JP5417643B2 - Superconducting magnet device for space and propulsion device for space - Google Patents
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Description
本発明は、宇宙機に搭載される宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置に関する。 The present invention relates to a space superconducting magnet device and a space propulsion device mounted on a spacecraft.
人工衛星などの宇宙機の推進装置として、磁気プラズマセイル(Magnetoplasma Sail、MPS)の開発が進められている。 As a propulsion device for spacecraft such as artificial satellites, development of a magnetic plasma sail (MPS) has been underway.
この磁気プラズマセイルは、強い磁場中にプラズマジェットを噴射して磁場を遠くまで運び磁気圏を拡大させ、この磁気圏と太陽風プラズマとの相互作用で推進力を得る(例えば、非特許文献1参照)。磁気プラズマセイルは、イオンエンジンに比べ推進力が大きく宇宙機を高速で飛翔させることが可能なことから、外惑星や深宇宙探査機への応用が期待される。
The magnetoplasma sail injects a plasma jet into a strong magnetic field to carry the magnetic field far and expand the magnetosphere, and obtains a propulsive force through the interaction between the magnetosphere and solar wind plasma (see Non-Patent
そして、磁気プラズマセイルに必要な強い磁場を得るために超電導コイルを用いることが考えられる。超電導コイルによって磁場を得るためには、超電導コイルを超電導転移温度以下に冷却する必要がある。超電導コイルの冷却には、一般に液体ヘリウムや小型冷凍機が用いられる。宇宙空間で超電導コイルを用いた例にASTROMAG計画(例えば、非特許文献2参照)があり、超電導コイルを液体ヘリウムによって冷却する例がある。他方、宇宙用の小型冷凍機としてスターリングサイクルを利用したスターリング冷凍機が開発されている(例えば、非特許文献3参照)。 It is conceivable to use a superconducting coil in order to obtain a strong magnetic field necessary for the magnetic plasma sail. In order to obtain a magnetic field with the superconducting coil, it is necessary to cool the superconducting coil below the superconducting transition temperature. For cooling the superconducting coil, liquid helium or a small refrigerator is generally used. An example of using a superconducting coil in outer space is the ASTROMAG project (for example, see Non-Patent Document 2), and there is an example in which the superconducting coil is cooled by liquid helium. On the other hand, a Stirling refrigerator using a Stirling cycle has been developed as a small-sized refrigerator for space use (for example, see Non-Patent Document 3).
また、宇宙空間への放射冷却を利用して超電導コイルを冷却する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 A method of cooling a superconducting coil using radiation cooling to outer space is known (see, for example, Patent Document 1).
さらに、宇宙空間で低温を得る冷却方式として放射冷却器が知られている(例えば、非特許文献4参照)。 Furthermore, a radiation cooler is known as a cooling method for obtaining a low temperature in outer space (see, for example, Non-Patent Document 4).
超電導コイルの冷却に液体ヘリウムを用いた場合には、熱交換にともなう温度上昇と気化によって液体ヘリウムが消耗し枯渇してしまえば超電導コイルを超電導転移温度以下の温度に保つことが困難になる。 When liquid helium is used for cooling the superconducting coil, it becomes difficult to keep the superconducting coil at a temperature equal to or lower than the superconducting transition temperature if the liquid helium is consumed and depleted due to temperature rise and vaporization accompanying heat exchange.
他方、宇宙用の小型冷凍機は、深宇宙探査で求められる長期間の運転(一般に10年以上)に信頼性の観点から課題がある。また、深宇宙探査においては太陽から離れるほど太陽電池の出力が低下するので、宇宙用の小型冷凍機を継続的に運転するために必要な電力を確保することが困難になる。さらに、宇宙機が深宇宙探査に向かった後は、宇宙用の小型冷凍機を保守することが不可能になる。 On the other hand, space-type refrigerators have a problem in terms of reliability in long-term operation (generally 10 years or more) required in deep space exploration. In deep space exploration, the output from the solar cell decreases as the distance from the sun increases, making it difficult to secure the power necessary to continuously operate a small space refrigerator. Furthermore, after the spacecraft heads for deep space exploration, it will be impossible to maintain a small space refrigerator.
一方、放射冷却を利用して低温を得る従来の放射冷却器の場合は、長期間の寿命を確保することが可能であり、冷凍機のように運転のための大量の電力(約40W、非特許文献3参照)を消費することもない。この場合に得られる低温は、約70K〜100K(非特許文献4参照)であり、例えば、液体窒素温度以上で転移するような高温超電導コイルを運転できる。しかしながら、高温超電導コイルは液体窒素温度以上で使用すると電流密度が低いため、磁気プラズマセイルに必要とされる磁場を発生させるためには、高温超電導コイルを大きくするか、超電導転移温度よりもさらに低温に冷却する必要がある。地上から宇宙空間に宇宙機を輸送するロケットなどの輸送手段は、輸送可能な質量(打ち上げ能力)に制限がある。このため、高温超電導コイルが大きくなり質量が重くなれば、宇宙機への超電導コイルの応用は困難になる。高温超電導コイルの軽量化を図りつつ強い磁場を得るためには、約20Kの低温を得る必要がある。 On the other hand, in the case of a conventional radiant cooler that obtains a low temperature by using radiant cooling, it is possible to ensure a long-term life, and a large amount of power (about 40 W, non-operating) for operation like a refrigerator. (See Patent Document 3). The low temperature obtained in this case is about 70 K to 100 K (see Non-Patent Document 4), and for example, a high temperature superconducting coil that transitions above the liquid nitrogen temperature can be operated. However, since the current density is low when the high temperature superconducting coil is used above the temperature of liquid nitrogen, in order to generate the magnetic field required for the magnetic plasma sail, the high temperature superconducting coil is made larger or lower than the superconducting transition temperature. Need to cool down. Transportation means such as a rocket that transports a spacecraft from the ground to outer space have a limited transportable mass (launch capability). For this reason, if the high temperature superconducting coil becomes large and the mass becomes heavy, it becomes difficult to apply the superconducting coil to the spacecraft. In order to obtain a strong magnetic field while reducing the weight of the high-temperature superconducting coil, it is necessary to obtain a low temperature of about 20K.
