JP5671673B2 - 宇宙船用電気スラスタ - Google Patents

Description

本発明はイオンジェット式またはプラズマジェット式宇宙空間用電気スラスタに関し、並びに少なくともこのようなスラスタを備える宇宙船に関する。

宇宙船の推進に長い間使用されているイオン式またはプラズマ式の宇宙空間用電気スラスタには、化学スラスタより少ないエルゴール(ergol)質量で同じ速度増分の達成を可能にする高い比推進という長所があることが知られている。これに対して、イオンジェット式またはプラズマジェット式電気スラスタの乾燥質量は、概して化学スラスタのそれより高い。現時点では、ある決定されたエルゴール質量で乾燥質量が増大すれば、速度増分は減少する結果となる。

このような宇宙空間用電気スラスタの乾燥質量が重要である原因の１つは、その推進の方向性を決定する必要性にある。実際に、宇宙空間用電気スラスタは巨大かつ高価であり、推進および指向的操舵を同時に行う目的でスラスタのうちの幾つかをパルス操作の実装を可能にするために配置することは経済的ではない。

このような欠点を克服するために、このようなジェット式電気スラスタを配向可能なプラットフォーム上へ配置することが検討されてきた。しかしながら、このようなプラットフォームは、スラスタ全体と、このスラスタからジェットを発生させるための燃料として使用されるエルゴールを供給するシステムとの接続部とを支えることになる。その結果、推進システムの乾燥質量は著しく増大し、一方で推力配向の自由度は約３０度に限定されたままである。この自由度は、宇宙空間ミッションの全ての局面にとって必ずしも十分ではない。

さらに、電場または磁場をその出口で修正することによって宇宙空間用スラスタのジェットを偏向させることも検討されてきた。しかしながら、達成できる推進方向の配向自由度は数度でしかない。

本発明の目的は、先行技術による上述の欠点を、電気スラスタの乾燥質量を最小限に抑えかつその推進方向性を決定する、優れた配向能力を得て克服することにある。

この目的に沿って、本発明によれば、宇宙船のためのイオンジェット式またはプラズマジェット式宇宙空間用電気スラスタは、下記において、即ち、
− 上記電気スラスタは、ジェットを発生させるための発生手段を設ける１つの第１管状部分と、前記ジェットを加速するための加速手段を設ける少なくとも１つの第２管状部分とを備えること、
− これらの第１管状部分と前記第２管状部分とは前後して配置されること、および、
− 前記第１管状部分の端部と、この端部に対向する前記第２管状部分の端部とは、加速手段を設ける部分が発生手段を設ける上記部分に対して回転することを可能にするジョイントによって互いに接続されることにおいて優れている。

従って、本発明によれば、プラズマを発生させる主要機能はその加速機能から切り離され、このスラスタの推力が発生される。ジェット発生およびジェット加速の各機能をこのように切り離すことにより、主要なプラズマ発生部分を宇宙船の構造体へ固定することができ、加速部分のみが配向可能になる。従って、本発明による宇宙船は、本発明による少なくとも１つのスラスタを備えること、および発生手段を設ける上記第１管状部分が上記宇宙船と一体に製造されることにおいて優れている。

本発明による宇宙空間用電気スラスタのこのような構造は、可動部分の質量、延いてはその駆動機構の質量を最小限に抑え、かつ一方で推進方向の逃げ角をより多くすることが分かる。さらに、低電圧電力、延いては断面が強いワイヤ並びにガス供給マニホルドを必要とするジェット発生部分が宇宙船構造体上へ直に配置されるという事実により、さらに、エンジン全体が可動プラットフォーム上に配置されるあらゆる解決策よりも質量の獲得を可能にする。

ある好適実施形態において、本スラスタは、前記第１管状部分として、発生手段を設ける中央の管状部分を備えるとともに、前記第２管状部分として、加速手段を設ける２つの側面管状部分を備え、上記側面管状部分は上記中央の管状部分の両側面に配置されかつ上記両側面に対して回転接合される。

従って、このような構造では、後の説明から分かるように、本宇宙船上へ直線的なシフト力だけでなくトルクもかけることができる。

発生手段を設ける上記第１管状部分と加速手段を設ける上記第２管状部分との間の上記ジョイントの軸は、発生手段を設ける上記第１管状部分の軸と併合される可能性もあり、または上記第１管状部分の軸に対して傾斜される可能性もある。

