JP6069655B2 - カソード加熱装置の温度を制御するホール効果モータ - Google Patents
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Description
本発明は、下流側開放端部を備えた放電チャンネルと、放電チャンネルの外部に配置されるカソードと、放電チャンネルの上流側端部に配置され且つアノードを形成する、ガスの原子を放電チャンネルに注入するのに好適なインジェクタシステムと、カソードを加熱するのに好適な加熱装置とを有するホール効果スラスターに関する。
ホール効果スラスターは、例えば、宇宙推進の分野で使用されるスラスターであり、これは、燃料燃焼エンジンを用いて実施できる燃料よりも少ない燃料の質量を用いて宇宙の真空中で物体を推進させることができ、また、数千時間もの長い寿命を提示することに起因している。
ホール効果スラスターは公知であるので、その構造及びその動作原理を以下に簡単に要約する。
図２は、ホール効果スラスターの部分的に断面状にされた斜視図を示す。長手方向軸線Ａに沿って延びる中央コア１０の周りに中央磁気コイル１２が配置される。環状形状の内側壁２０は、中央磁気コイル１２及び中央コア１０を囲む。内側壁２０は、環状形状の外側壁４０により囲まれ、これら２つの壁がそれらの間に軸線Ａに沿って延びて放電チャンネル５０と呼ばれる環状チャンネルを定めるようになる。
以下の説明において用語「内側」とは、軸線Ａに近接した部分を示し、用語「外側」とは、軸線Ａから離れた部分を示す。
放電チャンネル５０の上流側端部は、ガスの原子を放電チャンネル５０内に注入し且つアノードを構成するインジェクタシステム３０により閉鎖される。放電チャンネル５０の下流側端部５２は開放されている。
複数の周辺磁気コイル１４が外側壁４０の周りに配置される。中央磁気コイル１２及び周辺磁気コイル１４は、放電チャンネル５０の下流側端部５２に対して最大近接での強度の半径方向磁界Ｂを生成する役割を果たす。
中空カソード１００が外側壁４０の外部に配置され、カソード１００とアノード（インジェクタシステム３０）との間に電位差が確立される。中空カソード１００は、放電チャンネル５０の下流側端部５２の近傍で電子を排出するように位置決めされる。
放電チャンネル５０内では、これらの電子は、カソード１００とアノードとの間の電位差により生じる電界の影響を受けてインジェクタシステム３０に向けて配向されるが、一部は、放電チャンネル５０の下流側開口５２の近傍で磁界Ｂにより捕捉されたままとなる。
従って、電子は、放電チャンネル５０においてその下流側開口５２で円周方向の軌跡を描くようにされる。これらの電子は、放電チャンネル５０内での上流側から下流側に流れる不活性ガスの原子（一般にキセノンＸｅ）と衝突する結果として当該原子を電離させ、これによりイオンが発生する。更に、これらの電子は、アノード（チャンネル８０の底部のインジェクタシステム３０）から下流側開口５２に向けてイオンを加速する軸方向電界Ｅを生成し、これらのイオンが放電チャンネル５０からその下流側端部５２を介して超高速で排出され、これによりスラスターの推進力が生じるようになる。
スラスターを始動させるには、放電チャンネル５０内の不活性ガス原子を電離するのに十分な臨界放電電流Ｉｃｄを放電チャンネル５０で確立するのに必要となる電子の量をカソードが放出することができる閾値温度まで、加熱装置６０によりカソード１００を予熱する必要がある。放電電流Ｉｃｄが確立されることで、スラスターの始動が引き起こされる。
一般に、この閾値温度に達すると、放電電流Ｉｃｄを確立するのに十分である。
特定の好ましくない動作条件下において放電電流Ｉｃｄを確立するためには、閾値温度に到達した後、１つ又はそれ以上の電圧パルスをカソードに送信する必要がある。