そこで、本発明は、超電導コイルを超電導転移温度以下の十分な温度域まで冷却可能であるとともに長期間の寿命を容易に確保することが可能な宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置を提案する。 Therefore, the present invention proposes a space superconducting magnet device and a space propulsion device that can cool a superconducting coil to a sufficient temperature range below the superconducting transition temperature and can easily ensure a long life. .
前記の課題を解決するため本発明に係る宇宙用超電導磁石装置は、超電導コイルと、前記超電導コイルを励磁させる励磁装置と、前記超電導コイルと前記励磁装置とを電気的に接続させる電流リードと、前記超電導コイルを宇宙機のバス部に支持させる支持構造部と、前記超電導コイルと前記電流リードと前記支持構造とのうち少なくともいずれかに熱的に接続されるとともに放射冷却面を有する複数段の熱シールド板と、前記バス部に設けられたサンシールドと、を備え、前記熱シールド板は、底面を有する円筒形状または多角形筒形状に形成され、その軸芯は前記超電導コイルの軸芯の略延長線上に配置されたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a superconducting magnet device for space according to the present invention includes a superconducting coil, an exciting device for exciting the superconducting coil, a current lead for electrically connecting the superconducting coil and the exciting device, A plurality of stages having a radiation cooling surface while being thermally connected to at least one of a support structure for supporting the superconducting coil on a spacecraft bus, and the superconducting coil, the current lead, and the support structure A heat shield plate and a sun shield provided in the bus portion , wherein the heat shield plate is formed in a cylindrical shape or a polygonal cylindrical shape having a bottom surface, and the axis is the axis of the superconducting coil. It is arranged on a substantially extended line .
また、本発明に係る宇宙用推進装置は、超電導コイルと、前記超電導コイルを励磁させる励磁装置と、前記超電導コイルと前記励磁装置とを電気的に接続させる電流リードと、前記超電導コイルを宇宙機のバス部に支持させる支持構造部と、前記超電導コイルと前記電流リードと前記支持構造とのうち少なくともいずれかに熱的に接続されるとともに放射冷却面を有する複数段の熱シールド板と、前記バス部に設けられたサンシールドと、を備え、前記熱シールド板は、底面を有する円筒形状または多角形筒形状に形成され、その軸芯は前記超電導コイルの軸芯の略延長線上に配置された宇宙用超電導磁石装置と、前記宇宙用超電導磁石装置が発生させた磁場の磁気圏を拡大させるプラズマ発生装置と、を備えた The space propulsion device according to the present invention includes a superconducting coil, an exciting device for exciting the superconducting coil, a current lead for electrically connecting the superconducting coil and the exciting device, and the superconducting coil as a spacecraft. A plurality of heat shield plates that are thermally connected to at least one of the superconducting coil, the current lead, and the support structure and have a radiation cooling surface; The heat shield plate is formed in a cylindrical shape or a polygonal cylindrical shape having a bottom surface, and an axis of the heat shield plate is disposed on a substantially extended line of the axis of the superconducting coil. A space superconducting magnet device, and a plasma generator for expanding the magnetosphere of the magnetic field generated by the space superconducting magnet device.
本発明によれば、超電導コイルを超電導転移温度以下の十分な温度域まで冷却可能であるとともに長期間の寿命を容易に確保することが可能な宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置を提案できる。 According to the present invention, it is possible to propose a space superconducting magnet device and a space propulsion device that can cool a superconducting coil to a sufficient temperature range below the superconducting transition temperature and can easily ensure a long life. .
