JP6467659B2 - 無電極プラズマを加速するｍｐｄスラスタ、及び、ｍｐｄスラスタを用いて無電極プラズマを加速する方法 - Google Patents

Description

本発明は、無電極プラズマを加速するＭＰＤスラスタ、及び、ＭＰＤスラスタを用いて無電極プラズマを加速する方法に関する。

宇宙で使用される推進装置として、ＭＰＤスラスタ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｐｌａｓｍａ−Ｄｙｎａｍｉｃ ｔｈｒｕｓｔｅｒ）が知られている。図１に、ＭＰＤスラスタの例を示す。例示のＭＰＤスラスタは、アーク放電によって推進剤（ガス）を電離することでプラズマを生成する。そして、スラスタの外周側に配置されたアノードと、中心側に配置されたカソードとの間に流れる電流と、その電流によって生成される磁場（又は、予め印加された磁場）によってローレンツ力が発生する。前記ローレンツ力によって、生成されたプラズマは加速される。

宇宙で使用される推進装置に関連する技術として、特許文献１には、アーク放電により形成されたプラズマを、ノズルから排出することで推力を得る電気推進機が開示されている。特許文献２には、放電により形成された荷電粒子を、スクリーン電極及び加速電極を用いて、選択的に加速するイオンエンジンが開示されている。

特公平５−４５７９７号公報（特許第１８３６６７４号） 特許第４９２５１３２号公報

（電力又は熱に関する課題）
例示のＭＰＤスラスタは、プラズマ生成のためにアーク放電を用いる。アーク放電を発生させるためには、大きな電力が必要となる。また、大きな電力を投入するため、スラスタ自体の温度が高温になりやすい。このため、定常的な作動を実現することが難しい。よってＭＰＤスラスタは、推進効率が低く、電力供給量及び排熱量に制約のある宇宙機への適用が難しい場合が多い。

（電極損耗に関する課題）
例示のＭＰＤスラスタでは、アーク放電によって、スラスタのカソードが損耗する。このため、作動寿命を長くすることが難しい。作動寿命を長くするために、カソードとして、ホローカソードを用いる場合がある。しかし、ホローカソードを用いる場合には、下記のように、推進効率に関する課題が存在する。

（推進効率に関する課題）
効率的に推進力を得るためには、電子に比べて質量の大きい陽イオンの密度を上げる必要がある。しかし、上記ホローカソードからは、陽イオンは僅かしか出力されない。このため、ホローカソードから放出される熱電子を推進剤ガスに衝突させることにより、陽イオンの密度を上げる必要がある。しかし、熱電子を生成して、推進剤ガスに衝突させることは、効率的ではない。よって、推進効率を向上させることが難しい。

したがって、本発明の目的は、供給電力を抑制し、電極損耗を低減し、推進効率を向上させることが可能なＭＰＤスラスタを提供することにある。

この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。

以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。よって、括弧付きの記載により、特許請求の範囲は、限定的に解釈されるべきではない。

本発明の１つの観点において、ＭＰＤスラスタ（１００；２００）は、推進剤から無電極プラズマを生成する無電極プラズマ生成装置と、前記無電極プラズマを加速させる加速装置（２）と、生成された前記無電極プラズマを、前記加速装置（２）に供給する供給路（１）と、を備える。また、前記加速装置（２）は、磁気コイル（２１）と、カソード（２２）と、アノード（２３）と、前記カソード（２２）と前記アノード（２３）の間に電圧を印加する電圧印加装置（２４）と、を備える。さらに、前記供給路（１）は、前記カソード（２２）と前記アノード（２３）の間の空間（Ｓ）に前記無電極プラズマを供給する。また、前記磁気コイル（２１）は、前記空間（Ｓ）内に、前記磁気コイル（２１）の中心軸の方向に沿う軸方向磁場成分（Ｂ_ｘ）及び前記中心軸に直交する径方向磁場成分（Ｂ_ｙ）を生成する。加えて、前記電圧印加装置（２４）は、前記空間（Ｓ）内に電流（Ｉ_ａｃ）を生成する。また、前記空間（Ｓ）に供給される前記無電極プラズマは、前記軸方向磁場成分（Ｂ_ｘ）及び前記径方向磁場成分（Ｂ_ｙ）と、前記電流（Ｉ_ａｃ）とによって誘起されるローレンツ力によって、前記無電極プラズマを加速する。

