JP4816004B2 - ホールスラスタ及び宇宙航行体 - Google Patents

Description

この発明は、人工衛星や宇宙探査機等の宇宙航行体の軌道制御や姿勢制御に使用される、プラズマを利用して推力を発生するホールスラスタ、及び宇宙航行体に関するものである。

現在、宇宙航行体に搭載もしくは搭載が計画されているホールスラスタについては、既に多くの学会発表等がなされており、その装置構成に関して様々な提案がなされていることは周知のところである。

このような推進装置の一例として、外部ポールピースにフレア状の磁極部品と付加的周辺磁気回路を配置し、磁気レンズの効果でプラズマプルーム発散角を制限する従来技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、このような推進装置の一例として、特に、コイルを冷却するように機能する構造ベースを有することで高熱負荷に適応する従来技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特表２００１−５０６３３７号公報 特開２０００−７３９３７号公報

近年、宇宙航行体が大型化、大電力化する傾向にあり、ホールスラスタに対しては、安定に大推力が発生できることや、宇宙探査機に利用される場合、数百時間から数千時間に及ぶ連続動作の可能性な動作性能が要求されるようになってきた。

従来のホールスラスタは、プラズマプルームの発散角が大きく、推力軸に対して３０°を超えるような高角度を有するイオンであっても２００〜３００ｅＶのエネルギーを有するイオン成分を含む（例えば非特許文献１参照。尚、アノード電圧、すなわち加速電圧の典型値は約３００Ｖである）。

Beal, B.E, and Gallimore, A.D.,Energy Analysis of a Hall Thruster Cluster, Proceeding of 28th International Electric Propulsion,Conference, Toulouse, France, 2003ＩＥＰＣ−２００３−０３５（第７頁、Ｆｉｇｕｒｅ１３）

これらのイオン成分は、ホールスラスタの搭載位置や取付角度によっては、太陽電池パドル等の宇宙航行体表面に衝突し、その表面にスパッタリングを起こす。長期間、表面のスパッタリングを受けた場合、表面の光学特性が劣化し、宇宙航行体の寿命を減じてしまうという問題があった。
特許文献１はこのような問題に対処するものであるが、外部ポールピースに付加された磁気回路による質量増加が大きいと供に、外部ポールピースを放熱面として使用できないため、大推力化には適さないという問題があった。

また、長期間の動作ではプラズマが環状チャネル表面をスパッタリングし、チャネルを構成する原子をスラスタ外に噴出する。これらスパッタリング原子は宇宙航行体に堆積し、コンタミネーションとなる。これらも長期間の動作では表面の光学特性を劣化させ、宇宙航行体の寿命を減じてしまうという問題があった。

また、従来のホールスラスタの排熱は、環状チャネルを熱伝導性のあるホルダーで支え、ホルダーをポールピースに設置することで、スラスタ前面に配置されるポールピースからの輻射放熱による排熱が主であった。一般に、深宇宙に対する輻射放熱量は（放熱面輻射率）×（放熱面積）×（放熱面温度）^４で決まる。ポールピースは通常金属磁性体から製作されるが、表面に輻射率の大きな部品を設置したり、コーティングしたりすることで、輻射率を上昇させることができる。但し、輻射率は０.８程度が上限である。放熱面温度はポールピースがキュリー点に到達すると磁気回路としての機能を果たさなくなるため、７００℃程度が限界である（スラスタ磁気回路に一般的に使用される電磁軟鉄のキュリー点は７６０℃である）。同様の温度制約は磁気回路に起磁力を発生させる電磁コイルや磁石にも存在し、例えば耐熱電線であるポリイミド線を使用した電磁コイルの場合、使用温度の上限は２００℃〜４００℃である。ホールスラスタを大推力化する場合、投入電力が大きくなるため、それに伴い、スラスタからの排熱量も大きくする必要がある。特に、放熱面積がポールピース面積で決まる場合、スラスタが大型化、重量増となり、搭載性に問題が生じてしまう。

また電磁コイルの上限動作温度に制約を設けて使用することもできるが、この場合、推力発生時間が制限され、運用に制約が発生するという問題があった。

また、特許文献２のようにスラスタ上流部に冷却ベースを設ける構造では、コイル冷却用の構造ベースからの排熱のためにヒートパイプ等の排熱装置を設置する必要があり、スラスタ自体の構造が複雑になると供に、ヒートパイプの接続等衛星システムとのインターフェースが複雑化するという問題があった。