本発明に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置の実施形態について図1から図15を参照して説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments of a space superconducting magnet device and a space propulsion device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[第1の実施形態]
本発明の第1実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置について、図1から図9を参照して説明する。
[First Embodiment]
A space superconducting magnet device and a space propulsion device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、本発明の第1実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置を備えた宇宙機を示した概略的な構成図である。なお、図1は、宇宙機1の飛行状態を概略的に示した図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a spacecraft including a space superconducting magnet device and a space propulsion device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a diagram schematically showing the flight state of the
図1に示すように、宇宙機1は、例えば、深宇宙探査に用いられる宇宙機である。宇宙機1は、バスモジュール3(バス部)と、バスモジュール3に設けられた宇宙用推進装置4と、を備える。宇宙用推進装置4は、宇宙用超電導磁石装置5と、プラズマジェット噴射装置6(プラズマ発生装置)と、を備えた磁気プラズマセイルである。
As shown in FIG. 1, the
バスモジュール3は、主構造体(図示省略)、姿勢制御系(図示省略)、太陽電池8を有する電源系9、テレメトリ・コマンド・レンジング系(図示省略)および推進系(図示省略)を有する宇宙機バス系(図示省略)と、主構造体に設けられた観測機器(図示省略)を有する搭載系(図示省略)と、を備える。なお、宇宙用推進装置4は、バスモジュール3の推進系の一部を構成する。
The
宇宙用超電導磁石装置5は、バスモジュール3に設けられた超電導コイル支持構造部11(支持構造部)と、超電導コイル支持構造部11に支持された超電導コイル12と、バスモジュール3に設けられ超電導コイル12を励磁させる励磁装置13と、超電導コイル12と励磁装置13とを電気的に接続させる電流リード14と、超電導コイル支持構造部11と超電導コイル12と電流リード14とのうち少なくともいずれかに熱的に接続されるとともに放射冷却面16を有する複数段の熱シールド板17と、バスモジュール3に設けられたサンシールド19と、を備える。
The space superconducting magnet device 5 includes a superconducting coil support structure 11 (support structure) provided in the
超電導コイル支持構造部11は、超電導コイル12をバスモジュール3の主構造に支持するトラス状またはラーメン状の構造物である。超電導コイル支持構造部11は、ロケットなどの輸送手段によって宇宙空間Sに運搬される宇宙機1の打ち上げ環境において、超電導コイル12を支持するのに十分な強度および剛性を有する。
The superconducting
超電導コイル12は、テープ状の金属基板(図示省略)と、金属基板上に形成された中間層(図示省略)と、中間層上に形成された酸化物超電導層(図示省略)と、を有するテープ形状のイットリウム系高温超電導線をコイル状に巻回させて筒状に形成された高温超電導コイルである。超電導コイル12は、超電導転移温度が高い(液体窒素温度以上)。また、超電導コイル12は、機械的強度に優れ高い許容応力を有し宇宙機1に搭載する上で重要な軽量化が容易に可能となる。超電導コイル12の軸芯(図1中、一点鎖線c)は、宇宙機1の長手軸方向に沿わせて配置される。
それぞれの熱シールド板17は、宇宙機1の長手方向軸に向かって整列させて配置される。ここで、熱シールド板17は、バスモジュール3から遠方に配置されるものから1段目、2段目、……、の順にバスモジュール3に近づく。
The respective
また、熱シールド板17は、宇宙機1の飛行状態において宇宙空間Sに臨む面を放射冷却面16として黒色に塗装される。また、熱シールド板17は、超電導コイル12に熱的に接続されたもの(熱シールド板21)と、超電導コイル支持構造部11および電流リード14の少なくとも一方に熱的に接続されたもの(熱シールド板22)とがある。それぞれの熱シールド板17は、超電導コイル12に設けられた熱シールド板支持部材(図示省略)によって支持される。
The
さらに、熱シールド板17は、筒状の超電導コイル12の軸芯(図1中、一点鎖線c)の略延長線上に配置された軸芯(図1中、一点鎖線c)と少なくとも一方の底面とを有する中空円筒形状または中空多角形筒形状に形成される。
Further, the
サンシールド19は、宇宙機1の飛行姿勢において超電導コイル支持構造部11、超電導コイル12、電流リード14および熱シールド板17を太陽Sunの輻射熱Hから遮る。
The
ここで、熱シールド板17の各段は、サンシールド19から離れて位置されるものほど外径寸法が小さく、特に筒形状の側面部の周長が小さく形成される。これによって、サンシールド19は、姿勢制御の誤差等によって太陽Sunに対する宇宙機1の姿勢が傾いた場合にも熱シールド板17をその影の部分に納め、サンシールド19から離れた場所に位置された熱シールド板17を太陽Sunの輻射熱Hから確実に遮ることができる。
Here, each step of the
図2は、本発明の第1実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置を示した部分的な断面図である。 FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the space superconducting magnet apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図2に示すように、宇宙用超電導磁石装置5の超電導コイル12は、トラス状またはラーメン状の構造物である超電導コイル支持構造部11によってバスモジュール3に保持される。