上記ＭＰＤスラスタにおいて、前記供給路（１）と前記磁気コイル（２１）の前記中心軸との距離（Ｌ２）は、前記カソード（２２）と前記中心軸との距離（Ｌ１）より大きく、前記アノード（２３）と前記中心軸との距離（Ｌ３）より小さくてもよい。

上記ＭＰＤスラスタにおいて、前記カソード（２２）は、前記磁気コイル（２１）の前記中心軸に沿って配置されてもよい。

上記ＭＰＤスラスタにおいて、前記無電極プラズマ生成装置（３）は、前記供給路（１）の周囲に配置されるアンテナ（３１）を備えてもよい。また、前記無電極プラズマ生成装置（３）は、前記アンテナ（３１）により誘起される電場と、前記磁気コイル（２１）により生成される磁場（Ｂ_ｔ）との相互作用により、前記推進剤をプラズマ化してもよい。 上記プラズマ生成装置（３）において、前記供給路（１）のうち、前記アンテナ（３１）が周囲に配置されている部分の直径は、２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であってもよい。

上記ＭＰＤスラスタにおいて、前記供給路（１）は、複数の供給管（１−１、１−２、１−３、１−４）を含んでもよい。また、前記複数の供給管は、前記カソード（２２）の周囲に等間隔で配置されてもよい。また前記カソード（２２）と前記供給路（１）との距離は接することがない程度に離間してもよい。
さらに、前記無電極プラズマ生成装置（３）は、前記アンテナ（３１）を複数備えてもよい。また、前記複数の供給管の各々の周囲には、複数の前記アンテナ（３１−１、３１−２、３１−３、３１−４）のうちの１つが配置されてもよい。

上記ＭＰＤスラスタにおいて、前記無電極プラズマ生成装置（３）は、１つの電源装置（３６）と、インピーダンス整合器（３５）と、を更に備えてもよい。また、前記１つの電源装置（３６）は、前記インピーダンス整合器（３５）を介して、複数の前記アンテナ（３１−１、３１−２、３１−３、３１−４）を駆動してもよい。

上記ＭＰＤスラスタにおいて、前記アンテナは、ヘリカルアンテナであってもよい。また、前記無電極プラズマは、ヘリコンプラズマであってもよい。

上記ＭＰＤスラスタにおいて、前記カソードは、ホローカソードであってもよい。

上記ＭＰＤスラスタにおいて、前記無電極プラズマを放出するノズル（２５）を更に備えてもよい。また、前記アノード（２３）は、前記ノズル（２５）の内面の少なくとも一部を構成してもよい。またアノードは一つ以上の部品で構成されてもよい。

本発明の他の１つの観点において、ＭＰＤスラスタを用いて無電極プラズマを加速する方法は、カソード（２２）とアノード（２３）の間の空間（Ｓ）に無電極プラズマを供給して、前記空間（Ｓ）内の電気抵抗率を下げる工程と、前記空間（Ｓ）内に、前記ＭＰＤスラスタの中心軸の方向に沿う軸方向磁場成分（Ｂ_ｘ）及び前記中心軸に直交する径方向磁場成分（Ｂ_ｙ）を生成する工程と、前記空間（Ｓ）内に電流（Ｉ_ａｃ）を生成する工程と、前記軸方向磁場成分（Ｂ_ｘ）及び前記径方向磁場成分（Ｂ_ｙ）と、前記電流（Ｉ_ａｃ）とによって誘起されるローレンツ力によって、前記無電極プラズマを加速する工程とを備える。

