JP5478633B2 - 宇宙船のためのイオン駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、推進剤のイオン化のための交流電磁場を発生する高周波発生器及びイオン加速に適するシステムを備えた、宇宙船のためのイオン駆動装置に関する。

宇宙飛行においては、ブーストビークルから切り離された後の衛星又は宇宙探査機を推進するために、電気エンジンが多く使用されている。電気エンジンは、特に、静止通信衛星の軌跡補正（いわゆる位置保持）のために使用される。とりわけ、イオンエンジン及びＳＰＴプラズマエンジンがこの目的で使用される。どちらのタイプも、加速されたイオンを放出することによって推力を作り出す。衛星を帯電させることを回避するために、放出されたイオンビームは中和される。この目的で通常必要とされる電子は、別個の電子源から提供され、プラズマ結合によってイオンビーム内に導入される。

高周波イオンエネルギー（無線周波数イオンスラスタ、ＲＩＴ）において、推進剤は交流電磁場を用いてイオン化され、その後推力を発生するため電磁場において加速される。再度イオンビームに電子を供給して発生する正の空間電荷と平衡させる中和剤が通過した後、粒子はビームの形態で放出される。このイオン駆動装置を操作するために、ガス供給、交流電磁場を発生するための高周波発生器、及び電荷キャリアを加速する場を発生するための高電圧源が必要である。イオン加速のための静電場を発生するための従来のグリッドシステムで、高電圧発生器の及びグリッドシステムの電圧は、推力を発生するために連動されなくてはならない。同様に、少なくとも一つの電圧源が、電子源からの電子によって正のイオンビームを中和するための中和装置に必要とされる。

イオン駆動装置は、構造の簡易さと信頼性の高さによって特徴付けられる。しかしながら、記載された部品の電圧供給のために必要とされる電子回路アセンブリに起因して、高度の複雑性が生じる。

したがって、本発明の目的は、設計においてより単純な構造であり、より低コストで製造することができる、宇宙船のためのイオン駆動装置、特にＲＩＴエンジンを開示することである。本発明のさらなる目的は、操作の信頼性を高めることができ、かつ制御努力を最小化することができる、イオン駆動装置、特にＲＩＴエンジンの操作方法を開示することである。

これらの目的は請求項１の特徴を有するイオン駆動装置によって、及び請求項１５の特徴を有する方法によって、実行される。有利な実施形態は、従属項によって示される。

本発明は、推進剤、特にガス、のイオン化のための交流電磁場を発生するための高周波発生器、及び生成された電荷キャリアを加速するためのシステムを含む、宇宙船のイオン駆動装置を提供する。本発明は、イオン駆動装置が、交流電磁場を発生するために高周波発生器によって発生された電流及び／又は電圧から、生成された電荷キャリアを加速するためにシステムに必要な高電圧を得ることが出来る第１手段を含むことを特徴とする。

本発明によるイオン駆動装置は高周波イオン駆動装置、特に無線周波数イオンスラスタ（ＲＩＴ）である。特に、例えばキセノン等のガスが推進剤として使用され得る。本発明によるイオン駆動装置は、電圧供給システムの単純化に起因して、イオン駆動装置の質量が従来のイオン駆動装置と比較して低減され得るという有利な点を有する。同時に、操作の信頼性を高め、操作努力を最小化することができる。

ある実施形態において、第１手段が、交流電磁場を発生するために高周波発生器によって発生された電流及び／又は電圧からイオン加速に必要な高電圧を少なくとも取り出すために実現される。従来の２グリッド加速システムでは、第１グリッドは特にスクリーングリッドである。第２グリッドは特に加速グリッドである。もしもグリッドシステムが前記二つのグリッド以上を含む場合、さらなるグリッドに必要とされる高電圧も、高周波数発生器によって作られた電流及び／又は電圧から第１手段によって得られる。第１の実施形態において、第１手段は、高周波発生器によって生成された電力の一部を取り出すために高周波発生器に接続された少なくとも一つのキャパシタを有する。

