温度をＴｃとし、初期温度をＴ０とすると、式（５）は、式（６）に変形できる。

ホローカソードヒータ温度Ｔｃが決まれば、ホローカソードヒータの透過インピーダンスＺｈはＴｃの関数として示すことができる。例えば、ホローカソードヒータが金属材料と仮定すれば、１次または２次関数として示すことができ、また半導体材料と仮定すれば金属材料とは異なる関数で示すことができる。つまり、ＺｈはＴｃを用いて式（７）の様に示すことができる。

以上のように、ヒータ抵抗モード電子負荷５４の過渡変化を示す式（７）で示すことができる。これにより、過渡現象制御部１３は、ホローカソードヒータ擬似負荷１０のヒータ抵抗モード電子負荷５４を式（７）に基づき制御する。なお、式（７）のＴｃは、式（６）により求めることができる。

本発明に関わるホールスラスタシミュレータは、電流値が制御できる電流モード電子負荷と、抵抗値が制御できるアノード抵抗モード電子負荷とを並列に備えるアノード疑似負荷と、抵抗値が制御できるキーパ抵抗モード電子負荷と、前記キーパ抵抗モード電子負荷よりもインピーダンスが高い高抵抗負荷とを並列に備えるキーパ擬似負荷と、抵抗値を制御できるヒータ抵抗モード電子負荷を備えるホローカソードヒータ擬似負荷と、を備えるものであり、実機のホールスラスタと同様の過渡的部分を模擬できる。

このように、本発明によれば実機のホールスラスタと同様の過渡的部分を模擬できるホールスラスタシミュレータを提供できる。

本発明の実施の形態１を示す図である。アノード擬似負荷８の特性を示す図である。キーパ擬似負荷９のインピーダンス特性を示す図である。ホローカソードヒータ擬似負荷１０のインピーダンス特性を示す図である

符号の説明

１衛星システムの電源装置、２アノード電源、３キーパ電源、４ホローカソードヒータ電源部、５内部電磁石電源、６外部電磁石電源、７ホールスラスタ用電源装置、８アノード擬似負荷、９キーパ擬似負荷、１０ホローカソードヒータ擬似負荷、１１内部電磁石擬似負荷、１２外部電磁石擬似負荷、１３過渡現象制御部、１４ホールスラスタシミュレータ、５０電流モード電子負荷、５１アノード抵抗モード電子負荷、５２キーパ抵抗モード電子負荷、５３高抵抗負荷、５４ヒータ抵抗モード電子負荷、１００電流シーケンス、１０１抵抗シーケンス。

Claims

電流値が制御できる電流モード電子負荷と、抵抗値が制御できるアノード抵抗モード電子負荷とを並列に備えるアノード疑似負荷と、
抵抗値が制御できるキーパ抵抗モード電子負荷と、前記キーパ抵抗モード電子負荷よりもインピーダンスが高い高抵抗負荷とを並列に備えるキーパ擬似負荷と、
抵抗値を制御できるヒータ抵抗モード電子負荷を備えるホローカソードヒータ擬似負荷と、を備えるホールスラスタシミュレータ。
電磁石の負荷を模擬する内部電磁石擬似負荷と、外部電磁石擬似負荷と、を備える請求項１に記載のホールスラスタシミュレータ。
前記アノード抵抗モード電子負荷と、前記キーパ抵抗モード電子負荷と、前記ヒータ抵抗モード電子負荷と、のインピーダンスを制御する過渡現象制御部とを備える請求項１または請求項２に記載のホールスラスタシミュレータ。
前記キーパ抵抗モード電子負荷の導電率をｇとすると、伝導率ｇの時間変化ｄｇ／ｄｔは、測定データから求まる定数をα１、α２、β、キーパ陰極のアーク放電電位差をＶｐとすると数８である請求項１から請求項３のいずれかに記載のホールスラスタシミュレータ。
前記ヒータ抵抗モード電子負荷のインピーダンスＺｈは、ホローカソードヒータ温度Ｔｃ、初期温度Ｔ０、測定データから求まる定数αｈ、βｈ、γｈとした場合数９で算出されるホローカソードヒータ温度Ｔｃを用いて数１０である請求項１から請求項３のいずれかに記載のホールスラスタシミュレータ。