実際に、閾値温度は、スラスターの外の外部条件に応じて、詳細にはスラスターの外部の温度（例えば、−５０℃から＋７０℃の範囲になる可能性がある）に応じて決まる。全ての条件下でスラスターの始動を確保するために、最高閾値温度、すなわち最も望ましくない外部条件に対応する温度に到達するのに十分長い固定の予熱持続時間が選択される。
したがって、ほとんどの状況下では、好ましい条件又はあまり好ましくない条件に対応して長すぎる持続時間の間予熱が継続される。この結果、高すぎる温度までカソードを無意味に過熱してカソードを損傷させ、これによりスラスターの寿命が短くなる。
本発明は、これらの欠点を改善しようとするものである。
本発明は、本出願によりスラスターの動作条件とは無関係に予熱の持続時間が最適化され、その結果、スラスターの始動時にカソードの無意味な過熱が生じないホール効果スラスターを提供する。
この目的は、ホール効果スラスターが更に、加熱装置の温度Ｔｄを測定する測定手段と、この温度Ｔｄがスラスターの始動可能な閾値温度Ｔｓ未満である間加熱装置が加熱を行い、閾値温度Ｔｓに到達した直後に加熱を止めるように温度Ｔｄを調整する調整回路とを備えることにより達成される。
このように構成することによって、カソードは、スラスターが始動可能な温度に相当する閾値温度を超えて長い期間加熱されることがない。したがって、各スラスター動作条件において、カソードは、スラスターの始動に必要な時間長だけ加熱される。この結果、カソードへの損傷が最小限にされ、ホール効果スラスターの寿命が延びることになる。
本発明はまた、下流側開放端部を有する放電チャンネルと、該放電チャンネルの外側に配置されるカソードと、ガスのイオンを放電チャンネルに注入するのに好適で且つ放電チャンネルの上流側端部に配置されてカソードを形成するインジェクタシステムと、カソードを加熱するのに好適な加熱装置とを含むホール効果スラスターを調整する方法を提供する。
本発明によれば、本方法は、（ａ）加熱装置を用いることによりカソードを加熱すると同時に、加熱装置の温度Ｔｄを測定するステップと、（ｂ）温度Ｔｄが、スラスターの始動できる閾値温度Ｔｓ未満である間はカソードの加熱を継続するステップと、（ｃ）閾値温度Ｔｓに達した直後に前記加熱を止めるステップと、を含む。
本発明は、非限定的な例証として示した実施形態に以下の詳細な説明を読むと十分に理解され、その利点を明らかにすることができる。本明細書は添付図面を参照している。
ホール効果スラスターの一般的な動作は、図２を参照して上記で説明した。
さらに、本発明のホール効果スラスターにおいて、スラスターの動作は、以下で説明するようにスラスターを始動させるのに必要な長さだけカソードを加熱するよう最適化される。
したがって、ホール効果スラスターは、加熱装置６０の温度Ｔｄを測定する測定手段７０と、加熱装置６０の温度Ｔｄを調整する調整回路８０とを含む。
この調整回路８０がどのように作動するかに関する説明を行う。
図１は、ホール効果スラスターを始動する一連のステップの一例を示すフローチャートであり、これらのステップは、ホール効果スラスターを始動させる本発明のステップを含む。一連のステップは、簡易的なものであり、例えば、スラスターの始動中の誤った運転モードの識別、及び必要に応じてスラスターの停止の機能を果たす実施可能な機構を含んでいない。矩形は動作を示し、菱形は試験を示し、長円は状態を示す。試験の出口では、下向きの矢印が試験を満足したことを示し、左向きの矢印が試験を満足しなかったことを示す。
始動中のステップは以下の通りとなる。
ステップＳ１：カソード加熱をオンにする
ステップＳ２：上流側ガスインジェクタバルブを開く
ステップＳ３：閾値温度Ｔｓに達したか？
ステップＳ４：放電チャンネルに向けて下流側ガスインジェクタバルブを開く
ステップＳ５：臨界放電電流Ｉｃｄに達したか？
ステップＳ６−１：スラスターの自己点火
ステップＳ７：カソード加熱を停止
ステップＳ６−２：放電チャンネルのガス圧力が臨界圧力Ｐｃよりも高いか？
