JP6297581B2 - イオン推進ユニット用推進剤ガス供給 - Google Patents

Description

本発明は、イオン推進機への供給の分野に関し、より具体的にはイオン推進機に推進剤ガスを供給する方法および装置に関する。

イオン推進機という用語は、静電界による荷電粒子の加速に基づく、具体的には宇宙用途向けの、いずれかの反応推進機を意味するために使用される。したがってこれは、荷電粒子を包含するプラズマが発生するいわゆるプラズマ推進機と同様に、接触によって粒子が荷電される推進機を含む。本発明は、具体的にはプラズマ推進機への供給、特に環状チャネル、アノード、環状チャネルの下流端で磁界を発生するのに適した磁気回路を創出するのに適した磁気回路、および環状チャネルの下流端の外側に位置して、たとえばキセノンなどの推進剤ガスが環状チャネル内に注入されるカソードを有する、いわゆる「ホール効果」推進機への供給に適用可能であるが、これに限定されるものではない。

通常、このようなホール効果推進機が動作しているとき、推進剤ガスは、アノードの近傍において環状チャネルの末端に注入される。カソードによって放出されて環状チャネルの末端のアノードに向かって引きつけられる電子は、２つの壁の間でらせん軌道の磁界によって捕捉され、こうして仮想カソードグリッドを形成する。アノードに向かってこの磁気囲いから脱出する電子は、環状チャネルの末端に注入された推進剤ガスの原子と衝突し、これによってイオン化プラズマを創出する。

プラズマの陽イオンは、アノードと、環状チャネルの開放端の磁界によって捕捉された電子雲によって形成された仮想カソードグリッドとの間に存在する電界によって、加速される。これら陽イオンの質量は電子の質量よりもはるかに大きいので、その軌道は磁界によってほとんど影響を受けない。このプラズマジェットのイオンは、カソードによって放出されるかまたはプラズマのイオン化によって生成された電子によって、磁界の下流で最終的に中和される。

イオン推進機は、宇宙船用の姿勢軌道制御システム（ＡＯＣＳ）内で、および静止衛星のＡＯＣＳ内の所定位置で、使用され始めた。イオン推進機は、ホール効果プラズマ推進機で１５００秒程度の、非常に高い比推力（Ｉ_ｓｐ）を得ることができるようにし、このようにして、たとえばリアクションホイールを不飽和化するための化学推進機と組み合わせて、リアクションホイールなどの内部装置を有する従来のシステムにおいて使用するのに必要とされるよりもかなり少ない質量および複雑性を伴う一方で、宇宙船の姿勢および／または位置に対する正確な制御を得られるようにする。

好ましくは、イオン推進機に推進剤ガスを供給するために、ガスは加圧タンク内に貯蔵される。とは言うものの、この分野において遭遇する不都合は、このような加圧タンクからイオン推進機に供給する推進剤ガスの非常に低い流量の調整に関するものである。これは、タンクが空になるに連れて加圧タンク内の圧力が次第に減少し、イオン推進機の性能を複数の変化する状況に適応させるように、一定のレベルではなくむしろ複数の変化するレベル、または可変性のレベルにこの流量を調整することが有利である場合に、特に困難である。可変流量絞りまたは弁の使用は、供給装置の機械的複雑性を増加させるという不都合を有することになり、宇宙環境は可動部を有する機械装置にとって特に厳しいので、これはこのような環境において特に問題となる。

本開示は、具体的には開閉弁と、前記開閉弁から下流に連続して、高圧絞り、バッファタンク、および少なくとも１つの低圧絞りを含み、開閉弁を制御することによって推進剤ガスの流量を正確に調整できるようにする、供給回路を通じて加圧タンクから来る推進剤ガスをイオン推進機に供給する方法を提案することによって、これらの不都合を解消しようとするものである。

用語「開閉弁」は、本文脈において、開放または閉鎖の２つの位置のみを取るように制御されることが可能な弁を指すに、使用される。したがって通常は、流量を直接的に調整する目的で開放の中間レベルを制御することは不可能である。とは言うものの、開閉弁は、航空用途において遭遇するような非常に厳しい環境においてさえも、非常に単純であるという重要な利点を有する。

少なくとも１つの実施例において、開閉弁を通る推進剤ガスの流量を調整する目的は、前記方法が、
流量設定値に応じてバッファタンクの圧力設定値を計算するステップと、
バッファタンクの圧力設定値とバッファタンク内で測定された圧力との差を計算するステップと、
前記差および前記加圧タンク内の圧力に応じて、開閉弁の開放時間の設定値を計算するステップと、
前記開放時間設定値に準じて開閉弁を開放するステップと、
を含むということによって達成される。