本発明により、供給電力を抑制し、電極損耗を低減し、推進効率を向上させることが可能なＭＰＤスラスタを提供できる。

図１は、従来のＭＰＤスラスタの構成を模式的に示す断面図である。 図２Ａは、本発明の第１の実施形態のＭＰＤスラスタの構成を模式的に示す断面図である。 図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ矢視断面図である。 図２Ｃは、図２ＡのＣ−Ｃ矢視断面図である。 図３Ａは、本発明の第２の実施形態のＭＰＤスラスタの構成を模式的に示す断面図である。 図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ矢視断面図である。 図４は、第２の実施形態のＭＰＤスラスタの斜視図であって、スラスタの一部分を切り欠いた斜視図である。 図５Ａは、アンテナ（プラズマ生成アンテナ）の第１例を示す図である。 図５Ｂは、アンテナ（プラズマ生成アンテナ）の第２例を示す図である。 図５Ｃは、アンテナ（プラズマ生成アンテナ）の第３例を示す図である。 図５Ｄは、アンテナ（プラズマ生成アンテナ）の第４例を示す図である。 図５Ｅは、アンテナ（プラズマ生成アンテナ）の第５例を示す図である。 図５Ｆは、アンテナ（プラズマ生成アンテナ）の第６例を示す図である。 図６は、本発明の第２の実施形態において、アンテナの作動装置の一例を示す機能ブロック図である。 図７は、本発明の実施形態において、供給路、カソード、アノードの位置関係、及び、供給路、アンテナ、磁気コイルの位置関係について示す模式図である。 図８は、本発明の実施形態において、供給路の変形例を示す断面図であって、Ｘ軸に垂直な断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るＭＰＤスラスタに関して、添付図面を参照して説明する。

（座標系の定義）
図２Ａ、図３Ａを参照して、座標系の定義を行う。Ｘ方向は、ＭＰＤスラスタ１００、２００の前後方向であり、＋Ｘ方向は、ＭＰＤスラスタ１００、２００の後ろ方向、すなわち、ノズル側の方向を意味する。φ方向は、ＭＰＤスラスタ１００、２００の中心軸であるＸ軸まわりの回転方向であり、＋φ方向は、＋Ｘ方向にみて時計回りを意味する。

（重要な用語の定義）
本実施の形態において、＋Ｘ方向の側を「下流側」と定義し、−Ｘ方向の側を「上流側」と定義する。また、「無電極プラズマ」は、無電極プラズマ生成装置で生成されたプラズマと定義する。「無電極プラズマ生成装置」は、プラズマの生成過程において、電極とプラズマとが直接接触することのないプラズマ生成装置と定義する。

（第１の実施形態）
図２Ａ乃至図２Ｃを参照して、第１の実施形態に係るＭＰＤスラスタについて説明する。図２Ａは、第１の実施形態のＭＰＤスラスタ１００の構成を模式的に示す断面図である。また、図２Ｂ、図２Ｃは、それぞれ、図２ＡのＡ−Ａ矢視断面図、図２ＡのＣ−Ｃ矢視断面図である。

１．ＭＰＤスラスタ１００の構成
ＭＰＤスラスタ１００は、無電極プラズマを供給する供給路１と、加速装置２と、無電極プラズマ生成装置（図示せず）を備える。

（供給路１）
供給路１は、例えば、４つの供給管１−１、１−２、１−３、１−４で構成される。なお、供給管の数は４つに限定されず、任意である。また前記供給管の内径は２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であってもよい。また、供給管を複数配置する場合には、前記供給管を、後述のカソード２２の周囲に等間隔で配置することが好ましい。なお、カソード２２と前記供給管との間は接することがない程度に離間してもよい。供給路１内には推進剤が供給される。推進剤は、例えば、アルゴンガス、キセノンガス等のガスである。そして、供給路１に供給された推進剤は、無電極プラズマ生成装置によって、陽イオンＰ^＋と電子ｅ⁻とに電離され（プラズマ化され）、無電極プラズマが生成される。なお、無電極プラズマ生成装置は、無電極プラズマを生成する装置であればどのような装置であってもよい。代替的に、無電極プラズマ生成装置で予め生成された無電極プラズマが、供給路１に供給されるようにしてもよい。供給路１内の無電極プラズマは、加速装置２に供給される。より詳細には、無電極プラズマは、カソード２２とアノード２３の間の空間Ｓに供給される。