この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、長時間の推力発生が可能となり、かつ、宇宙航行体表面特性に悪影響を与えない大推力ホールスラスタを得ることを目的とする。

この発明によるホールスラスタは、内部ポールピース、上記内部ポールピースに接続された内部磁気コア、上記内部ポールピース外側に配置された外部ポールピース、上記外部ポールピースに接続された外部磁気コア、上記内部ポールピースと外部ポールピースに対向配置されて上記内部磁気コアと外部磁気コアを接続するリターンヨーク、上記内部磁気コアの周囲に配置された内部磁気コイル、及び、上記外部磁気コアの周囲に配置された外部磁気コイルとから成り、上記内部ポールピースと外部ポールピースの間に環状ギャップを有した磁気回路と、
上記環状ギャップに配設され開放端を有する環状チャネルと、
上記環状チャネル底面に設けられたアノードディストリビュータと、
上記アノードディストリビュータに推進剤を供給する推進剤分配用リングプレートと、
推進剤導入孔を有しリング状の溝が形成され、上記環状チャネルに熱的に接続されたプレナムリングと、
上記内部磁気コイルと上記環状チャネルの間に配置され、上記内部磁気コイルの周囲を取り囲む多層の熱シールドと、
上記プレナムリングと接した円板状のヒートスプレッタと、
上記ヒートスプレッタに接した伝熱支柱と、
上記伝熱支柱に固定され、上記環状チャネルの開放端の外側に所定の距離を有して周囲を囲む壁面を有し、当該壁面の一部に開口部を有した円筒状のプルームシールドと、
上記環状チャネル外壁に接し、上記プルームシールドに接続された熱良導性の伝熱リングと、
上記プルームシールドの開口部から電子を放出する外部電子源と、
を備えたものである。

また、内部磁気コア、外部磁気コアを有する磁気回路と、
上記内部磁気コアと外部磁気コアの間隙に配置され、開放端を有した環状チャネルと、
上記環状チャネル内に配設され推進剤を放散するアノードディストリビュータと、
上記環状チャネルの開放端の外側周囲を囲むように配置され、環状チャネルと熱的に接続されたプルームシールドと、
上記環状チャネルと熱的に接続されたヒートスプレッタと、
上記環状チャネルと上記内部磁気コアの間に配置された熱シールドと、
上記プルームシールドと上記ヒートスプレッタとを熱的に接続する伝熱部材と、
を備えたものであっても良い。

さらに、この発明による宇宙航行体は、磁気回路、上記磁気回路内に配置され推進剤を放散する開放端を有した環状チャネル、上記環状チャネル内に配設され推進剤を放散するアノードディストリビュータ、及び当該環状チャネルの開放端の外側周囲を囲むように配置され、当該環状チャネルと熱的に接続されたプルームシールドを有するホールスラスタを備え、上記ホールスラスタから発散するプルームの発散角度により見込まれる角度範囲外に、（例えば、太陽電池パドルや、展開ラジエータ等の）構造体が配置されたものである。

この発明によれば、プルームシールドで広い発散角を有する高エネルギーイオンや、プラズマが生成する環状チャネルからのコンタミネーションを遮蔽するとともに、プルームシールドから輻射排熱でき、温度制約の厳しい内部電磁コイルの温度上昇を抑制できるという効果がある。

また、プルームシールドは高角度の高速イオンを遮蔽するだけでなく、環状チャネルのプラズマによる磨耗で発生するスパッタリング原子の発散も限定するので、放出されるイオンやスパッタリング原子による、宇宙航行体表面の、光学特性劣化を低減することができるという効果がある。
さらに、スラスタ自体にプルームシールドを有しているので、プルームシールドを宇宙航行体に取り付ける場合と比較して、インテグレーションやシステム設計が容易となるという効果がある。

実施の形態１．
以下、図を用いて、この発明に係る実施の形態１について説明する。
図１〜図３は、実施の形態１によるホールスラスタの構成を示している。図に記載するホールスラスタ１は、各種の部品からなるが、ここではこの発明の要旨とする部分のみを説明する。
図１はホールスラスタ１の外観を示す斜視図、図２は図１のＡＡ線を中心として外部磁気コア７の中心線を面内に含む半断面図、図３は図１のＡＡ線を中心として伝熱用支柱１７の中心線を面内に含む半断面図である。