このため、開閉弁の上流および下流で圧力が変化する様子に応じて開閉弁の開放時間を調節することによって、間接的であるが正確な方式で推進剤ガスの流量を調整することが可能である。

具体的には、開放時間設定値は、前記供給回路の逆流体流モデルに基づいて計算される。供給回路の流体流モデルは、流量絞り、ならびに回路内のダクトの容量を含む供給回路内の流体容量の、配置を表してもよい。このようにモデルは、弁の開放時間に応じて、および上流圧力に応じて圧力が開閉弁の下流で変化する様子を計算するための基準を提供する。これを逆転することによって、弁の下流の圧力設定値に到達するために必要とされる開放時間を計算することが可能となる。

同時に、バッファタンクの圧力設定値は、バッファタンクの下流の少なくとも１つの低圧絞りの逆流体流モデルに基づいて計算されてもよい。具体的には、少なくとも１つの絞りの流体流モデルは上流の圧力に応じて流量を計算することができるようにするので、これを逆転することで、流量設定値に基づいて圧力設定値を計算できるようにする。

前記推進剤ガス供給回路は具体的には、イオン推進機のアノードセクションに供給するための第１枝路およびイオン推進機のカソードセクションに供給するための第２枝路を有する、低圧絞りの下流の分岐部を含んでもよく、前記第１および第２枝路の各々は、それぞれの追加絞りを有する。このような状況下で、流量設定値に応じてバッファタンクの圧力設定値を計算するため、および計算を容易にするために、低圧絞り、その下流の分岐部、および２つの追加絞りを含むアセンブリが単一の絞りによって表される、簡素化された流体流モデルを使用することが可能である。

この供給方法が効果的であることを保証するために、開閉弁の開放の起動は、１つ以上の基準によって絞られてもよい。たとえば、第１の基準は、バッファタンクの圧力設定値がバッファタンク内で測定された圧力よりも著しく大きい場合にのみ開放時間設定値に準じた開閉弁の開放が起動され得るということであってもよい。「著しく大きい」とは、圧力設定値が、たとえば５％または１０％など、かなりの差で測定圧力よりも大きいことであると理解されるべきである。この基準は、圧力のわずかな変動の結果としての弁の開放の尚早な起動を回避すること、およびその寿命を延長するように弁が開閉される回数を制限することを、可能にする。第１の基準と組み合わせて使用されても分離して使用されてもよい第２の基準は、バッファタンク内で測定された圧力が減少するかまたはゼロである場合にのみ開放時間設定値に準じた開閉弁の開放が起動され得るということである。これは、具体的にはバッファタンクに供給されて高圧セグメントがその容量内に流入すると判断されたとき、または回路が下流で遮断されている間に開閉弁が開放されると判断されたときの、尚早な起動を回避するのに役立つ。最後に、同様に第１および／または第２の基準と組み合わせて使用されても分離して使用されてもよい第３の基準は、開放時間設定値が所定の最小閾値よりも大きくならない限り、開放時間設定値に準じた開閉弁の開放が起動され得ないということである。これは、その応答時間に適合しない方式で開閉弁が制御されることを回避するのに役立ち、これはまた、その寿命を延長するために、弁が開閉される回数を制限するのにも役立つ。

前記差および前記加圧タンク内の圧力に応じて開閉弁の開放時間設定値を計算するステップについて、タンク内の圧力は直接測定されることが可能である。とは言うものの、センサの数を制限し、こうして供給装置を簡素化するために、代替案として、初期圧力、および供給回路を通過した推進剤ガスの総流量に基づいて、この圧力を間接的に測定することも可能である。供給回路を通じて加圧タンクから放出された推進剤ガスの総量を積算することによって、加圧タンク内に残留する推進ガスの圧力がどのように変動するかを計算することが可能である。

推進剤ガス供給回路はまた、技術的不具合の場合に、開閉弁および回路の残部をその下流から分離するために、開閉弁の上流に安全弁を含んでもよい。

本開示はまた、イオン推進機に推進剤ガスを供給する装置であって、このような供給方法を実施するのに適した装置にも関する。この目的のため、少なくとも１つの実施形態において、供給装置は、推進剤ガスの加圧タンクと、加圧タンクの下流に連続して接続された少なくとも開閉弁、高圧絞り、バッファタンク、および低圧絞りを含む、加圧タンクに接続された供給回路、ならびに流量設定値に応じてバッファタンクの圧力設定値を計算し、バッファタンクの圧力設定値とバッファタンク内で測定された圧力との差を計算し、前記差および前記加圧タンク内の圧力に応じて開閉弁の開放時間の設定値を計算し、前記開放時間設定値に準じた開閉弁の開放を命令するように構成された、開閉弁を制御するための制御ユニットも、含んでもよい。