ステップＳ６−３：電圧パルスをカソードに送る
ステップＳ６−４：臨界放電電流Ｉｃｄに達したか？
ステップＳ７：カソード加熱を停止又は低減
ステップＳ１：カソード加熱をオンにする
ステップＳ２：上流側ガスインジェクタバルブを開く
ステップＳ３：閾値温度Ｔｓに達したか？
ステップＳ４：放電チャンネルに向けて下流側ガスインジェクタバルブを開く
ステップＳ５：臨界放電電流Ｉｃｄに達したか？
ステップＳ６−１：スラスターの自己点火
ステップＳ７：カソード加熱を停止
ステップＳ６−２：放電チャンネルのガス圧力が臨界圧力Ｐｃよりも高いか？
ステップＳ６−３：電圧パルスをカソードに送る
ステップＳ６−４：臨界放電電流Ｉｃｄに達したか？
ステップＳ７：カソード加熱を停止又は低減
最初に、加熱装置６０がオンにされ、カソード１００の加熱を開始するようにする（ステップＳ１＝ステップａ）。次いで、上流側ガスインジェクタバルブを開き（ステップＳ２）、エンクロージャ（図示せず）にガスを送給し、放電チャンネル５０に注入できる状態にする。
加熱装置６０が加熱している間、カソード１００の温度を連続的又は一定間隔で測定し、この温度が閾値温度Ｔｓに達する時点を検出するようにする（ステップＳ３）。
実際には、カソード温度は直接的には測定されない。カソードを加熱している加熱装置６０の温度Ｔｄを測定して、この温度を閾値温度Ｔｓと比較しており、加熱装置６０の温度Ｔｄとカソード１００の温度は実質的に等しいことが理解される。例えば、加熱装置６０は、図２に示すようにカソード１００の内部に組み込むことができる。
加熱装置６０はまた、カソード１００を囲むことができる。
加熱装置６０の温度Ｔｄは、測定手段７０により求められる。
例えば、加熱装置６０の電気抵抗率を測定することができる。従って、測定手段７０は、電気抵抗率を測定する手段である。加熱装置６０がカソード１００を加熱する加熱素子を含む場合、加熱素子の電気抵抗率が測定される。
他の測定手段（例えば、加熱装置の温度を測定する機能を有する熱電対）も実施可能である。
閾値温度Ｔｓに到達すると（ステップｂ）、ガスを収容するエンクロージャと放電チャンネル５０との間に配置される下流側インジェクタバルブが開放され、放電チャンネル５０内にガスを注入するようにする（ステップＳ４）。
特定の状況下では、この下流側インジェクタバルブは、ガスを限定流量でエンクロージャから放電チャンネル内に自動的に通過させることができるリミッターで置き換えられ、この流量は、エンクロージャ内の圧力の関数である。このような状況下では、加熱装置６０の温度Ｔｄの増大率が既知であるとすると、上流側インジェクタバルブは、加熱装置６０の温度が閾値温度Ｔｓに達したときにリミッターを通るガスの流量がスラスターを始動可能にするのに十分であるように計算される時間で開放される。
閾値温度Ｔｓは、ホール効果スラスターを始動できるようにするためにカソード１００が通常到達すべき温度である。スラスターの好ましい動作条件下では、閾値温度Ｔｓに達すると、当該カソード１００から放出される放電電流（電子束）の振幅は、放電チャンネル５０内に注入される不活性ガス原子が電離する放電電流の臨界振幅以上となり（ステップＳ５）、これによりスラスターの自動始動を生じさせる（スラスターの自己点火−ステップＳ６−１）。この第１の始動モードは図１に示される。
従って、閾値温度Ｔｓは、放電電流の臨界振幅Ｉｃｄの関数である。
閾値温度Ｔｓは、カソードが作られる材料によって決まる。スラスターは、カソードが放電電流の臨界振幅Ｉｃｄ（すなわち、臨界電子束）を放出するときに始動する。所与の電圧下でカソードの単位面積当たりに放出される電子密度は、カソードが作られる材料の関数であり、また、カソードの形状の関数でもある。好ましい動作条件下では、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）で作られたカソードにおいて、特定の形状対して閾値温度Ｔｓは約１７００℃である。