（加速装置２）
加速装置２は、磁気コイル２１、カソード２２、アノード２３、電圧印加装置２４を備える。磁気コイル２１は、供給路１を囲むように配置される。換言すれば、供給路１は、磁気コイル２１の中央領域を横断する。ここで、磁気コイル２１の中央領域とは、磁気コイル２１の内径の内側の空洞領域を意味する。磁気コイル２１の中心軸は、Ｘ軸に一致していることが好ましい。磁気コイル２１は、カソード２２とアノード２３の間の空間Ｓに、磁場Ｂを発生させる。磁場Ｂは、磁気コイル２１の中心軸（Ｘ軸）に沿う成分である軸方向磁場成分Ｂ_ｘと、中心軸（Ｘ軸）に直交する成分である径方向磁場成分Ｂ_ｙを含む。カソード２２は、電子を放出する。カソード２２は、好ましくは、微細孔を備えたホローカソードである。アノード２３は、カソードの下流側に配置される。アノード２３は、ノズル２５の内面の少なくとも一部を構成するプレートで構成することが好ましい。なお、アノード２３は、複数の部分に分割された分割体の組み合わせによって構成されてもよい。また、ノズル２５は、下流側に向かって拡開する傾斜内面を有するノズルであることが好ましい。電圧印加装置２４は、カソード２２とアノード２３の間に電圧を印加し、カソード２２とアノード２３の間に、すなわち、空間Ｓに、電流Ｉ_ａｃを発生させる。なお、図２Ａにおいて、電圧印加装置２４とカソード２２とを接続する配線、及び、電圧印加装置２４とアノード２３とを接続する配線は、説明をわかりやすくするために便宜的に記載したものである。よって、実際の配線の配置は、図２Ａの配置に限定されず、適宜設計される事項である。前記電流Ｉ_ａｃは、ホローカソードを用いない場合には、放電電流である。前記電流Ｉ_ａｃは、ホローカソードを用いる場合には、ホローカソードから放出される熱電子の流れに基づく電流である。加速装置２は、前記磁場Ｂ及び前記電流Ｉ_ａｃにより誘起されるローレンツ力によって、供給路１から供給される無電極プラズマを、下流側に向けて加速する。

加速装置２のカソードが、ホローカソードである場合について、より詳細に説明する。ホローカソードは、化学物質からなるインサートを備える。このインサートを例えば加熱装置により加熱すると、インサートは熱電子を放出する。放出された熱電子は、ホローカソード内に供給される作動ガスと衝突し、ホローカソード内でプラズマを発生させる。カソードの出口に、正電極を配置すると、プラズマの中から電子がカソード外に放出される。カソードの作動前には加熱装置を用いてインサートを加熱するが、一旦カソードが作動すると、プラズマが発生する熱によって電子を放出することが可能である。