非限定例として示される実施形態および実施例の以下の詳細な説明を読むことで、本発明はより良く理解されることが可能であり、その利点がわかりやすくなる。説明は、以下の添付図面を参照する。

第１の実施形態における供給装置の線図である。 同じ実施形態を使用するための供給方法の図である。 圧力差設定値の経時的変動を示すグラフである。 開閉弁の開放時間設定値の経時的変動を示すグラフである。 開閉弁を開放するための信号の経時的変動を示すグラフである。 バッファタンク内の圧力の経時的変動を示すグラフである。 第２の実施形態における供給装置の線図である。

図１は、第１の実施形態における、プラズマエンジン（図示せず）に推進剤ガスを供給するための供給装置１であって、安全弁３を有する供給回路に接続された加圧タンク２、流量を調整するための開閉弁、高圧流絞り５、バッファタンク６、低圧流絞り７、プラズマエンジンのアノードセクタに供給するためのおよび自身の絞り１０を有する第１枝路９と、プラズマエンジンのカソードセクタに供給するためのおよび同様に自身の絞り１２を有する第２枝路１１とを有する分岐部８、およびバッファタンク６内の圧力センサ１４に接続された制御ユニット１３を含む、供給装置１を示す。

加圧タンク２は、プラズマエンジンおよびその供給装置１を含む宇宙船の予想寿命にわたってプラズマエンジンに供給することが可能なように、たとえば高圧の、キセノンなどの推進剤ガスを収容するようになっている。たとえば宇宙船が打ち上げられている間、または故障の場合に加圧タンク２を分離するように、加圧タンク２と供給回路の残部との間に安全弁３が介在する。供給装置１の通常動作の間、この安全弁３はそれでもなお開放したままである。

供給回路内の安全弁３のすぐ下流に接続された開閉弁４は、下記に記載される供給方法を用いて加圧タンク２から来て供給回路を通じてプラズマエンジンに供給される推進剤ガスの流量を調整するために、制御ユニット１３に接続されている。供給回路内のこの開閉弁４の下流では、高圧絞り５が開閉弁４からバッファタンク６への推進剤ガスの流れを制限する。その後、バッファタンク６の下流で、低圧絞り７は、分岐部８、およびその第１および第２枝路９および１１に向かう推進剤ガスの流れを制限する。最後に、これらの枝路９および１１の各々において、対応する絞り１０または１２は、プラズマエンジンの様々なセクションに向かう推進剤ガスの流れを制限する。

動作中、制御ユニット１３は、図２に示される供給方法を実行するように、開閉弁４を制御する。方法の第１ステップ１０１において、場合により宇宙船の姿勢および／または軌道制御システムから来る質量流量設定値であってもよい流量設定値Ｑ_ｃに応じて、制御ユニット１３は、バッファタンク６の下流に位置する供給回路の一部の逆モデルに基づいて、バッファタンク６内の圧力の設定値ｐ_ｃを計算する。このモデルは、絞り７、１０、および１２のすべて、ならびにこれらを単なる単一の絞りとして相互接続するダクトの流体容量も考慮するように、簡素化されてもよい。

このため、一例として、設定値ｐ_ｃは、以下の式を用いて計算されてもよい：

ここでＰｄＣ_ａｖａｌは液体オーム（Ｌｏｈｍｓ）単位で測定されたバッファタンク６の下流の供給回路の等価損失水頭を表し、ｋ_ｇは推進剤ガスの係数であり、ｆ（Ｔ）は推進剤ガスの温度Ｔの関数である補正係数である。

このためこの圧力設定値ｐ_ｃは、バッファタンク６の下流に位置する供給回路の一部を通じてバッファタンクからプラズマエンジンへの流量Ｑ_ｃに準じた流量で推進剤ガスが流れることを保証するために、バッファタンク６の内部に存在すべき圧力を表す。