As shown in FIG. 2, the
超電導コイル12に熱的に接続された熱シールド板21は、超電導コイル12を包囲するように形成される。また、熱シールド板21は、宇宙空間を臨む外側面21aおよび外底面21bに放射冷却面16としての黒色塗装が施され、その他の内側面21c、内底面21d、21eおよびバスモジュール3を臨む外底面21fを鏡面または多層断熱材(Multi Layer Insulation、MLI)で構成される。熱シールド板21は、超電導コイル12から宇宙空間に向けて効率的に熱を放射するとともに、2段目の熱シールド板22の内底面22cから輻射(放射)によって超電導コイル12に侵入する熱を低減させる。
The
また、熱シールド板21は、アルミニウム合金を用いて構成される。これによって、熱シールド板21は、宇宙線が超電導コイル12に直接当ることを防ぐ。
The
超電導コイル支持構造部11および電流リード14の少なくとも一方に熱的に接続された熱シールド板22は、一方の底面が開口された有底筒状に形成される。また、熱シールド板22の底面部23は、超電導コイル支持構造部11が挿通された支持構造用貫通口23aおよび電流リード14が挿通された電流リード用貫通口23bを有する。
The
超電導コイル支持構造部11と熱シールド板22との間は、超電導コイル支持構造部11の梁部材25または節点部材26と支持構造用貫通口23a周囲の底面部23との間に設けられた支持材熱アンカ28を介して熱的に接続される。
Between the superconducting
電流リード14と熱シールド板22との間は、電流リード14の途中部分と電流リード用貫通口23b周囲の底面部23との間に設けられた電流リード熱アンカ29を介して熱的に接続される。これによって、熱シールド板22は、超電導コイル支持構造部11または電流リード14から伝導によって超電導コイル12に侵入する熱を低減させる。
The
熱シールド板22は、宇宙空間を臨む外側面22aに放射冷却面16としての黒色塗装が施され、その他の内側面22b、内底面22cおよびバスモジュール3を臨む外底面22dを鏡面または多層断熱材(MLI)で構成される。これによって、熱シールド板22は、高温側の熱シールド板22(バスモジュール3に近い側に位置された熱シールド板22)から輻射(放射)によって超電導コイル12に侵入する熱を低減させる。
The
図3および図4は、本発明の第1実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置の熱シールド板を示した斜視図である。 3 and 4 are perspective views showing a heat shield plate of the space superconducting magnet apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図3に示すように、宇宙用超電導磁石装置5の超電導コイル12の軸芯(図3中、一点鎖線c)は、宇宙機1の長手軸方向に沿わせて配置される。
As shown in FIG. 3, the axial core of the
他方、図4に示すように、宇宙用超電導磁石装置5の超電導コイル12の軸芯(図4中、一点鎖線c)は、宇宙機1の長手軸交差方向に沿わせて配置させることもできる。
On the other hand, as shown in FIG. 4, the axis of the
宇宙機1は、磁気プラズマセイルに必要な磁場を発生させる超電導コイル12を、その飛行姿勢において図3または図4のように配置させることが考えられる。なお、図3のように、超電導コイル12の軸芯を宇宙機1の長手軸方向に沿わせて配置させたほうが輸送手段に対する搭載容積や打ち上げ環境に対する耐性上は有利になる。
In the
図5は、本発明の第1実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置を備えた宇宙機を示した概略的な構成図である。 FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a spacecraft including the space superconducting magnet device and the space propulsion device according to the first embodiment of the present invention.
図5に示すように、宇宙機1の宇宙用推進装置4は、宇宙用超電導磁石装置5の超電導コイル12が形成した磁場S1(図5中、実線S1)に対しプラズマジェット噴射装置6からプラズマ(図5中、破線P)を噴射することによって、宇宙機1の周囲に拡大した磁気圏S2(図5中、実線S2)を展開する。宇宙機1は、磁気圏S2に太陽風プラズマを受け、これらの相互作用によって推進力を得る。
As shown in FIG. 5, the space propulsion device 4 of the
このように構成された宇宙用超電導磁石装置5の超電導コイル12の温度は、放射冷却量と、熱侵入量との均衡によって決まる。
The temperature of the
先ず、放射冷却量は、宇宙用超電導磁石装置5から宇宙空間への熱の放射であり、熱シールド板17の放射冷却面16の温度と輻射率とから決まる。
First, the amount of radiation cooling is radiation of heat from the space superconducting magnet device 5 to the space, and is determined from the temperature and radiation rate of the
図6は、本発明の第1実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置の放射冷却面における温度と単位面積当たりの放射冷却量との関係を例示した図である。 FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the temperature on the radiation cooling surface of the space superconducting magnet apparatus according to the first embodiment of the present invention and the amount of radiation cooling per unit area.