他の実施形態では、高周波発生器によって発生された電力の一部を取り出すための第１手段は、高周波発生器に連結された少なくとも一つのカップリングコイルを含み、そのカップリングコイルのコイル端においてグリッドシステムに必要な電圧が提供される。特に、少なくとも一つのカップリングコイルが変圧器の二次的な巻線の形態で実現され、前記変圧器は変圧器の一次的巻線としての高周波発生器のコイルに連結される。高周波システム内部に統合することができる高圧変圧器は、その出口において加速システムのための電圧を提供する。さらに、少なくとも一つのカップリングコイルが各々一つ以上のタップを備えてよく、前記一つ以上のタップは高周波発生器のコイルから電気的に分離される。

任意に、グリッドシステムのための高周波発生器から得られる電圧を整流する第２手段が備えられてよい。特に、イオン駆動装置の加速システム、イオン源、中和装置又は電子源に関する電圧の整流が提供される。

さらに、加速システムの整流された電圧を平滑化する第３手段を備えることが好都合であり得る。平滑化はコイル（Ｌ）及び／又はキャパシタ（Ｃ）及び／又はインピーダンス（Ｒ）のネットワークによって実行することができる。特に、平滑化のためにＬＣ、Ｌ、Ｃ、又はＲＬＣネットワークを備えることができる。コイル及び／又はキャパシタ及び／又はインピーダンスのネットワークは、さらに加速システムにおけるフェーズ位置を最適化するために使用される。無線周波数イオンスラスタに関して、加速システムにおけるフェーズ位置及び電圧は、平均イオンビームが平均電子ビームに対応するように調整されることが好ましい。最初に説明したように、後者は別個の中和装置によっても提供され得る。

イオン駆動装置の適切な効果に関して、各々の部品は対応する電圧で操作されなくてはならない。グリッドシステムの各々の電圧と高周波発生器の電圧との間の電圧比の設定は、一実施形態によれば、複数のキャパシタ及びダイオードを含む高電圧カスケードによって、及び／又は、一つ以上のカップリングコイルに対する高周波発生器のコイルの巻線比によって、実行される。高電圧カスケードに起因して、高周波発生器によって備えられる電圧を増加することができる。この種のカスケーディング接続は電荷ポンプという用語でも知られている。

さらなる有利な実施形態によれば、電荷キャリア流の時間制御に関して、少なくとも一つの制御可能なスイッチが高周波発生器と加速システムとの間に備えられる。少なくとも一つの制御可能なスイッチが機械的又は電子的なスイッチとして実現されてよい。特に半導体スイッチを備えることができる。

さらなる実施形態において、イオン及び電子の抽出及び加速のための、グリッドシステムにおける電圧の極性を反転する第４手段が備えられる。この実施形態において、加速システムの部品における極性が互いに対して変化し、交互に電子及びイオンが製造されるので、第１手段の下流に配置される整流を省略することができる。加速システムにおける電圧は、好ましくはイオン流が電子流と等価であるように有利に選択される。これまで説明してきたように、加速システムの部品におけるフェーズ位置は適切なＲＣＬネットワークによって影響され得る。この実施形態のさらなる有利な点は、別個の中和装置を省略することができることであり、イオン駆動装置のさらなる単純化をもたらす。

他の実施形態では、イオン駆動装置は中和装置を有し、その操作に必要な電圧は、交流電磁場を発生するために高周波発生器によって発生され、かつ特に第１手段によって提供される電流及び／又は電圧から得られる。この実施形態において、本発明によるイオン駆動装置は、中和装置を操作するための別個の電圧源を省略することを可能にする。これは、既に説明された、イオンエンジンの質量が低減された単純な構造をもたらす。