続くステップ１０２において、この圧力設定値ｐ_ｃは、圧力設定値ｐ_ｃと実圧力ｐ_ｔとの差Δｐを計算するために、バッファタンク６の中の実圧力ｐ_ｔと比較される。図３Ａは、この差Δｐが経時的にどのように変動するかの一例を示す。その後、ステップ１０３において、開閉弁４の開放時間の設定値ｔ_ｃが、２つの弁３、４の間、開閉弁４と高圧絞り５との間に位置するダクト内の、および絞り７、１０、および１２をまとめて接続するダクト内の流体容量を含む、供給回路全体の逆流体流モデルに基づいて、加圧タンク２内の圧力ｐ_ｒの差Δｐに応じて計算される。

一例として、圧力設定値ｐ_ｃと加圧タンク２内の圧力ｐ_ｒとの比率に応じて、開閉弁４の開放時間のこの設定値ｔ_ｃを計算するために、２つの異なる式が使用されてもよい。

したがって、差Δｐが、加圧タンク２内の圧力ｐ_ｒに開閉弁４と高圧絞り５との間の死容積Ｖ_４−５をかけてバッファタンク６の容積Ｖ_６で割ったものよりも小さい場合、開閉弁４の開放時間の設定値ｔ_ｃは、以下の式を用いて計算されてもよい：

ここでｃ_ｇは推進剤ガス中の音速を表し、ｋ_Ｌｅｅは開閉弁４および／または高圧絞り５に固有の係数であり、Ｍ_ｍｏｌは推進剤ガスのモル圧力、ＰｄＣ_４は開閉弁４を通じての損失水頭、Ｒは推進剤ガスの比気体定数（場合により、理想気体の一般気体定数で近似されてもよい）である。

対照的に、差Δｐが、加圧タンク２内の圧力ｐ_ｒに開閉弁４と高圧絞り５との間の死容積Ｖ_４−５をかけてバッファタンク６の容積Ｖ_６で割ったものと等しいかまたはこれより大きい場合には、開閉弁４の開放時間の設定値ｔ_ｃは、以下の式を用いて計算されてもよい：

ここでＰｄＣ_５は高圧絞り５の損失水頭を表す。

図示される実施例において、加圧タンク２内の圧力ｐ_ｒは、加圧タンク２からすでに抽出された推進剤ガスの量を予測するために過去の流量設定値Ｑ_ｃを積算することによって、および加圧タンク２の周知の初期圧力ｐ_ｉと現在の圧力ｐ_ｒとの差を計算することによって、ステップ１０４において間接的に予測される。図３Ｂは、開放時間設定値ｔ_ｃが経時的にどのように変動するかの一例を示しており、これは図３Ａに示される差Δｐが変動する様子と一致する。

とは言うものの、開閉弁４の開放を起動するために、ステップ１０５において３つの条件が満たされる必要がある。

まず、圧力設定値ｐ_ｃと実圧力ｐ_ｔとの圧力差Δｐは実質的にプラスでなければならず、すなわち圧力設定値ｐ_ｃは、たとえば５％または１０％など、検出可能な差だけ実圧力ｐ_ｔよりも大きくなければならない。

さらに、バッファタンク６内の圧力ｐ_ｔは、減少するかまたはゼロでなければならない。

最後に、開閉弁４の開放時間の設定値ｔ_ｃは、何らかの最小閾値ｔ_{ｃ，ｍｉｎ}よりも大きくなければならない。

これら３つの条件のすべてが満たされる場合にのみ、制御ユニット１３に組み込まれたタイマによって監視された通りに開放時間設定値ｔ_ｃに対応する時間だけ開閉弁４に開放命令ＯＶを送るためのステップ１０６の間、制御ユニット１３は起動信号Ｄを起動する。図３Ｃは、時間関数としての、および図３Ｂに示された、開放時間設定値ｔ_ｃの変動に応えてこの命令がどのように発せられるかを示す。図３Ｃに示されるように命令ＯＶの結果としての開閉弁４の一時的な開放のため、バッファタンク６内の圧力ｐ_ｔは図３Ｄに示されるように上昇し、これによってバッファタンク６からプラズマエンジンへ流れる推進剤ガスの流量を増加させる。

図４は，代替実施形態における、加圧タンク２内の少なくとも１つの圧力センサ１７を含む供給装置１を示し、このセンサは制御ユニット１３に接続されている。この第２の実施形態のその他の要素のすべては、第１の実施形態の対応する要素と同等であり、これらは同じ参照番号が付されている。供給装置１の動作もまた図２に示される方法に対応するが、ただしステップ１０４において、加圧タンク２内の圧力ｐｒが間接的に予測される代わりに少なくとも１つの圧力センサ１７によって直接測定可能である点が、異なっている。