図6に示すように、放射冷却面16における単位面積当たりの放射冷却量は、放射冷却面16の温度を底とする4乗の関係にある。黒色塗装された放射冷却面16の輻射率εを約0.82とした場合、超電導コイル12の目標冷却温度を20Kとすれば、放射冷却面16における単位面積当たりの放射冷却量は7.4mW/m2となる。
As shown in FIG. 6, the amount of radiation cooling per unit area on the
ここで、放射冷却面16の面積は、宇宙機1を宇宙空間に輸送する輸送手段であるロケットの搭載容積に制限される。例えば、4S型フェアリングを備えたH−IIAロケットの場合、直径4m×高さ10m程度までの宇宙機1が搭載可能である。このことから、放射冷却面16の面積は、最大100m2程度となる。しかしながら、宇宙機1に搭載される他の装置の配置との兼ね合いから宇宙機1の全体を放射冷却面16にすることはできず、宇宙機1のバスモジュール3の外形寸法を考慮に入れると放射冷却面16の面積は30m2以下とすることが望ましい。この場合の放射冷却面16の放射冷却量は、約0.2W(30m2×7.4mW/m2)となる。
Here, the area of the
なお、超電導コイル12に熱的に接続された熱シールド板21は、超電導コイル12を包囲するように外側面21aおよび外底面21bに放射冷却面16を有する。これは、図6に示すように、放射冷却面16の温度が低いほど放射冷却面16の単位面積当たりの放射冷却量が小さくなるため、放射冷却面16の総面積を広げ放射冷却量を大きくするためである。
The
他方、熱侵入量は、高温部からの輻射熱と、超電導コイル支持構造部11および電流リード14からの伝導熱とがある。輻射による熱侵入量は、超電導コイル12の大きさ(外形寸法)に依存する。伝導による超電導コイル支持構造部11からの熱侵入量は超電導コイル12の質量に依存し、伝導による電流リード14からの熱侵入量は超電導コイル12の通電電流に依存する。
On the other hand, the amount of heat penetration includes radiant heat from the high temperature part and conduction heat from the superconducting coil
したがって、熱侵入量の評価は超電導コイル12の設計を要する。
Therefore, the evaluation of the heat penetration amount requires the design of the
ここで、106Aの起磁力を有し、H−IIAロケットに搭載し打ち上げ可能な超電導コイル12と熱シールド板17とを設計した。
Here, the
具体的には、設計条件として高温部としてのバスモジュール3の温度を300Kとし、熱シールド板17の段数をパラメータとして超電導コイル12の目標冷却温度(20K)への熱侵入量を計算した。
Specifically, the amount of heat penetration to the target cooling temperature (20 K) of the
図7は、本発明の第1実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置の放射冷却面(熱シールド板)の段数と熱侵入量との関係を例示した図である。 FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the number of steps of the radiation cooling surface (heat shield plate) of the space superconducting magnet device according to the first embodiment of the present invention and the amount of heat penetration.
図8は、本発明の第1実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置の放射冷却面(熱シールド板)の段数とその合計面積との関係を例示した図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the number of steps of the radiation cooling surface (heat shield plate) and the total area of the superconducting magnet device for space according to the first embodiment of the present invention.
図7に示すように、熱シールド板17の段数が増加するほど超電導コイル12の目標冷却温度(20K)への熱侵入量は減少する。このとき、図8に示すように、熱シールド板17の段数が増加するほど放射冷却面16の合計面積も減少する。そして、熱シールド板17が3段以上であれば、熱侵入量は0.2Wよりも小さくなる。なお、熱侵入量の減少の効果は、熱シールド板17の段数が4段程度までが顕著である。放射冷却面16の合計面積の減少の効果も同様である。
As shown in FIG. 7, the amount of heat penetration into the target cooling temperature (20K) of the
したがって、超電導コイル12の目標冷却温度(20K)における放射冷却面16の放射冷却量が0.2W以下であることから放射冷却量と熱侵入量との均衡を考えると、宇宙用超電導磁石装置5および宇宙用推進装置4は、超電導コイル12を20K以下に冷却するために3段の熱シールド板17が必要であり、4段以上の熱シールド板17を備えることがより好ましい。
Accordingly, since the radiation cooling amount of the
ここで、熱侵入量の低減は、放射冷却面16の面積を低減させることになり、熱シールド板17の質量の低減が図られる。他方、熱シールド板17の段数の増加は、熱シールド板17の質量を増加させる。
Here, the reduction of the amount of heat penetration reduces the area of the
そこで、熱シールド板17の段数と質量との関係を検討した。
Therefore, the relationship between the number of steps of the
図9は、本発明の第1実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置の放射冷却面(熱シールド板)の段数と質量との関係を例示した図である。 FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the number of stages and the mass of the radiation cooling surface (heat shield plate) of the space superconducting magnet apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図9に示すように、熱シールド板17は、4段から6段に構成することによって質量を小さく抑えることができる。
As shown in FIG. 9, the
本実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置5および宇宙用推進装置4は、磁気プラズマセイルに必要な磁場を発生させる超電導コイル12を熱シールド板17の放射冷却によって冷却する。これによって、宇宙用超電導磁石装置5および宇宙用推進装置4は、冷凍機などの駆動部材を有する冷却装置のような保守を必要としない。
The space superconducting magnet device 5 and the space propulsion device 4 according to this embodiment cool the
[第2の実施形態]
本発明に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置の第2実施形態について、図10を参照して説明する。
[Second Embodiment]
A second embodiment of the space superconducting magnet device and space propulsion device according to the present invention will be described with reference to FIG.
図10は、本発明の第2実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置を示した概略的な構成図である。 FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a space superconducting magnet device and a space propulsion device according to the second embodiment of the present invention.
本実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置5Aおよび宇宙用推進装置4Aにおいて第1実施形態の宇宙用超電導磁石装置5および宇宙用推進装置4と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
In the space
図10に示すように、宇宙機1Aの宇宙用超電導磁石装置5Aおよび宇宙用推進装置4Aは、電流リード14に接続された永久電流スイッチ31を備える。
As shown in FIG. 10, the space superconducting magnet device 5 </ b> A and the space propulsion device 4 </ b> A of the
永久電流スイッチ31は、超電導コイル12に対して並列に配置され電流リード14に接続される。永久電流スイッチ31は、無誘導に巻かれたコイルで構成され、常電導状態においてオフ(高抵抗状態)になり、超電導状態でオン(抵抗が略0Ωの状態)になる。励磁装置13から超電導コイル12に電力を供給しコイル電流を増加させるときは、永久電流スイッチ31をオフにし、超電導コイル12のコイル電流が所要の電流値になったとき、永久電流スイッチ31をオンにする。これによって、宇宙用超電導磁石装置5Aは、超電導コイル12を一旦励磁した後に励磁装置13からの電力の供給を遮断させても超電導コイル12の磁場が維持され、磁場の発生に掛かる消費電力を低減できる。
The permanent
なお、励磁された後の超電導コイル12のコイル電流は徐々に減衰する。このため、宇宙用超電導磁石装置5Aおよび宇宙用推進装置4Aは、定期的に永久電流スイッチ31をオフにし励磁装置13からの電力の供給を再開させる必要はあるものの、超電導コイル12の励磁に要する平均的な消費電力を大幅に低減できる。
Note that the coil current of the
[第3の実施形態]
本発明に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置の第3実施形態について、図11を参照して説明する。
[Third Embodiment]
A third embodiment of the space superconducting magnet device and space propulsion device according to the present invention will be described with reference to FIG.