図において、ホールスラスタ１は、環状ギャップ５０を有する磁気回路１００と、環状ギャップ５０に出口（開放端）が配置される環状チャネル２を有する。磁気回路１００は、中央に配置され高透磁性材料から作られる内部ポールピース３、内部ポールピース３と同一面の外側に配置される外部ポールピース４、リターンヨーク５、内部磁気コア６、外部磁気コア７、内部電磁コイル８及び外部電磁コイル９からなる。

内部ポールピース３は円板リング形状を成し、内部ポールピース３の面外方向に立設して環状に配置された複数個の円柱状の内部磁気コア６によって、支持される。内部磁気コア６は円板形状のリターンヨーク５に支持され、これによって内部ポールピース３とリターンヨーク５とが内部磁気コア６によって接続される。外部ポールピース４は円板リング形状を成し、外部ポールピース４の面外方向に立設して環状に配置された複数個の円柱状の外部磁気コア７によって、支持される。外部磁気コア７は環状に配置された内部磁気コア６の外周側に配置される。外部磁気コア７はリターンヨーク５に支持され、これによって外部ポールピース４とリターンヨーク５とが外部磁気コア７によって接続される。すなわち、内部ポールピース３及び外部ポールピース４とリターンヨーク５とは、内部磁気コア６及び外部磁気コア７によって鳥かご状に支持される。内部ポールピースと外部ポールピースの間には、環状ギャップ５０が形成される。

内部磁気コア６の外周には内部電磁コイル８が巻かれており、内部電磁コイル８において磁力を発生させる。外部磁気コア７の外周には外部電磁コイル９が巻かれており、外部電磁コイル９において磁力を発生させる。

環状チャネル２はチャネル内壁１０とチャネル外壁１１からなり、これらは上流端にアノードディストリビュータ１２のフランジ部を挟み込むリング状のプレート１０ｂ、１１ｂを有している。
アノードディストリビュータ１２は、断面が凸状のリングで内部は空洞であり、そのリングの内側側面及び外側側面には、各側面に沿って環状に複数の孔１３が開いている。アノードディストリビュータ１２の上流側（図２ではアノードディストリビュータ１２の下面側）には、円周上に多数の孔２００の開いた推進剤分配用のリングプレート１４が設けられており、孔１３と孔２００とは互いに連通している。リングプレート１４の上流側（図２ではリングプレート１４の下面側）に、リング状の溝２０１を有したプレナムリング１５が接している。プレナムリング１５は、溝２０１の底面に、一箇所の推進剤の導入孔２０２を有している。

プレナムリング１５は、上流（図２ではプレナムリング１５の下面）で異方性の熱伝導率を有する材料からなる中央に孔２０３の開いた、円板状のヒートスプレッタ１６と接している。ヒートスプレッタ１６の材料は面方向に高い熱伝導率を有し、厚さ方向に低い熱伝導率を有する。ヒートスプレッタ１６の材料としては、面方向に２００〜３００Ｗ／ｍ−Ｋ、厚さ方向に約５Ｗ/ｍ−Ｋの熱伝導率を有するグラファイト材が適している。プレナムリング１５の導入孔２０２はヒートスプレッタ１６の孔２０３と連通し、リターンヨークを貫通している孔を通じて、後述するイオン化ガスが注入される。

ヒートスプレッタ１６と接して、その外周縁部に高い熱伝導率を有する複数の伝熱用支柱１７が立設される。伝熱用支柱１７はリング状の外部ポールピース４に空けられたスルーホールもしくは切欠き３００を、非接触に貫通している。また、伝熱用支柱１７は、ヒートスプレッタ１６を介在してリターンヨーク５と非接触に配置されている。これによって、伝熱用支柱１７はリターンヨーク５に対し熱絶縁される。
伝熱用支柱１７にはフランジを有する凹形円筒状のプルームシールド１８が接続されている。プルームシールド１８はプラズマに対する耐性を有すると供に高い輻射率を有する材料、例えばグラファイト、から成る。
更に、伝熱用支柱１７には、フランジを有する凸形円筒状の高い熱伝導率を有し、かつ、高い輻射率を有する伝熱リング１９が熱的に接続されている。円筒状の伝熱リング１９は外部チャネル１１の外壁面と接するように配置されている。図２，３の例では、プルームシールド１８の上面に伝熱リング１９が接して、プルームシールド１８が伝熱用支柱１７に支持され、伝熱リング１９とプルームシールド１８が締結用のねじで、伝熱用支柱１７に共に固定されている。
尚、伝熱リング１９の上面にプルームシールド１８が接して、伝熱リング１９が伝熱用支柱１７に支持され、プルームシールド１８と伝熱リング１９が締結用のねじで、伝熱用支柱１７に共に固定されていても良く、さらに、プルームシールド１８と伝熱リング１９とが一体成型されていても良い。要するに、プルームシールド１８、伝熱リング１９、及び伝熱用支柱１７が、互いに熱的に密接に接続されていれば良い。尚、伝熱用支柱１７は、外部ポールピース４に対して熱絶縁されていれば良く、熱絶縁体を介在して接触していても良い。