カソードが、タングステンマトリクスに含浸された酸化バリウムから作られる場合、閾値温度Ｔｓは約１３００℃である。
特定の好ましくない条件下では、カソード１００により放出される放電電流は、カソード温度１００が閾値温度Ｔｓよりも高くなったときに放電電流の臨界振幅Ｉｃｄに到達していない。スラスターの始動を開始するために、カソード１００からより多くの電子を抽出し、放電電流の臨界振幅Ｉｃｄよりも小さくない振幅を有する放電電流に到達する（ステップＳ６−４）ように電圧パルスをカソード１００に送ることが必要となり（ステップＳ６−３）、その結果、スラスターは自動的に始動するようになる（ステップＳ６−１）。この振幅が第１の電圧パルスの後に到達されない場合、更に電圧パルスが必要な場合には、振幅に到達するまで第２の電圧パルスが伝送される。
それでもなお、このようなパルスの送信は、放電チャンネル５０内のガスの圧力Ｐｇが臨界圧力Ｐｃよりも大きい（ステップＳ６−２）場合にだけ有効である。ホール効果スラスターとの関連及び公知の方法において、放電チャンネル中のガスの圧力Ｐｇは、直ぐ上流側に配置され且つ放電チャンネル５０に開放される（上記を参照）エンクロージャ中の圧力に関連付けられる。エンクロージャ中のこのガス圧力が直接測定される。
従って、電圧パルスは、放電チャンネル５０中のガス圧力に関するこの追加条件が満たされる間のみ、カソード１００に送信される（ステップＳ６−３）。放電チャンネル５０中のガスの圧力Ｐｇが臨界圧力Ｐｃ未満のままである限り、カソード１００は継続して加熱され、ガスは放電チャンネル５０内に引き続き注入される。
この状態は、臨界放電電流Ｉｃｄに最終的に到達した（この場合、スラスターは自動的に点火する（ステップＳ６−１））ことに起因して、或いは、放電チャンネル５０中のガスの圧力Ｐｇが臨界圧力Ｐｃよりも大きくなった（この場合、電圧パルスをカソード１００に送信し始める）ことに起因して、終了する。この第２の動作モードが図１に示されている。
全ての状況下（第１のモード又は第２のモード）で、カソード１００が閾値温度Ｔｓに達した直後にスラスターが始動すると、カソード１００の加熱は、オフにされるか、又は低減される（ステップＳ７＝ステップｃ）。したがって、カソード１００は、無駄に加熱されず、よってカソードの寿命が延びることになる。例えば、スラスターは、閾値温度Ｔｓに達して数十秒後に始動する。
従って、カソード１００の加熱は、閾値温度Ｔｓに達した後の数秒から数十秒（例えば、５秒から３００秒、好ましくは５秒から６０秒）で停止する。
第２のモードの特定の状況において、スラスター１が始動した後に最大で数分の間カソード１００を継続して加熱することが必要となる場合がある。これは、放電電流がその臨界振幅Ｉｃｄに達することなくスラスターが始動した状況、及び最終ガス供給が使用されていることに起因して上流側ガス圧力が低い状況である。その結果、カソード１００の加熱は、これら最終ガス供給を有効に利用するために、ガス圧力が増大している間にスラスター１が始動した後数分間継続される。
図１のフローチャートは、単に、ホール効果スラスターを本発明に従ってどのように作動させることができるかに関する一例に過ぎない。本発明の範囲及び技術的思想から逸脱することなく、スラスターのタイプに応じて始動シーケンスの変形形態を実施することが可能である。
１ ホール効果スラスター
１０ 中央コア
１２ 中央磁気コイル
１４ 周辺磁気コイル
２０ 内側壁
３０ インジェクタシステム
４０ 外側壁
５０ 放電チャンネル
６０ 加熱装置
１００ カソード
１０ 中央コア
１２ 中央磁気コイル
１４ 周辺磁気コイル
２０ 内側壁
３０ インジェクタシステム
４０ 外側壁
５０ 放電チャンネル
６０ 加熱装置
１００ カソード
Claims (8)