２．ＭＰＤスラスタ１００の作動原理
次に、ＭＰＤスラスタ１００の作動原理について説明する。
（１）供給路１から、カソード２２とアノード２３の間の空間Ｓに、無電極プラズマ（陽イオンＰ^＋及び電子ｅ⁻）が供給される。当該供給により、カソード２２とアノード２３の間の空間Ｓの電気抵抗率は低下する。
（２）磁気コイル２１を作動させることにより、空間Ｓに、軸方向磁場成分Ｂ_ｘと径方向磁場成分Ｂ_ｙとを含む磁場Ｂが生成される。
（３）カソード２２とアノード２３との間に電圧及び電力が印加され、空間Ｓに電流Ｉ_ａｃが流れる。当該電流Ｉ_ａｃは、カソード２２とアノード２３との間の放電電流であってもよいし、ホローカソードから放出される熱電子の流れに基づく電流であってもよい。空間Ｓの電気抵抗率は低下しているため、印加する前記電圧及び電力を、従来のＭＰＤスラスタと比較して、小さくすることが可能である。なお、上記（１）、（２）、（３）の工程を開始する順番は任意である。また、上記（１）、（２）、（３）の工程を同時に開始してもよい。
（４）空間Ｓに存在する電子ｅ⁻（カソード２２から放出される電子、及び、無電極プラズマに含まれる電子）の一部は、アノード２３によって捕捉される（電流Ｉ_ａｃを担う）。また、空間Ｓに存在する電子ｅ⁻の一部は、ローレンツ力により、下流に向かって加速され、ノズル２５から下流側に向けて放出される。なお、前記ローレンツ力による加速のメカニズムの概要は下記（４ａ）（４ｂ）のとおりである。
（４ａ）前記電流Ｉ_ａｃの径方向成分（Ｘ軸に向かう成分）と、前記軸方向磁場成分Ｂ_ｘとによって誘起されるローレンツ力により、電子ｅ⁻は、磁気コイル２１の中心軸（Ｘ軸）まわりに+φ方向に回転する。
（４ｂ）前記回転により、-φ方向の電流が流れる。-φ方向の電流と、前記径方向磁場成分Ｂ_ｙとによって誘起されるローレンツ力により、電子ｅ⁻は、＋Ｘ方向に加速される。なお、上記（４ａ）（４ｂ）は、実際には、同時並行的に進行する現象である。
（５）＋Ｘ方向、すなわち、下流側に向かって加速される電子ｅ⁻は、クーロン力によって、陽イオンＰ^＋を牽引し、陽イオンＰ^＋を下流側に向かって加速させる。そして、前記陽イオンＰ^＋は、ノズル２５から下流側に向けて放出される。前記放出に伴う反力により、ＭＰＤスラスタ１００は推力を得る。
（６）なお、前記アノード２３と、ノズル２５から放出された電子ｅ⁻との間には、電場勾配が存在する。よって、陽イオンＰ^＋は、前記電場勾配によっても、下流側に向かって加速される。

供給路１から供給される無電極プラズマは、プラズマの生成過程において、電極とプラズマとが直接接触することなく生成されたプラズマである。このような無電極プラズマは、電極とプラズマとが接触しない加速装置を用いて加速されることが一般的である。これに対し、本実施形態は、無電極プラズマを、プラズマと接触する電極（アノード及びカソード）を備えた加速装置２によって加速するものである。

３．効果
本実施形態では、空間Ｓに無電極プラズマが供給され、空間Ｓの電気抵抗率が低下される。このため、カソードとアノードとの間に印加する電圧及び電力を、従来のＭＰＤスラスタと比較して小さくすることが可能である。その結果、ＭＰＤスラスタの作動効率が向上する。また、前記電力を小さくすることにより、ＭＰＤスラスタの温度上昇を抑制することができる。その結果、ＭＰＤスラスタを長時間作動させることができる。

本実施形態のカソードとして、ホローカソードを用いた場合には、付加的に、次の効果を奏する。第１に、放電によるカソードの損耗が抑制されるため、電極を長寿命化することができる。第２に、ホローカソードによって放出される熱電子の量を制御することで、上述のローレンツ力の強さを制御することが可能となる。

本実施形態では、無電極プラズマを用いる。無電極プラズマの陽イオン密度は、アーク放電によって生成されるプラズマの陽イオン密度と同程度以上のものが得られるだけでなく、後者では陽光柱と呼ばれるごく限られた領域にのみ高密度領域が得られるのに対して、前者ではほぼ全放電領域に渡って高密度領域を形成することができる。このため、生成できる陽イオンの割合はアーク放電の１００倍程度にすることも可能で、その結果、ＭＰＤスラスタの大推力化が可能である。

本実施形態では、無電極プラズマは、供給路１から供給される。このため、加速装置内で、アーク放電又は熱電子を用いて推進剤をプラズマ化する工程が不要である。その結果、ＭＰＤスラスタの推進効率が向上する。