本発明は特定の実施形態を参照して上述されたものの、請求項によって定義された本発明の全体範囲を超えることなく、これらの実施形態に対して様々な修正および変更がなされてもよいことは、明らかである。結果的に、説明および図面は、限定的ではなくむしろ説明的であるという意味で考慮されるべきである。

Claims (10)

1. 開閉弁（４）と、前記開閉弁（４）から下流に連続して、高圧絞り（５）、バッファタンク（６）、および少なくとも１つの低圧絞り（７）を含む、供給回路を通じて加圧タンク（２）から来る推進剤ガスをイオン推進機に供給する方法であって、
   流量設定値（Ｑ_ｃ）に応じてバッファタンク（６）の圧力設定値（ｐ_ｃ）を計算するステップと、
   バッファタンク（６）の圧力設定値（ｐ_ｃ）とバッファタンク（６）内で測定された圧力（ｐ_ｔ）との差（Δｐ）を計算するステップと、
   前記差（Δｐ）および前記加圧タンク（２）内の圧力（ｐ_ｒ）に応じて、開閉弁（４）の開放時間の設定値（ｔ_ｃ）を計算するステップと、
   前記開放時間設定値（ｔ_ｃ）に準じて開閉弁（４）を開放するステップと、
   を含む供給方法。
2. 前記開放時間設定値（ｔ_ｃ）が、前記供給回路の逆流体流モデルに基づいて計算される、請求項１に記載の供給方法。
3. バッファタンク（６）の圧力設定値（ｐ_ｃ）が、バッファタンク（６）の下流の少なくとも１つの低圧絞り（７）の逆流体流モデルに基づいて計算される、請求項１または２に記載の供給方法。
4. バッファタンク（６）の圧力設定値（ｐ_ｃ）がバッファタンク（６）内で測定された圧力（ｐ_ｔ）よりも著しく大きい場合にのみ、開放時間設定値（ｔ_ｃ）に準じた開閉弁（４）の開放が起動される、請求項１から３のいずれか一項に記載の供給方法。
5. バッファタンク（６）内で測定された圧力（ｐ_ｔ）が減少するかまたはゼロである場合にのみ、開放時間設定値（ｔ_ｃ）に準じた開閉弁（４）の開放が起動される、請求項１から４のいずれか一項に記載の供給方法。
6. 開放時間設定値（ｔ_ｃ）が所定の最小閾値（ｔ_{ｃ，ｍｉｎ}）よりも大きい場合にのみ、開放時間設定値（ｔ_ｃ）に準じた開閉弁（４）の開放が起動される、請求項１から５のいずれか一項に記載の供給方法。
7. 前記推進剤ガス供給回路が、イオン推進機のアノードセクションに供給するための第１枝路（９）およびイオン推進機のカソードセクションに供給するための第２枝路（１１）を有する、低圧絞り（７）の下流の分岐部（８）を含み、前記第１および第２枝路（９、１１）の各々はそれぞれの追加絞り（１０、１２）を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の供給方法。
8. 前記加圧タンク（２）の中の圧力（ｐ_ｒ）が、初期圧力（ｐ_ｉ）、および供給回路を通過した推進剤ガスの総流量に基づいて、間接的に測定される、請求項１から７のいずれか一項に記載の供給方法。
9. 前記推進剤ガス供給回路がまた、開閉弁（４）の上流の安全弁（３）を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の供給方法。
10. イオン推進機に推進剤ガスを供給する装置（１）であって、
    推進剤ガスの加圧タンク（２）と、
    加圧タンク（２）の下流に連続して接続された少なくとも開閉（４）、高圧絞り（５）、バッファタンク（６）、および低圧絞り（７）を含む、加圧タンクに接続された供給回路と、
    流量設定値（Ｑ_ｃ）に応じてバッファタンク（６）の圧力設定値（ｐ_ｃ）を計算し、
    バッファタンクの圧力設定値（ｐ_ｃ）とバッファタンク（６）内で測定された圧力（ｐ_ｔ）との差（Δｐ）を計算し、
    前記差（Δｐ）および前記加圧タンク（２）内の圧力（ｐ_ｒ）に応じて開閉弁（４）の開放時間の設定値（ｔ_ｃ）を計算し、
    前記開放時間設定値（ｔ_ｃ）に準じた開閉弁（４）の開放を命令する
    ように構成された、開閉弁を制御するための制御ユニット（１３）とを含む、供給装置（１）。

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