本発明はさらに、推進剤のイオン化のために交流電磁場を発生する高周波発生器、及びイオン加速のための静電場を発生するための加速システムを含む、宇宙船のためのイオン駆動装置の操作方法を提供する。本発明によれば、加速システムに必要とされる高電圧は、交流電磁場を発生するために高周波発生器によって発生される電流及び／又は電圧から得られる。上述のように、本発明によるイオン駆動装置に関連して、同じ有利な効果が存在する。

本発明によるイオン駆動装置を通過する断面図を示す。

本発明は例示的な実施形態に基づき以下により詳細に説明される。

図１は本発明によるイオン駆動装置を横切る断面図を示す。

イオン駆動装置１は放電チャンバ２（イオン化装置）を有する。入口３においてバルブ（図示されない）を介して推進剤（例えばキセノンガス）がイオン化のための放電チャンバ２内部に導入されてよい。放電チャンバ２の周囲に巻かれたコイル５は、推進剤をイオン化するための放電チャンバ２の内部で交流電磁場を発生するための高周波発生器４で実現される。出口６は、入口３の反対側に位置する放電チャンバ２の一端に備えられる。グリッドシステム７は出口６と隣接し、第１グリッド８としてのグリッドシステムがスクリーングリッド（プラズマ境界アンカー）を有し、第２グリッド９としてのグリッドシステムが加速グリッドを有する。グリッドシステム７を操作するために、第１グリッド８は正の高電圧を必要とし、第２グリッド９は負の高電圧を必要とする。正の供給電圧は第１グリッド８に関して電位端子１０で与えられ、負の高電圧は第２グリッド９に関して電位端子１１で与えられる。

既知の方法で、例示的な実施形態に示されるイオン駆動装置１は中和装置１４を有する。これは、例えばキセノン等のガスがチャンバ１５内部に導入される入口１７において、チャンバ１５を含む。チャンバ１５は電極１６ａ及び１６ｂによって囲まれ、チャンバ１５の出口１８において、イオンビーム１９と等価な電子ビーム２４が、イオンビーム１９を中和するために発生され得るようにする。高電圧が中和装置の電極１６ａ及び１６ｂの電位端子２５ａ及び２５ｂにおいて中和装置に対して提供される。

イオン駆動装置１のグリッドシステム７において極性を変えることによって、イオンの代わりに、電子が放電チャンバ２から抽出され、グリッドシステム７を通って加速され得る。イオン及び電子の抽出時間の対応するセクション及び／又は二つの抽出フェーズに関する電位端子１０及び１１における電圧レベルを通じて、イオン流と等価な電子流が調節され得る。この場合、中和装置１４は省略することができる。

したがってイオン駆動装置１は既知の方法で三つの機能領域を含む：イオン発生のための領域５０、イオン加速のための領域５２、及びイオンビームの中和のための任意の領域５４。

グリッド７及び任意の中和装置１４に関する、イオン駆動装置の操作に必要な高電圧の発生は、それ自身の電圧源を介して実行されないが、第１手段１２を通じて行われ、グリッドシステム７及び任意の中和装置に必要とされる高電圧が高周波発生器４によって生成された電流及び／又は電圧から誘導され得る。図において、対応する高電圧の伝導性は高周波発生器４及び第１手段１２の間のカップリング（矢印１３）によって表される。

高電圧の伝導性及び電位端子１０、１１、及び任意に２５ａ、及び２５ｂにおける提供を実施することができ、例えば、高周波電力の一部が、キャパシタ（図示されない）によってコイル５に結合される高周波発生器４から取り出される。この実施形態において、キャパシタに使用される電圧は整流２２のための第２手段で整流され、任意に第３手段２３で平滑化される。もしも、グリッドシステム７のグリッド８及び９において必要な電圧が、高周波回路から取得することができる電圧と比較して高い場合、キャパシタ及びダイオードを含むカスケード接続が第１手段１２内に備えられてよく、これは電圧を必要なレベルに高める。対応するカスケード接続は、中和装置の電極１６ａ及び１６ｂに関して同様に備えられ得る。