（第２の実施形態）
図３Ａ乃至図６を参照して、第２の実施形態に係るプラズマ加速装置について説明する。

第２の実施形態において、第１の実施形態と同じ構成要素については、同じ図番を用いている。

１．ＭＰＤスラスタ２００の構成
ＭＰＤスラスタ２００は、無電極プラズマを供給する供給路１と、加速装置２と、無電極プラズマ生成装置３を備える。

（無電極プラズマ生成装置３）
図３Ａ乃至図６を参照して、無電極プラズマ生成装置３について説明する。図３Ａは、第２の実施形態のＭＰＤスラスタ２００の構成を模式的に示す断面図である。図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ矢視断面図である。図４は、第２の実施形態のＭＰＤスラスタ２００の斜視図であって、スラスタの一部分を切り欠いた斜視図である。また、図５Ａ乃至図５Ｆは、アンテナ（プラズマ生成アンテナ）の第１例乃至第６例を示す図である。図６は、アンテナの作動装置の一例を示す機能ブロック図である。

無電極プラズマ生成装置３は、磁気コイル２１及びアンテナ３１を含む。磁気コイルは、加速装置２の構成要素であるとともに、無電極プラズマ生成装置３の構成要素でもある。アンテナ３１は、複数のアンテナ３１−１、３１−２、３１−３、３１−４を含むことが好ましい。複数のアンテナ３１−１、３１−２、３１−３、３１−４は、複数の供給管１−１、１−２、１−３、１−４の周囲に、それぞれ配置される。また、磁気コイル２１は、供給管１−１、１−２、１−３、１−４及びアンテナ３１−１、３１−２、３１−３、３１−４を囲むように配置される。換言すれば、アンテナが周囲に配置された供給管１−１、１−２、１−３、１−４は、磁気コイル２１の中央領域を横断する。なお、図３Ｂには、４つの供給管、及び、４つのアンテナが記載されている。しかし、供給管の数、及び、アンテナの数は、４つに限定されず、任意である。図４に示されるように、アンテナ３１が周囲に配置された供給路１（又は供給管）は、支持機構３２、３３、３４によって支持される。支持機構３２は、下流側支持機構であり、支持機構３３は、中央支持機構であり、支持機構３４は、上流側支持機構である。各支持機構３２、３３、３４は、各供給路１（又は各供給管）とカソード２２とを離間させて支持するスペーサとしての機能も有している。

アンテナ３１は、高周波アンテナである。高周波アンテナにより誘起される電場、及び、磁気コイル２１により生成される軸方向磁場Ｂ_ｔ（図３Ａを参照。）の相互作用により、ヘリコン波が発生する。ヘリコン波は、供給路１に供給される推進剤に作用して、推進剤をプラズマ化する。その結果、無電極プラズマであるヘリコンプラズマが生成される。ヘリコンプラズマは、高密度で生成することが可能であるため、無電極プラズマとしてヘリコンプラズマを採用することが好ましい。

アンテナ３１としては、種々の形態のアンテナを採用し得る。図５Ａは、アンテナの第１例を示す。第１例のアンテナは、ループアンテナである。図５Ｂは、アンテナの第２例を示す。第２例のアンテナは、Ｂｏｓｗｅｌｌアンテナである。図５Ｃは、アンテナの第３例を示す。第３例のアンテナは、サドル型アンテナである。図５Ｄは、アンテナの第４例を示す。第４例のアンテナは、名古屋タイプ３型アンテナである。当該アンテナでは、４個のコイル電流間の位相を変えることにより複数のモードの選択が可能である。図５Ｅは、アンテナの第５例を示す。第５例のアンテナは、ヘリカルアンテナである。図５Ｆは、アンテナの第６例を示す。第６例のアンテナは、スパイラル型アンテナである。当該アンテナは、大口径のプラズマ供給路に適用可能である。