図11は、本発明の第3実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置を示した概略的な構成図である。 FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing a space superconducting magnet device and a space propulsion device according to a third embodiment of the present invention.
本実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置5Bおよび宇宙用推進装置4Bにおいて第1実施形態の宇宙用超電導磁石装置5および宇宙用推進装置4と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
In the space
図11に示すように、宇宙機1Bの宇宙用超電導磁石装置5Bおよび宇宙用推進装置4Bは、電流リード14に接続された励磁装置13Bを備える。
As shown in FIG. 11, the space superconducting magnet device 5 </ b> B and the space propulsion device 4 </ b> B of the
励磁装置13Bは、宇宙機1Bの機軸方向視においてサンシールド19よりも機軸交差方向の外方に配置される。すなわち、励磁装置13Bは、宇宙機1Bの飛行姿勢においてサンシールド19の影に入らない。
また、励磁装置13Bは、電流リード14に電気的に接続された熱電素子33と、熱電素子33の高温側電極に熱的に接続された受熱板34と、熱電素子33の低温側電極に熱的に接続された放熱板35と、を備える。
In addition, the
受熱板34は、宇宙機1Bの飛行姿勢において太陽の輻射熱に曝される受熱面34aを有する。
The
放熱板35は、宇宙機1Bの飛行姿勢において受熱板34の影に配置され宇宙空間に熱を放射する放射冷却面35aを有する。
The
熱電素子33は、高温側電極と低温側電極との温度差により熱起電力を発生させ電流リード14を介して超電導コイル12に電流を生じさせる。
The
したがって、宇宙用超電導磁石装置5Bおよび宇宙用推進装置4Bは、熱電素子33が発生させる熱起電力によって超電導コイル12を励磁させることが可能であり、宇宙機1Bのバスモジュール3から供給される電力を必要とせず、宇宙機1Bの全体としての消費電力を低減できる。
Therefore, the space
[第4の実施形態]
本発明に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置の第4実施形態について、図12を参照して説明する。
[Fourth Embodiment]
A fourth embodiment of the space superconducting magnet device and space propulsion device according to the present invention will be described with reference to FIG.
図12は、本発明の第4実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置を示した概略的な構成図である。 FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing a space superconducting magnet device and a space propulsion device according to a fourth embodiment of the present invention.
本実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置5Cおよび宇宙用推進装置4Cにおいて第1実施形態の宇宙用超電導磁石装置5および宇宙用推進装置4と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 In the space superconducting magnet device 5C and the space propulsion device 4C according to the present embodiment, the same components as those in the space superconducting magnet device 5 and the space propulsion device 4 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is given. Is omitted.
図12に示すように、宇宙機1Cの宇宙用超電導磁石装置5Cおよび宇宙用推進装置4Cは、超電導コイル支持構造部11に支持された磁気シールド用超電導コイル37と、磁気シールド用超電導コイル37に設けられた斥力支持構造部38と、斥力支持構造部38に支持された超電導コイル12と、を備える。
As shown in FIG. 12, the space superconducting magnet device 5C and the space propulsion device 4C of the spacecraft 1C include a magnetic
磁気シールド用超電導コイル37は、超電導コイル12とともに熱シールド板21内に収容され熱シールド板17によって超電導転移温度以下に冷却される。これによって、宇宙用超電導磁石装置5Cおよび宇宙用推進装置4Cは、磁気シールド用超電導コイル37が発生させる磁場によって超電導コイル12が発生させる磁場からバスモジュール3を磁気的に遮蔽し保護する。
The magnetic
また、磁気シールド用超電導コイル37は、超電導コイル12に対して直列に接続される。これによって、宇宙用超電導磁石装置5Cおよび宇宙用推進装置4Cは、超電導コイル12および磁気シールド用超電導コイル37を共通の励磁装置13によって励磁させることが可能であり、それぞれの超電導コイル毎に励磁装置を設ける場合に比べて小型化、軽量化が可能となる。
The magnetic
斥力支持構造部38は、超電導コイル支持構造部11と同様なトラス状またはラーメン状の構造物である。宇宙用超電導磁石装置5Cおよび宇宙用推進装置4Cは、超電導コイル12および磁気シールド用超電導コイル37を共通の熱シールド板21内に収容し、それぞれの超電導コイルに働く斥力を斥力支持構造部38で直接的に保持するため、斥力の保持に関連する構造物を容易に構成できる。
The
[第5の実施形態]
本発明に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置の第5実施形態について、図13を参照して説明する。
[Fifth Embodiment]
A fifth embodiment of the space superconducting magnet device and space propulsion device according to the present invention will be described with reference to FIG.