その代わりに、グリッドシステム７の及び任意に中和装置１４の操作に必要とされる電圧が、少なくとも一つのカップリングコイル（図示されない）によって、グリッドシステムに関して必要とされる電圧が取られ得るコイル端において、供給されてよい。他の方法では、例えば、高電圧変圧器を高周波システム内部に一体化することができ、グリッドシステムに必要な電圧がその出口において利用可能であるようにする。同様に、任意に一つ以上のタップを備えた一つ以上のカップリングコイルを放電チャンバ２（図示されない）上に直接配置することができる。一つ以上のカップリングコイルは、推進剤をイオン化するためのコイル５から電気的に分離されるように実現される。好ましくは、一つ以上のカップリングコイルは、コイル５と、グリッドシステム７又は任意に中和装置１４のための一つ以上のコイルとの間に良好なカップリングが存在するように取り付けられる。

電圧を整流しかつ平滑化するための上述の手段２２及び２３を、カップリングコイルの場合に同様に備えることができる。しかしながら、下流の整流が同様に省略され得るので、駆動システムのさらなる簡単化がコイルによる電力の取り出しで可能である。この場合、グリッドシステムのグリッド８及び９の極性が互いに変化し、交互に電子及びイオンが生成されるようにする。したがって、グリッド８及び９における電圧は、好ましくは、それによってイオン流が電子流に等価であるように選択される。適用可能には、プラズマ境界アンカー８における、及び加速グリッド９における、フェーズ位置の調整が必要であり、これは適切なＲＣＬ回路（図示されない）によって影響され得る。

整流及び平滑化のための手段２２及び２３は、中和装置１４なしで作動するイオン駆動装置において一般的に省略することができる。このタイプの駆動装置の場合、電子並びにイオンは放電チャンバ２から抽出され、及びグリッド８及び９において電圧の極性を反転することによって加速される。ＬＣ、Ｌ、Ｃ、又はＲＬＣリンクを、グリッド８及び９においてフェーズ位置を最適化するために使用することができる。好ましくは、フェーズ位置及び電圧が調節され、平均イオン流が平均電子流と対応するようにする。

二つのスィッチ２０及び２１が、電圧を提供する手段１２内に模式的に示され、これらのスィッチは機械的な又は電子的なスィッチとして実現され得る。スィッチ２０及び２１は、たとえ推進剤が放電チャンバ２内でイオン化される場合でも、スクリーングリッド８及び／又は加速グリッド９を電圧が無い状態に保つために使用される。必要に応じて、単一のスィッチがグリッドシステム７のグリッド全てに関して備えられてよい。

高い高周波電力で、グリッド８及び９のための電位端子１０及び１１における電圧も増加する。高い高周波電力に関連して高まるプラズマ密度も高い抽出電圧を必要とするので、これはイオン光学の観点で好ましい。

本発明によるイオン駆動装置は、電圧供給システムを実質的に単純化することができるという有利な点を有する。これは質量の観点で低減を可能にする。さらに操作の信頼性が高まり、かつ制御努力が最小化される。

さらに、駆動装置は別個の中和装置無しで実現され得る。これは電圧を供給する手段によって可能とされ、それによって必要な高電圧を、高周波発生器によって発生される電流及び／又は電圧から得ることができる。特に、電圧は高周波イオンエンジン、高周波イオン源、高周波中和装置、又は高周波電子源のためのグリッドに関して供給され得る。

１ イオン駆動装置
２ 放電チャンバ
３ 入口
４ 高周波発生器
５ 高周波発生器のコイル
６ 出口
７ グリッドシステム
８ スクリーングリッド／プラズマ境界アンカー（第１グリッド）
９ 加速グリッド（第２グリッド）
１０ 第１グリッド８の電位端子
１１ 第２グリッド９の電位端子
１２ 電圧供給手段
１３ カップリング（模式図）
１４ 中和装置
１５ チャンバ
１６ａ、１６ｂ 電極
１７ 入口
１８ 出口
１９ イオンビーム
２０、２１ スィッチ
２２ 整流手段
２３ 平滑化手段
２４ 電子ビーム
２５ａ、２６ｂ 電位端子
５０ イオン発生
５２ イオン加速
５４ イオンビームの中和