プルームシールド１８の側面は一部に切欠き１８ｂを有する。この切欠き部１８ｂから電子源２０の電子放出孔２１を有する前面が、プルームシールド１８内部に入るように設置されている。一般に、電子源２０としてはプラズマ電子源であるホローカソードを使用することが多い。

内部電磁コイル８周囲には、多層の薄いフランジ付き円筒から成り、透磁性の熱シールド２２が配置されている。これらの熱シールド２２は円板状の内部ポールピース３もしくはリターンヨーク５にそれぞれ固定されている。図２、３の例では、内部電磁コイル８側の複数個が内部ポールピース３に固定され、環状チャネル２側の複数個がリターンヨーク５に固定されている。

内部ポールピース３の深宇宙に面する表面には高い輻射率を有する材料からなる円板状のプレート２３が設置されている。

尚、内部ポールピース３の表面に設置する高い輻射率を有するプレート２３と内部ポールピース３の間に、接触熱抵抗を低下させるためのフィラーを配しても良い。また内部ポールピース表面は高い輻射率を有する材料をＣＶＤ等の成膜装置で蒸着させてもよい。

次に、ホールスラスタ１の動作について、以下に説明する。
電子源２０を動作させ、電子が供給できる状態としておき、内部電磁コイル８及び外部電磁コイル９に通電し、磁場を発生させる。アノードディストリビュータ１２の孔１３から、キセノンやクリプトン等の電離電圧が低いイオン化ガスを環状チャネル２に供給する。ここで、アノードディストリビュータ１２に３００Ｖ程度の正の高電圧を印加すると、電子源２０とアノードディストリビュータ１２間に放電が発生し、電子はチャネル内で磁界Ｂと電界ＥのＥ×Ｂ方向に力を受け、周方向に運動する。これがいわゆるホール電流である。
尚、図２では内部ポールピース３がＮ極、外部ポールピース４がＳ極となるように磁界Ｂを記しているが、磁界の方向は逆でも構わない。周方向に飛行する電子はイオン化ガスと衝突電離を起こし、プラズマが持続的に生成する。プラズマ中のイオンは磁力線に拘束された電子により形成される電界でチャネル外部に静電加速される。その際、イオンが形成する空間電位により電子源２０から電子が供給され、スラスタ自体の電気的中性が保たれる。

次に、プルームシールド１８の主要部分について図４を用いて説明する。図４（ａ）は環状チャネル２の開放端付近を示し、図４（ｂ）は宇宙航行体としての人工衛星３０を示す。
ホールスラスタから発生するイオンエネルギープロファイルは、推力軸方向に対して３０°を越える角度を有するイオンであっても、２００〜３００ｅＶのエネルギーを有するイオンが存在する。このイオンは以下の要因で発生する。

イオンは磁力線２９に拘束された電子分布が形成する電界方向に加速されることを述べたが、チャネル壁に近い個所で発生したイオンは磁力線の曲率により、推力軸に対して外向きの角度を有する高速イオン２６となる。磁力線が曲がる理由は磁気回路に使用される磁性体の比透磁率は一般的に約５０００〜１００００と低く、真空中に漏洩するためである。
環状チャネルの中心からシールド壁位置までの距離をＬ、ホールスラスタ１のプルーム角度の半頂角（すなわち、遮蔽したい角度）をθとすると、プルームシールド１８のシールド部高さＨは、図２に示すように、Ｈ＝Ｌtan（π/２−θ）とするのが好適である。