図13は、本発明の第5実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置を示した概略的な構成図である。 FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing a space superconducting magnet device and a space propulsion device according to a fifth embodiment of the present invention.
本実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置5Dおよび宇宙用推進装置4Dにおいて第1実施形態の宇宙用超電導磁石装置5および宇宙用推進装置4と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
In the space
図13に示すように、宇宙機1Dの宇宙用超電導磁石装置5Dおよび宇宙用推進装置4Dは、電源系9に電気的に接続された励磁装置13Dを備える。
As shown in FIG. 13, the space superconducting magnet device 5 </ b> D and the space propulsion device 4 </ b> D of the
電源系9は、バスモジュール3の主構造またはサンシールド19に支持された太陽電池8と、太陽電池8に電気的に接続された電源制御装置42と、電源制御装置42に電気的に接続され宇宙機1Dに搭載された各装置に電力を送る電源バスライン43と、を備える。
The power supply system 9 is electrically connected to the solar cell 8 supported by the main structure of the
電源制御装置42は、太陽電池8の出力を適宜の共通電圧に変換し電源バスライン43を介して宇宙機1Dに搭載された各装置に電力を供給する。
The
励磁装置13Dは、直流変換器45を備える。励磁装置13Dは、電源バスライン43から送られる電力を直流変換器45によって超電導コイル12を励磁させるのに適切な電圧に変換し供給する。直流変換器45は、バスモジュール3の電源バスライン43に電気的に接続された入力端と、電流リード14に電気的に接続された出力端と、を備える。
The excitation device 13D includes a
宇宙用超電導磁石装置5Dおよび宇宙用推進装置4Dは、超電導コイル12を励磁させる電力を宇宙機1Dの電源系9から取り出すことで、宇宙機1Dの電源系統を各装置間で共有化させることが可能であり、宇宙機1Dの電力利用効率を高めることができる。また、宇宙用超電導磁石装置5Dおよび宇宙用推進装置4Dは、超電導コイル12に独立させて接続された直流変換器45を備えており、超電導コイル12に供給される電圧、電流を自由に設定、制御することが可能であり超電導コイル12の運転の自由度を向上できる。
The space
[第6の実施形態]
本発明に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置の第6実施形態について、図14および図15を参照して説明する。
[Sixth Embodiment]
A sixth embodiment of the space superconducting magnet device and space propulsion device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図14および図15は、本発明の第6実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置および宇宙用推進装置を示した概略的な構成図である。 14 and 15 are schematic configuration diagrams showing a space superconducting magnet device and a space propulsion device according to a sixth embodiment of the present invention.
本実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置5Eおよび宇宙用推進装置4Eにおいて第1実施形態の宇宙用超電導磁石装置5および宇宙用推進装置4と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
In the space
図14に示すように、宇宙機1Eの宇宙用超電導磁石装置5Eおよび宇宙用推進装置4Eは、励磁装置13Eを備える。
As shown in FIG. 14, the space
励磁装置13Eは、電流リード14に電気的に接続された超電導コイル励磁用太陽電池47(第2太陽電池)を備える。超電導コイル励磁用太陽電池47は、バスモジュール3の主構造体またはサンシールド19に設けられる。また、超電導コイル励磁用太陽電池47は、並列に接続された複数の太陽電池セル(図示省略)、または直列に接続させた太陽電池セル列をさらに並列に接続させた複数の太陽電池セルを備える。
The
一般に、バスモジュール3の太陽電池8は、太陽電池セルを多数直列に接続した太陽電池モジュール(図示省略)を有し、さらに多数の太陽電池モジュールを直列および並列に接続することによって所要の出力(数十V、数A)を得る。一方、超電導コイル12を励磁させるために必要な電圧、電流は、数V、数十Aから数百Aである。したがって、バスモジュール3の電源系から超電導コイル12の励磁に必要な電力を供給するためには第5の実施形態のような直流変換器45が必要となる。
In general, the solar cell 8 of the
そこで、本実施形態は、励磁装置13Eを適宜の数量の太陽電池セルを直列または並列に接続した超電導コイル励磁用太陽電池47によって、超電導コイル12の励磁に必要な電力を得る。宇宙用超電導磁石装置5Eおよび宇宙用推進装置4Eは、超電導コイル12を超電導コイル励磁用太陽電池47に直接接続することによって、直流変換器45を必要とせず、宇宙機1Eをさらに小型化、軽量化することが可能となり、電源回路の損失も低減させることができる。
Therefore, in the present embodiment, electric power necessary for exciting the
また、図15に示すように、励磁装置13Eは、励磁制御装置48(電源回路)を備えることもできる。励磁制御装置48は、超電導コイル励磁用太陽電池47に電気的に接続された入力端と、超電導コイル12に電気的に接続された出力端と、を備える。また、励磁制御装置48は、半導体で構成されたスイッチング素子を用いて構成される。
As shown in FIG. 15, the
本実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置5、5A、5B、5C、5D、5Eおよび宇宙用推進装置4、4A、4B、4C、4D、4Eは、複数段の熱シールド板17から熱を放射することによって、超電導コイル12を超電導転移温度よりも相当に低温な状態に冷却できる。具体的には、超電導コイル12を約20Kまで冷却することが可能である。そして、このときの宇宙用超電導磁石装置5、5A、5B、5C、5D、5Eおよび宇宙用推進装置4、4A、4B、4C、4D、4Eの質量や容積は、現存するロケットなどの輸送手段によって地上から宇宙空間に運搬可能な範囲に構成できる。