図６に示されるように、アンテナの作動装置は、アンテナ３１−１、３１−２、３１−３、３１−４、インピーダンス整合器３５、電源装置３６を備えていてもよい。インピーダンス整合器３５は、電源装置３６側の入力インピーダンスと、アンテナ３１−１、３１−２、３１−３、３１−４側の負荷インピーダンスとを整合させるためのものである。本実施形態では、１つの電源装置３６が、インピーダンス整合器３５を介して、複数のアンテナ３１−１、３１−２、３１−３、３１−４を駆動する。なお、電源装置３６は、１つであることが好ましいが、１つであることには限定されない。

２．ＭＰＤスラスタ２００の作動原理
次に、ＭＰＤスラスタ２００の作動原理について説明する。本実施形態におけるＭＰＤスラスタ２００の作動原理は、第１の実施形態におけるＭＰＤスラスタ１００の作動原理と比較して、無電極プラズマの生成に、磁気コイル２１及びアンテナ３１を用いることが特定されている点で異なる。
（１）供給路１に推進剤が供給される。
（２）アンテナ３１によって誘起される電場、及び、磁気コイル２１により生成される軸方向磁場Ｂ_ｔの相互作用により、無電極プラズマが生成される。
（３）生成された無電極プラズマは、供給路１から、カソード２２とアノード２３の間の空間Ｓに供給される。空間Ｓに無電極プラズマが供給された後の作動原理については、第１の実施形態の作動原理と同様である。

３．効果
本実施形態では、加速装置２の磁気コイル２１を用いて、無電極プラズマを生成する。すなわち、加速用の磁場と、無電極プラズマ生成用の磁場とを、同一の磁気コイル２１を用いて生成している。このため、ＭＰＤスラスタの重量を低減することができる。また、磁気コイルの作動に必要となる電力を低減することができる。その結果、ＭＰＤスラスタの推進効率が向上する。

本実施形態において、ヘリコンプラズマを生成する場合には、陽イオンの密度を更に高くすることが可能である。その結果、ＭＰＤスラスタの大推力化が可能である。

本実施形態において、一つの電源装置で複数のアンテナを駆動する場合には、スラスタの重量が低減される。

（供給路１、カソード２２、アノード２３の位置関係）
図７を参照して、本発明の実施形態における、供給路１、カソード２２、アノード２３の位置関係の具体例について説明する。供給路１の出口７の位置は、アノード２３の位置よりも上流側であることが好ましい。また、カソード２２の位置は、アノード２３の位置よりも上流側であることが好ましい。供給路１（各供給路の中心）と磁気コイル２１の中心軸（Ｘ軸）との距離Ｌ２は、カソード２２（カソード２２の中心）と磁気コイル２１の中心軸（Ｘ軸）との距離Ｌ１より大きいことが好ましい。なお、カソード２２（カソード２２の中心）と磁気コイル２１の中心軸（Ｘ軸）との距離Ｌ１はゼロであり、カソード２２は、前記中心軸に沿って配置されることが好ましい。また、供給路１（各供給路の中心）と磁気コイル２１の中心軸（Ｘ軸）との距離Ｌ２は、アノード２３（アノード２３のうち、コイルの中心軸に一番近い部分）と磁気コイル２１の中心軸（Ｘ軸）との距離Ｌ３より小さいことが好ましい。

上述の位置関係を採用することにより、磁気コイル２１の中心軸の方向に沿う軸方向磁場成分Ｂ_ｘ及び前記中心軸に直交する径方向磁場成分Ｂ_ｙが好適に生成される。また、ＭＰＤスラスタの装置構成をコンパクトにすることができる。

（供給路１、アンテナ３１、磁気コイル２１の位置関係）
次に、図７を参照して、供給路１の周囲にアンテナ３１を配置する場合において、供給路１、アンテナ３１、磁気コイル２１の位置関係の具体例について説明する。アンテナ３１と磁気コイル２１とは、少なくとも一部が磁気コイル２１の中心軸方向（Ｘ軸方向）にオーバーラップして配置されることが好ましい。例えば、磁気コイル２１の中心軸方向全長にわたって、アンテナ３１と磁気コイル２１とがオーバーラップするように配置される。