さらに、加速手段を設ける上記第２管状部分は直線状である可能性もあり、反対にベンドの形状を有する可能性もある。前者の場合、上記直線状の第２管状部分のジェット出口側は上記ジョイントの軸に対して傾斜される。後者の場合、上記ベンドは直角を形成する可能性もある。

さらに、加速手段を設けかつベンド形状を有するこのような第２管状部分は、その枝管の一方をもう一方の枝管に対して回転させる追加的な中間ジョイントを備える可能性もある。

本発明にかかるジェット式宇宙船用電気ラスタの第１の実施形態を概略的に示す図である。 本発明にかかるジェット式宇宙船用電気ラスタの第２の実施形態を概略的に示す図である。 本発明にかかるジェット式宇宙船用電気ラスタの第３の実施形態を概略的に示す図である。 本発明にかかるジェット式宇宙船用電気ラスタの第４の実施形態を概略的に示す図である。 本発明にかかるジェット式宇宙船用電気ラスタの第５の実施形態を概略的に示す図である。 図５に示す電気的ラスタを宇宙船上に配置する方法を概略的に示している。

これらの図では、明確を期して、管状の加速部分を管状の発生部分に対して回転させるために使用される駆動手段を示していない。しかしながら、上記駆動手段が、例えば管状の加速部分毎の同軸内蔵ギアと、上記ギアと噛み合いかつ例えば電気エンジンであるエンジンによって回転駆動されるピニオンとを備える可能性もある点を理解することは容易である。

添付図面の図により、本発明がどのように実施されるかが明確に理解される。これらの図中、同一符号は、同一要素を示す。
本発明による、図１に示すプラズマジェット式宇宙空間用電気スラスタＩは、宇宙船（不図示）上へ固定されるように適合化される、軸Ｌ−Ｌを有する管状の発生部分（第１管状部分）Ｇ１と、直線状であって上記管状の発生部分Ｇ１に連続して配置される、同じく軸Ｌ−Ｌを有する管状の加速部分（第２管状部分）Ａ１とを備える。上記管状部分Ｇ１およびＡ１に対向する端部は回転ジョイントＨ１によって互いに接続され、上記回転ジョイントＨ１の回転軸は管状の発生部分Ｇ１の軸Ｌ−Ｌと併合される。従って、直線状の管状加速部分Ａ１はそれ自体で上記軸Ｌ−Ｌの周りを回転することができる。

管状の発生部分Ｇ１は、ガス３用の入力２を設ける管状シェル１、並びに上記ガスにより発生されるプラズマのための加熱用アンテナ４を備える。

管状の加速部分Ａ１は、回転ジョイントＨ１とは反対側の、軸Ｌ−Ｌに対して斜めであって加速グリッド６を差し込まれるプラズマジェット出口側面Ｐを有する管状シェル５を備える。ジョイントＨ１と加速グリッド６との間に、プラズマイオン抽出の均一性を高めるため、１つまたは複数の追加的な加速グリッド７を配置することができる。

発生部分Ｇ１が宇宙船（不図示）と一体製造されて、加速部分Ａ１が軸Ｌ−Ｌの周りを回転する場合には、プラズマジェットＰは上記軸Ｌ−Ｌ周りの錐体を辿り、よってこれが上記宇宙船に加える推進方向も軸Ｌ−Ｌ周りを回転することは容易に理解される。従って、上記宇宙船の操舵は、軸Ｌ−Ｌを中心とする単純な回転によって発生する。

図２に示すような宇宙空間用電気スラスタの変形例ＩＩでは、同じく上述の発生部分Ｇ１（宇宙船と一体製造されるように適合化されている）および回転ジョイントＨ１が存在する。しかしながら、直線状の加速部分Ａ１はここでは９０゜の曲げ形状であるシェルを有する加速部分（第２管状部分）Ａ２に代わっていて、これは、軸Ｌ−Ｌを有し、ジョイントＨ１によって発生部分Ｇ１へ接続される枝管Ｃ１と、上記軸Ｌ−Ｌに直交する軸Ｑ−Ｑを有する枝管Ｃ２とを備える。回転ジョイントＨ１とは反対側のプラズマジェット出口側面Ｐは軸Ｑ−Ｑに対して垂直（よって、軸Ｌ−Ｌに対して平行）であり、加速グリッド６を差し込まれる。この中にも、１つまたは複数の追加的な加速グリッド７が設けられる可能性がある。