The space
また、本実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置5、5A、5B、5C、5D、5Eおよび宇宙用推進装置4、4A、4B、4C、4D、4Eは、複数段の熱シールド板17によって超電導コイル12を冷却することによって、冷凍機のように運転のための大量の電力(約40W、非特許文献3参照)を消費しない。
The space
さらに、本実施形態に係る宇宙用超電導磁石装置5、5A、5B、5C、5D、5Eおよび宇宙用推進装置4、4A、4B、4C、4D、4Eは、従来の放射冷却器によって得られる低温(約70K〜100K、非特許文献4参照)よりも極めて低い温度を得ることが可能であり、超電導コイル12の質量を抑えつつ強力な磁場を得ることができる。
Furthermore, the space
したがって、本発明によれば、超電導コイル12を超電導転移温度(ほぼ液体窒素温度)以下の十分な温度域(約20K)まで冷却可能であるとともに長期間の寿命を容易に確保することが可能である。
Therefore, according to the present invention, it is possible to cool the
1、1A、1B、1C、1D、1E 宇宙機
3 バスモジュール
4、4A、4B、4C、4D、4E 宇宙用推進装置
5、5A、5B、5C、5D、5E 宇宙用超電導磁石装置
6 プラズマジェット噴射装置
8 太陽電池
11 超電導コイル支持構造部
12 超電導コイル
13、13B、13D、13E 励磁装置
14 電流リード
16 放射冷却面
17 熱シールド板
19 サンシールド
21 熱シールド板
21a 外側面
21b 外底面
21c 内側面
21d、21e 内底面
21f 外底面
22 熱シールド板
22a 外側面
22b 内側面
22c 内底面
22d 外底面
23 底面部
23a 支持構造用貫通口
23b 電流リード用貫通口
25 梁部材
26 節点部材
28 支持材熱アンカ
29 電流リード熱アンカ
31 永久電流スイッチ
33 熱電素子
34 受熱板
34a 受熱面
35 放熱板
35a 放射冷却面
37 磁気シールド用超電導コイル
38 斥力支持構造部
41 電源系
42 電源制御装置
43 電源バスライン
45 直流変換器
47 超電導コイル励磁用太陽電池
48 励磁制御装置
1, 1A, 1B, 1C, 1D,
Claims (17)
前記超電導コイルを励磁させる励磁装置と、
前記超電導コイルと前記励磁装置とを電気的に接続させる電流リードと、
前記超電導コイルを宇宙機のバス部に支持させる支持構造部と、
前記超電導コイルと前記電流リードと前記支持構造とのうち少なくともいずれかに熱的に接続され放射冷却面を有する複数段の熱シールド板と、
前記バス部に設けられたサンシールドと、を備え、
前記熱シールド板は、底面を有する円筒形状または多角形筒形状に形成され、その軸芯は前記超電導コイルの軸芯の略延長線上に配置されたことを特徴とする宇宙用超電導磁石装置。 A superconducting coil;
An exciting device for exciting the superconducting coil;
A current lead for electrically connecting the superconducting coil and the excitation device;
A support structure for supporting the superconducting coil on a spacecraft bus,
A plurality of heat shield plates thermally connected to at least one of the superconducting coil, the current lead, and the support structure and having a radiation cooling surface;
A sunshield provided in the bus part ,
The space superconducting magnet device is characterized in that the heat shield plate is formed in a cylindrical shape or a polygonal cylindrical shape having a bottom surface, and an axis of the heat shield plate is disposed on a substantially extended line of the axis of the superconducting coil .
前記熱電素子の低温側電極に熱的に接続された放熱板と、を備えたことを特徴とする請求項11に記載の宇宙用超電導磁石装置。 A heat receiving plate thermally connected to the high temperature side electrode of the thermoelectric element;
Space for a superconducting magnet apparatus according to claim 1 1 in which the heat sink is thermally connected to the low temperature side electrode, comprising the to the thermoelectric element.
前記励磁装置は、前記電源系に電気的に接続された入力端と前記電流リードに電気的に接続された出力端とを有する直流変換器を備えたことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の宇宙用超電導磁石装置。 The spacecraft includes a power supply system that obtains electric power from a solar cell,
The excitation device is 0 to claim 1 1, further comprising a DC converter with and electrically connected to the output terminal to the current lead electrically connected to each input terminal to the power supply system The superconducting magnet device for space according to any one of the above.
前記宇宙用超電導磁石装置が発生させた磁場の磁気圏を拡大させるプラズマ発生装置と、を備えたことを特徴とする宇宙用推進装置。
ことを特徴とする。 The space superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 16 ,
A space propulsion device comprising: a plasma generator for expanding a magnetosphere of a magnetic field generated by the space superconducting magnet device.
It is characterized by that.
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