また、プルームシールド１８はホールスラスタ１のスラスタグランドと同電位とする。前述の形状とすることで、ホールスラスタ１は遮蔽したい角度θ以下のイオン２５は放出し、θを超える高角度イオン２６を遮蔽することができる。プルームシールド１８に遮蔽されたイオン２６はスラスタグランドと電気的に結合したプルームシールド１８から供給される電子と結合し、中性原子２７に戻る。

例えば、人工衛星３０の南北軌道制御用にホールスラスタ１を搭載する場合、太陽電池パドル３４の設置される南北面４００と反地球面５００とが交差するエッジ部に、太陽電池パドル３４に対し対称配置（または人工衛星３０の重心位置３１に対し線対称）となるように、少なくとも２つの複数のホールスラスタ１を取り付ける。姿勢に対する外乱トルクの発生を防止するために、推力軸３２が衛星重心位置３１を通過するようにホールスラスタ１を取り付けて、ホールスラスタ１のキャント角φ（すなわち、ホールスラスタ１の遮蔽したい角度θ）を４５°とするのが好適である。プルームシールド１８の直径を２５０ｍｍ、環状チャネルの中心径を１４０ｍｍとし、θ＝４５°とすると、プルームシールド高さは５０ｍｍとなる。この時、プラズマプルーム３３の高エネルギーイオンは太陽電池パドル３４に到達しないため、スパッタリングによる表面特性変化は発生しない。
尚、プルームシールド１８の高さＨは、Ｈ≧Ｌtan（π/２−θ）を満足するように適宜設定しても良く、要するに、ホールスラスタ１から発散されるプルームの見込み角度（発散角度）２θ内に太陽電池パネルが存在しなければ良い。また、展開ラジエータ等の衛星に搭載された他の構造体が、ホールスラスタ１から発散されるプルームの見込み角度（発散角度）２θ外に配置されるように、同様にしてプルームシールド１８の高さＨを設定しても良い。
また、プルームシールド１８に設けられた切り欠き１８ｂから、僅かにプルームが漏れる可能性があるので、電子源２０は太陽電池パドルと対向しない位置に配置する。例えば、図４（ｂ）のホールスラスタ１の下方側に配置すると良い。

次にプルームシールド１８からの排熱に関して、図５を用いて説明する。
スラスタ効率は、ホールスラスタのプルームの推力軸方向速度による運動エネルギーに対する投入電力で定義される。スラスタ効率の典型値は５０％であり、長時間の定常運転には投入電力の半分を排熱する必要がある。例えば投入電力が４．５ｋＷの場合、２．２５ｋＷの排熱が必要となる。発熱源は環状チャネル２に生成するプラズマ２４であり、チャネル壁が加熱され、スラスタ内部に熱が散逸していくため、連続動作には熱流束の制御が肝要である。ホールスラスタ１を構成する部品の内、耐熱温度から判断して温度的に最も厳しくなるのは内部電磁コイル８の電線である。内部電磁コイル電線には耐熱電線であるセラミック線やポリイミド線が使用される。セラミック線の耐熱温度は４００〜６００℃である。しかし、機械的特性として脆く、地上での用途には使用できるが、宇宙機の打ち上げ時の機械環境で破損する虞がある。一方、ポリイミド線の耐熱温度は２００〜４００℃である。機械的特性に優れるのみならず耐放射線性も高く、宇宙用材料として相応しい。定常時、この温度以下となるように排熱する必要がある。

プラズマからチャネル壁１０、１１への入熱は壁面の面積比で決まり、内部チャネル壁１０よりも外部チャネル壁１１への入熱が大きい。外部チャネル壁１１と内部チャネル壁１０は相互に伝導や輻射で熱的に結合しており、外部チャネル壁１１の温度が下がれば内部チャネル壁１０の温度も下がることとなる。外部チャネル壁１１はその外側に配置された高い輻射率（グラファイトの場合０．８）を有した伝熱リング１９と輻射結合している。伝熱リング１９の輻射率としては、０．７〜０．９程度が良く、上記グラファイトは好適な材料である。
伝熱リング１９に伝わった熱はプルームシールド１８に伝わり、伝熱リング１９自体及びプルームシールド１８から深宇宙に向けて輻射放熱する。これらは伝熱支柱１７に支持されており、外部ポールピース４に伝導伝熱することは無い。また外部ポールピース４は電磁軟鉄等の金属磁性体で構成されるため、輻射率が小さく（研磨鉄の場合０．１４以下）、輻射伝熱し難くキュリー点近く迄温度上昇することは無い。従って、ポールピース間ギャップの磁束密度の低下は殆ど問題とならない。