電気スラスタＩＩの場合、宇宙船の操舵は、軸Ｌ−Ｌを中心とする加速部分Ａ２の単純な回転によって発生する。このような回転は、例えば、スラスタＩＩを、ジェットＰの方向を宇宙船の重心を通過させるように方向付けることによって推進し、次に加速部分Ａ２を回転することによって宇宙船の方向性を変えるためのモーメントを生成するように交互に使用することを可能にする。

図３に示す電気スラスタＩＩＩでは、固定式の発生部分（第１管状部分）Ｇ２と加速部分（第２管状部分）Ａ３との間のジョイントＨ２は、固定式の発生部分Ｇ２の軸Ｌ−Ｌ上で例えば４５゜傾斜された軸Ｈ−Ｈを有する。よってこのような場合、宇宙船の操舵は、加速部分Ａ３を傾斜された軸Ｈ−Ｈを中心として回転させることによって達成される。

図４に示す電気スラスタＩＶでもやはり、軸Ｌ−Ｌを有する図１および図２の固定式発生部分Ｇ１並びにジョイントＨ１が存在する。しかしながら、このような例では、管状の加速部分（第２管状部分）Ａ４は（図２の部分Ａ２のように）曲げられ、ベンドの枝管Ｃ１およびＣ２の双方は、図３に示すように軸Ｌ−Ｌに対して傾斜された回転の軸Ｈ−Ｈを有するジョイントＨ２によって回転接合される。従って、軸Ｌ−Ｌおよび軸Ｈ−Ｈの双方を中心とする回転の組合せにより、スラストＰを完全な半球に対応する立体角で方向付けることができる。

図５に略示している電気スラスタＶは、上述のジェット発生手段（ガス３用の入力２を設ける管状シェル１、および加熱用アンテナ４）を設ける中央の管状部分（第１管状部分）Ｇ３と、同じく先に述べた加速手段（加速グリッド６、および加速グリッド７）を設ける２つの曲げられた側の管状部分Ａ２ＧおよびＡ２Ｄとを備える。側面の管状部分Ａ２ＧおよびＡ２Ｄは各々、図２の曲げられた部分Ａ２に類似している。上記側面管状部分Ａ２ＧおよびＡ２Ｄは中央の管状部分Ｇ３の両側に配置され、かつ各々、共に上述のジョイントＨ１に類似している回転ジョイントＨ１ＧおよびＨ１Ｄにより中央の管状部分Ｇ３に対して回転式に配置される。

これにより、スラスタＶは、中央の発生部分Ｇ３の軸Ｌ−Ｌを中心とする互いに独立した方向付けが可能な２つの側面推進ジェットＰＧおよびＰＤを放射することが分かる。

図６は、その中央部分Ｇ３が宇宙船上に固定されかつその軸Ｌ−Ｌを、宇宙船の直交する基準軸系Ｘ−Ｘ、Ｙ−ＹおよびＺ−Ｚの一部である上記宇宙船の軸Ｘ−Ｘに平行にして宇宙船ＳＶ上へ配置されたスラスタＶを示す。

図６は、軸Ｌ−Ｌを中心として側部分Ａ２ＧおよびＡ２Ｄを回転させる間に、上記基準軸に対する複数の平行移動および回転によって上記宇宙船ＳＶを操舵することができる複数の方向性をジェットＰＧおよびＰＤへ伝達できることを平易に示している。

当然ながら、宇宙船ＳＶ上には１つまたは複数の他のスラスタＶが同様に、例えばその軸Ｌ−Ｌが別の基準軸Ｙ−Ｙおよび／またはＺ−Ｚに対して平行であるように配置される可能性もある。

上述のスラスタの内部圧力は極めて低いことから、ジョイントＨ１、Ｈ２、Ｈ１Ｇ、Ｈ１Ｄが、上記部分の相対的ガイドを提供する対向する側面、ボールベアリングまたはスムースベアリングの単純な近接によって達成される可能性もあることは注目されるべきである。電気エンジンは、回転部分の回転を駆動する。回転用接点またはたわみ線は回転平面の高さに配置され、回転部分上に配置される加速グリッドの供給を可能にする。

さらに、外へ出る推進ジェットＰ、ＰＧ、ＰＤが全体として電気的に中性でない場合には、出て行くジェットを中和するために１つまたは複数の電子インジェクタが設けられる可能性もある。