Claims (13)

1. 推進剤のイオン化のための交流電磁場を発生するための高周波発生器（４）、及び静電場を発生するための適切な電荷キャリア加速システム（７）を含む宇宙船のためのイオン駆動装置（１）であって、
   前記高周波発生器（４）によって生成された電流及び／又は電圧から加速システム（７）に必要とされる高電圧を得ることが出来る第１手段を含むことを特徴とするイオン駆動装置。
2. 前記第１手段（１２）が、交流電磁場を発生するために高周波発生器（４）によって生成された電流及び／又は電圧から、イオン加速システム（７）、（８）、及び（９）に必要とされる高電圧を少なくとも取り出すように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のイオン駆動装置。
3. 前記第１手段（１２）が、高周波発生器（４）によって生成される電力の一部を取り出すために高周波発生器（４）に連結される少なくとも一つのキャパシタを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のイオン駆動装置。
4. 前記高周波発生器（４）によって生成される電力の一部を取り出すための第１手段（１２）が、カップリングコイルのコイル端において加速システム（７）に必要とされる電圧が供給される、高周波発生器（４）に連結される少なくとも一つのカップリングコイルを含むことを特徴とする、請求項１から２の何れか一項に記載のイオン駆動装置。
5. 前記少なくとも一つのカップリングコイルが、変圧器の一次的巻線として高周波発生器（４）のコイルに連結された、変圧器の二次的な巻線の形態で構成されることを特徴とする、請求項４に記載のイオン駆動装置。
6. 前記少なくとも一つのカップリングコイルが各々一つ以上のタップを有し、前記カップリングコイルが高周波発生器（４）のコイルと電気的に分離されていることを特徴とする、請求項４又は５に記載のイオン駆動装置。
7. 第２手段（２２）が加速システム（７）のための高周波発生器（４）から得られる電圧を整流するために備えられることを特徴とする、請求項３から６の何れか一項に記載のイオン駆動装置。
8. 第３手段（２３）が加速システム（７）に関して整流された電圧を平滑化するために備えられることを特徴とする、請求項７に記載のイオン駆動装置。
9. 加速システム（７）の各電圧と高周波発生器（４）の電圧との間の電圧比の設定が、複数のキャパシタ及びダイオードを含む高電圧カスケードによって、及び／又はカップリングコイルに対する高周波発生器（４）のコイルの巻線比によって実施されることを特徴とする、請求項４に関連する請求項１から８の何れか一項に記載のイオン駆動装置。
10. 少なくとも一つの制御スィッチ（２０、２１）が、電圧供給を分離するために高周波発生器（４）と、加速システム（７）との間に提供されることを特徴とする、請求項１から９の何れか一項に記載のイオン駆動装置。
11. 加速システム（７）において電圧の極性を反転させる第４手段が、イオン及び電子の抽出及び加速のために提供されることを特徴とする、請求項１から１０の何れか一項に記載のイオン駆動装置。
12. 別個の中和装置（１４）を有し、その操作に必要とされる電圧が交流電磁場を発生するために高周波発生器（４）によって生成された電流及び／又は電圧から得られ、特に第１手段（１２）によって提供されることを特徴とする、請求項１から１０の何れか一項に記載のイオン駆動装置。
13. 推進剤のイオン化のための交流電磁場を発生する高周波発生器（４）、及び電荷キャリアの適切な加速システム（８、９）を備えるグリッドシステム（７）を含む宇宙船のためのイオン駆動装置（１）の操作方法であって、
    加速システム（７）に必要とされる高電圧が前記高周波発生器（４）によって生成された電流及び／又は電圧から得られることを特徴とするイオン駆動装置の操作方法。

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