またチャネル壁１０、１１へ入熱した熱は図のように上流方向に流れるものもある。チャネル壁１０、１１、ディストリビュータ１４、プレナムリング１５は熱伝導率の高い材料で作られている。例えばセラミックで構成される場合でも約９０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導を有する窒化ボロンと窒化アルミの複合セラミックを使用する。プレナムリング１５は上述したように異方性の熱伝導率を有するヒートスプレッタ１６と接触している。
ヒートスプレッタは外周部で高い熱伝導率を有する伝熱支柱１７と接触している。伝熱支柱は外部ポールピース４に設けた切欠きもしくはスルーホールを通り、外部ポールピース４と接触することなく、プルームシールド１８と伝熱リング１９を支持する。チャネル壁１０、１１を上流方向に伝わる熱流束はヒートスプレッタ１６で面方向に熱が拡散し、伝熱支柱１７に達する。
尚、ヒートスプレッタの厚さ方向の熱伝導率は低いため、リターンヨーク５への熱の流入は抑制され、熱絶縁される。更に、ヒートスプレッタ１６に拡散した熱は伝熱支柱１７を伝わり、伝熱リング１９やプルームシールド１８に至り、輻射放熱される。

伝熱リング１９と外部チャネル１１外壁間の隙間にセラミック接着材等のフィラーを入れても良い。この場合、輻射伝熱だけでなく、伝導伝熱が増加するため、プルームシールド１８への熱流束の増加、すなわち効果的な排熱が期待できる。
また、伝熱リング１９と外部チャネル１１を締結具で接続しても良い。外部チャネルとして、例えば、窒化ボロン−窒化アルミの複合焼結体等のマシナブルセラミックを使用すればネジ加工が可能であり、伝熱リングとの接触を密接にすることができる。この場合も外部チャネルからプルームシールド１８への熱流束の増加、すなわち効果的な排熱が期待できる。

また、ヒートスプレッタとして異方性の熱伝導率を有する材料を使用し、リターンヨーク５への熱の流入を抑制したが、ヒートスプレッタ１６とリターンヨーク５間に低熱伝導率材料、例えばジルコニア（熱伝導率２.７Ｗ／ｍ−Ｋ）や耐熱エンジニアリングプラスチック（熱伝導率０.３〜０.４Ｗ／ｍ−Ｋ）等、のシートを挟みこんでも良い。この場合、更なるリターンヨークへの熱の流入の低減を期待できる。

また、ヒートスプレッタの外径を大きくし、円筒状のラジエータを設置しても良い。ラジエータ材料としては高輻射率を有する材料、例えば、グラファイト等が相応しい。スラスタ側面と深宇宙間に熱放射を遮るような宇宙航行体の構造体が無い場合、放熱面積の増加に寄与できる。

更に、熱的条件の最も厳しい内部電磁コイル８の周囲には、５０μｍ〜１００μｍの薄く、低い輻射率を有する材料からなる熱シールド２２を多層に配置する。材料としては、非磁性体で高融点金属のものを用いる。例えば、タンタル（輻射率０．１程度）を使用するのが好適である。熱シールドは内部ポールピース３もしくはリターンヨーク５に設置する。内部ポールピース３は表面に高輻射率を有するグラファイト材等からなる円板２３を設置してあるため、効率的に輻射排熱できる。

以上述べた構成で投入電力４．５ｋＷ、効率５０％、１０層の熱シールド、直径２５０ｍｍ、チャネル中心径１４０ｍｍ、チャネル幅２５ｍｍ、プルームシールド高さ５５ｍｍのホールスラスタの熱解析を実施した所、定常状態での内部電磁コイルの温度はプルームシールド、伝熱リング、熱シールドが有る場合と無い場合で比較して、前者が４００℃、後者が７００℃の結果となった。後者の場合、内部電磁コイルにポリイミド線を使用した場合、動作時間に制約が生じるが、前者の場合は連続動作が可能である。