プラズマの加熱は、諸図に示されているものに代えて、スラスタの固定部分Ｇ１からＧ３内に配置されるヘリコンアンテナによって達成される可能性もあることは注目されるべきである。このような場合は、加速グリッド６および７の代わりに案内用の磁気コイルを設けるべきであり、これにより、ダブルプラズマ加速層を形成するための状態の生成が可能になる。

Ｉ・ＩＩ・ＩＩＩ・ＩＶ・Ｖ・ＶＩ…宇宙空間用電気スラスタ、Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３…発生手段を設ける管状部分、Ａ１・Ａ２・Ａ２Ｇ・Ａ２Ｄ・Ａ３・Ａ４…加速手段を設ける管状部分、Ｈ１・Ｈ２・Ｈ１Ｇ・Ｈ１Ｄ…回転ジョイント、Ｈ−Ｈ…回転ジョイントの軸、Ｌ−Ｌ…管状部分の軸、Ｐ…管状部分のジェット出口側、Ｃ１・Ｃ２…枝管。

Claims (10)

1. 宇宙船のためのプラズマジェット式またはイオンジェット式宇宙空間用電気スラスタ（ＩからＶ）であって、
   − 上記宇宙空間用電気スラスタは、ジェットを発生させるための発生手段を設ける１つの第１管状部分（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）と、前記ジェットを加速するための加速手段を設ける少なくとも１つの第２管状部分（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）とを備えることと、
   − 前記第１管状部分（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）と前記第２管状部分（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）とは前後して配置されることと、
   − 前記第１管状部分の端部と、この端部に対向する前記第２管状部分（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）の端部とは、加速手段を設ける前記第２管状部分が発生手段を設ける前記第１管状部分に対して回転することを可能にするジョイント（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ１Ｇ、Ｈ１Ｄ）によって互いに接続されることと、
   を特徴とする宇宙空間用電気スラスタ。
2. 前記宇宙空間用電気スラスタは、前記第１管状部分として、発生手段を設ける中央の管状部分（Ｇ３）を備えるとともに、前記第２管状部分として、加速手段を設ける２つの側面の管状部分（Ａ２Ｇ、Ａ２Ｄ）を備え、前記側面の管状部分は前記中央の管状部分の両側に位置決めされかつ前記中央の管状部分に対して回転式に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の宇宙空間用電気スラスタ。
3. 発生手段を設ける前記第１管状部分と加速手段を設ける前記第２管状部分との間の前記ジョイント（Ｈ１、Ｈ１Ｇ、Ｈ１Ｄ）の軸は、発生手段を設ける前記第１管状部分の軸（Ｌ−Ｌ）と併合されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の宇宙空間用電気スラスタ。
4. 発生手段を設ける前記第１管状部分と加速手段を設ける前記第２管状部分との間の前記ジョイント（Ｈ２）の軸（Ｈ−Ｈ）は、発生手段を設ける前記第１管状部分の軸（Ｌ−Ｌ）に対して傾斜されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の宇宙空間用電気スラスタ。
5. 加速手段を設ける前記第２管状部分（Ａ１）は直線状であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の宇宙空間用電気スラスタ。
6. 加速手段を設ける前記直線状の第２管状部分（Ａ１）のジェット出口側（Ｐ）は前記ジョイントの前記軸（Ｌ−Ｌ）に対して傾斜されることを特徴とする、請求項３または請求項５に記載の宇宙空間用電気スラスタ。
7. 加速手段を設ける前記第２管状部分（Ａ２、Ａ２Ｇ、Ａ２Ｄ）はベンドの形状を有することを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の宇宙空間用電気スラスタ。
8. 前記ベンドは直角をなすことを特徴とする、請求項７に記載の宇宙空間用電気スラスタ。
9. 前記ベンドは、その枝管の一方（Ｃ２）をもう一方の枝管（Ｃ１）に対して回転させる中間ジョイント（Ｈ２）を設けることを特徴とする、請求項７または請求項８に記載の宇宙空間用電気スラスタ。
10. 宇宙船であって、
    請求項１から請求項９のいずれか１項に記載された少なくとも１つの宇宙空間用電気スラスタを備えることと、
    前記スラスタの発生手段を設ける前記第１管状部分（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）は前記宇宙船と一体製造されることを特徴とする宇宙船。

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