- 下流側開放端部（５２）を有する放電チャンネル（５０）と、
前記放電チャンネル（５０）の外部に配置されるカソード（１００）と、
前記放電チャンネル（５０）の上流側端部に配置され且つアノードを形成する、ガスの原子を放電チャンネルに注入するのに好適なインジェクタシステム（３０）と、
前記カソード（１００）を加熱するのに好適な加熱装置（６０）と、を備えたホール効果スラスター（１）であって、
該ホール効果スラスター（１）は、
前記加熱装置（６０）の温度Ｔｄを測定する測定手段（７０）と、
該温度Ｔｄがスラスターの始動可能な閾値温度Ｔｓ未満である間に前記加熱装置（６０）が加熱を行い、前記閾値温度Ｔｓに到達した後に加熱を止めるように前記温度Ｔｄを調整する調整回路（８０）とを更に備える
ことを特徴とするホール効果スラスター（１）。 - 前記閾値温度Ｔｓは、前記カソード（１００）によって放出される放電電流の臨界振幅Ｉｃｄの関数であり、該振幅は前記スラスターの始動に対応する
ことを特徴とする請求項１記載のホール効果スラスター（１）。 - 前記加熱装置（６０）の温度Ｔｄが、前記加熱装置（６０）の電気抵抗率を測定することにより求められる
ことを特徴とする請求項１又は２記載のホール効果スラスター（１）。 - 前記カソード（１００）の加熱は、前記閾値温度Ｔｓが達成された後、５から６０秒で停止される、請求項１乃至３の何れか１項に記載のホール効果スラスター（１）。
- 請求項１〜４の何れかに記載のホール効果スラスター（１）を調整する方法であって、 （ａ）前記加熱装置（６０）を用いることにより前記カソード（１００）を加熱すると同時に、前記加熱装置（６０）の温度Ｔｄを測定するステップと、
（ｂ）前記温度Ｔｄが、前記スラスターの始動できる閾値温度Ｔｓ未満である間は前記カソード（１００）の加熱を継続するステップと、
（ｃ）前記閾値温度Ｔｓに達した直後に前記加熱を止めるステップと、
を含む
ことを特徴とするホール効果スラスター（１）を調整する方法。 - 前記閾値温度Ｔｓは、前記カソード（１００）によって放出される放電電流の臨界振幅Ｉｃｄの関数であり、該振幅は前記スラスターの始動に対応する
ことを特徴とする請求項５記載のホール効果スラスター（１）を調整する方法。 - 請求項１乃至４の何れか１項に記載のホール効果スラスター（１）を調整する方法であって、
（ａ）前記加熱装置（６０）を用いることにより前記カソード（１００）を加熱すると同時に、前記加熱装置（６０）の温度Ｔｄを測定するステップと、
（ｂ）前記温度Ｔｄが、前記スラスターの始動できる閾値温度Ｔｓ未満である間は前記カソード（１００）の加熱を継続するステップであって、前記閾値温度Ｔｓは、前記カソード（１００）から放出される放電電流の臨界振幅Ｉｃｄの関数であり、前記振幅は、前記スラスターの始動に対応し、
前記加熱装置（６０）によって前記閾値温度Ｔｓに達した後、前記カソード（１００）によって放出される放電電流の振幅が前記放電電流の臨界振幅Ｉｃｄ未満である間、並びに前記放電チャンネル（５０）中のガスの圧力Ｐｇが臨界圧力Ｐｃ未満である間に、前記カソード（１００）が継続して加熱され、且つガスが前記放電チャンネル（５０）内に継続して注入される
ことを特徴とするホール効果スラスター（１）を調整する方法。 - 前記加熱装置（６０）によって前記閾値温度Ｔｓに達した後、前記カソード（１００）によって放出される放電電流の振幅が前記放電電流の臨界振幅Ｉｃｄ未満である間、並びに前記放電チャンネル（５０）中のガスの圧力Ｐｇが臨界圧力Ｐｃ未満である間に、前記放電電流の振幅が前記の臨界振幅Ｉｃｄに等しくなり、前記スラスターが始動できるようになるまで、少なくとも１つの電圧パルスが前記カソード（１００）に印加されることを特徴とする請求項６記載のホール効果スラスター（１）を調整する方法。
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