次にプルームシールド１８がホールスラスタ１からのスパッタリング原子を遮蔽する効果に関して説明する。
環状チャネル２内に生成したプラズマが安定に維持している際、プラズマ中心部よりも境界面であるチャネル壁１０、１１近傍の方が低電位である。それは電子の移動度がイオンより速いため、プラズマが安定に存在するために電子の拡散を抑えるような空間電位が発生することによる。プラズマ中のイオンはほぼ均等にチャネル壁１０、１１に入射する。イオンが入射すると、チャネル壁面を構成する中性原子が等方位に弾き飛ばされる。チャネル壁から叩き出された中性原子は電荷を有していないため、静電力等を受けない。また、周囲圧力が低いため、他原子やイオンと衝突せず、直線方向に飛行する。ホールスラスタの場合、ポールピース間ギャップが環状チャネルの出口近傍に配置されるため、径方向磁場は環状チャネルの出口近傍が強く、チャネル出口付近のプラズマ密度が高い。推力軸に対して最も大きな角度を有するスパッタリング原子はチャネル出口から発生する。発生したスパッタリング原子の内、推力軸に対する角度が遮蔽角度θ以上のものはプルームシールドに衝突し、トラップされる。尚、キセノンイオンのグラファイトに対するスパッタ収量は、エネルギー２００ｅＶ〜３００ｅＶで、０．０４〜０．０８であり、材料中最も低い。このため、プルームシールド１８には、グラファイト等の低密度の材料を用いるのが好適である。

この実施の形態によれば、スラスタ１の環状チャネルより下流の外周部にヒートスプレッタに接した伝熱支柱１７に設置した高輻射率と耐スパッタ性を有するプルームシールド１８と、チャネル外壁１１に接し、プルームシールド１８に接続された高い熱伝導率を有する伝熱リング１９を備え、ヒートスプレッタ１６は異方性の熱伝導率を有して、環状チャネル上流部と接することにより、プルームシールド１６で広い発散角を有する高エネルギーイオンや、プラズマが生成する環状チャネルからのコンタミネーションを遮蔽するとともに、プルームシールド１８から輻射排熱できるようにし、温度制約の厳しい内部電磁コイルの温度上昇を抑制できるという効果がある。

また、スラスタ自体にプルームシールドを有しているため、プルームシールドを衛星構体に取り付ける場合と比較して、インテグレーションやシステム設計が容易となる。プルームシールドは高角度の高速イオンを遮蔽するだけでなく、環状チャネルのプラズマによる磨耗で発生するスパッタリング原子の発散も限定する。その結果、イオンやスパッタリング原子による衛星表面の光学特性劣化を低減することができる。

また、この実施の形態によれば、プルームシールドが輻射放熱用のラジエータとして機能するため、プルームシールドの表面積のみを拡大することで放熱面積を大きくとれ、スラスタからの高排熱を実現できる。
尚、プルームシールドはグラファイト等の低密度の材料で製作できるため、プルームシールドのみ大型化してもスラスタ全体に対する質量の増加は軽微である。その結果、連続動作の制約となっていた内部電磁コイル被覆の温度上昇を耐熱温度内に抑えることができ、長時間動作できる高電力大推力ホールスラスタを実現できる。

この発明の実施の形態によるホールスラスタを説明する外観図である。 この発明の実施の形態によるホールスラスタを説明する断面図である。 この発明の実施の形態によるホールスラスタを説明する断面図である。 プルームシールドの遮蔽効果を説明するための図である。 プルームシールドからの排熱を説明するための図である。

符号の説明

１ ホールスラスタ、２ 環状チャネル、３ 内部ポールピース、４ 外部ポールピース、５ リターンヨーク、６ 内部磁気コア、７ 外部磁気コア、８ 内部電磁コイル、９ 外部電磁コイル、１０ チャネル内壁、１０ｂ チャネル内壁のリング状プレート、１１ チャネル外壁、１１ｂ チャネル外壁のリング状のプレート、１２ アノードディストリビュータ、１３ 推進剤供給孔、１４ 推進剤分配用リングプレート、１５ プレナムリング、１６ ヒートスプレッタ、１７ 伝熱用支柱、１８ プルームシールド、１８ｂ プルームシールド切欠き、１９ 伝熱リング、２０ 電子源、２１ 電子放出孔、２２ 熱シールド、２３ 高輻射率プレート、２４ プラズマ、２５ 低角度イオン、２６ 高角度イオン、２７ 中性原子、２８ 電子、２９ チャネル出口磁力線、３０ ホールスラスタ搭載人工衛星、３１ 衛星重心位置、３２ 推力軸、３３ プラズマプルーム、３４ 太陽電池パドル。

Claims (10)

1. 内部ポールピース、
   上記内部ポールピースに接続された内部磁気コア、
   上記内部ポールピース外側に配置された外部ポールピース、
   上記外部ポールピースに接続された外部磁気コア、
   上記内部ポールピースと外部ポールピースに対向配置されて上記内部磁気コアと外部磁気コアを接続するリターンヨーク、
   上記内部磁気コアの周囲に配置された内部磁気コイル、
   及び、上記外部磁気コアの周囲に配置された外部磁気コイルとから成り、
   上記内部ポールピースと外部ポールピースの間に環状ギャップを有した磁気回路と、
   上記環状ギャップに配設され開放端を有する環状チャネルと、
   上記環状チャネル底面に設けられたアノードディストリビュータと、
   上記アノードディストリビュータに推進剤を供給する推進剤分配用リングプレートと、
   推進剤導入孔を有しリング状の溝が形成され、上記環状チャネルに熱的に接続されたプレナムリングと、
   上記内部磁気コイルと上記環状チャネルの間に配置され、上記内部磁気コイルの周囲を取り囲む多層の熱シールドと、
   上記プレナムリングと接した円板状のヒートスプレッタと、
   上記ヒートスプレッタに接した伝熱支柱と、
   上記伝熱支柱に固定され、上記環状チャネルの開放端の外側に所定の距離を有して周囲を囲む壁面を有し、当該壁面の一部に開口部を有した円筒状のプルームシールドと、
   上記環状チャネル外壁に接し、上記プルームシールドに接続された熱良導性の伝熱リングと、
   上記プルームシールドの開口部から電子を放出する外部電子源と、
   を備えたホールスラスタ。
2. 上記ヒートスプレッタは上記リターンヨークに対し熱絶縁されたことを特徴とする請求項１記載のホールスラスタ。
3. 上記リターンヨークは上記伝熱支柱に対し熱絶縁されたことを特徴とする請求項１記載のホールスラスタ。
4. 上記環状チャネル中心軸と上記プルームシールド側面間の距離をＬとし、上記ホールスラスタからの所望のプルームの発散角度の半頂角をθとした場合、プルームシールド高さがＬtan（（π／２）−θ）で与えられることを特徴とする請求項１記載のホールスラスタ。
5. 上記環状チャネル外壁と上記伝熱リングを、締結具によって固定したことを特徴とする請求項１記載のホールスラスタ。
6. 上記ヒートスプレッタの外周部に熱的に接続された円筒ラジエータを備えたことを特徴とする請求項１記載のホールスラスタ。
7. 内部磁気コア、外部磁気コアを有する磁気回路と、
   上記内部磁気コアと外部磁気コアの間隙に配置され、開放端を有した環状チャネルと、
   上記環状チャネル内に配設され推進剤を放散するアノードディストリビュータと、
   上記環状チャネルの開放端の外側周囲を囲むように配置され、環状チャネルと熱的に接続されたプルームシールドと、
   上記環状チャネルと熱的に接続されたヒートスプレッタと、
   上記環状チャネルと上記内部磁気コアの間に配置された熱シールドと、
   上記プルームシールドと上記ヒートスプレッタとを熱的に接続する伝熱部材と、
   を備えたことを特徴とするホールスラスタ。
8. 上記請求項１〜７のいずれか記載のホールスラスタを搭載した宇宙航行体。
9. 上記ホールスラスタからのプルームの発散角度内に、太陽電池パネル又は構体表面が非存在となるように配置された請求項８記載の宇宙航行体。
10. 磁気回路、上記磁気回路内に配置され推進剤を放散する開放端を有した環状チャネル、上記環状チャネル内に配設され推進剤を放散するアノードディストリビュータ、及び当該環状チャネルの開放端の外側周囲を囲むように配置され、当該環状チャネルと熱的に接続されたプルームシールドを備えたホールスラスタと、
    上記ホールスラスタから発散するプルームの発散角度により見込まれる角度範囲外に配置された太陽電池パネルと、
    を備えた宇宙航行体。

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