上述の位置関係を採用することにより、アンテナ３１の位置に対応する供給路１の内部に、軸方向磁場Ｂ_ｔが好適に生成され、無電極プラズマの生成効率が向上する。

（供給路１の変形例）
図８は、供給路１の変形例を示す断面図であって、Ｘ軸に垂直な断面図である。図８に示されるように、無電極プラズマの供給路１として、カソード２２の周囲に複数の供給路を配置する代わりに、断面リング状の供給路を配置することが可能である。

本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。また、各実施の形態で用いられる種々の技術は、技術的矛盾が生じない限り、他の実施の形態にも適用可能である。

１ ：供給路
１−１〜１−４：供給管
２ ：加速装置
３ ：無電極プラズマ生成装置
７ ：出口
２１ ：磁気コイル
２２ ：カソード
２３ ：アノード
２４ ：電圧印加装置
２５ ：ノズル
３１ ：アンテナ
３１−１ ：アンテナ
３１−２ ：アンテナ
３１−３ ：アンテナ
３１−４ ：アンテナ
３２ ：支持機構
３３ ：支持機構
３４ ：支持機構
３５ ：インピーダンス整合器
３６ ：電源装置
１００ ：ＭＰＤスラスタ
２００ ：ＭＰＤスラスタ
Ｂ ：磁場
Ｂ_ｔ ：軸方向磁場
Ｂ_ｘ ：軸方向磁場成分
Ｂ_ｙ ：径方向磁場成分
Ｉ_ａｃ ：電流
Ｌ１ ：距離
Ｌ２ ：距離
Ｌ３ ：距離
Ｓ ：空間
ｅ⁻ ：電子

Claims (10)

1. ＭＰＤスラスタであって、
   推進剤から無電極プラズマを生成する無電極プラズマ生成装置と、
   前記無電極プラズマを加速させる加速装置と、
   生成された前記無電極プラズマを、前記加速装置に供給する供給路と、
   を備え、
   前記加速装置は、
   磁気コイルと、
   カソードと、
   アノードと、
   前記カソードと前記アノードの間に電圧を印加する電圧印加装置と、
   を備え、
   前記供給路は、前記カソードと前記アノードの間の空間に前記無電極プラズマを供給し、
   前記磁気コイルは、前記空間内に、前記磁気コイルの中心軸の方向に沿う軸方向磁場成分及び前記中心軸に直交する径方向磁場成分を生成し、
   前記電圧印加装置は、前記空間内に電流を生成し、
   前記空間に供給される前記無電極プラズマは、前記軸方向磁場成分及び前記径方向磁場成分と、前記電流とによって誘起されるローレンツ力によって、前記無電極プラズマを加速し、
   前記カソードの位置は、前記アノードの位置よりも上流側にあり、
   前記カソードの下流端の位置は、前記アノードの上流端の位置よりも上流側にある
   ＭＰＤスラスタ。
2. 請求項１に記載のＭＰＤスラスタにおいて、
   前記供給路と前記磁気コイルの前記中心軸との距離は、前記カソードと前記中心軸との距離より大きく、前記アノードと前記中心軸との距離より小さい
   ＭＰＤスラスタ。
3. 請求項１又は２に記載のＭＰＤスラスタにおいて、
   前記カソードは、前記磁気コイルの前記中心軸に沿って配置される
   ＭＰＤスラスタ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＭＰＤスラスタにおいて、
   前記無電極プラズマ生成装置は、
   前記供給路の周囲に配置されるアンテナ
   を備え、
   前記無電極プラズマ生成装置は、前記アンテナにより誘起される電場と、前記磁気コイルにより生成される磁場との相互作用により、前記推進剤をプラズマ化する
   ＭＰＤスラスタ。
5. ＭＰＤスラスタであって、
   推進剤から無電極プラズマを生成する無電極プラズマ生成装置と、
   前記無電極プラズマを加速させる加速装置と、
   生成された前記無電極プラズマを、前記加速装置に供給する供給路と、
   を備え、
   前記加速装置は、
   磁気コイルと、
   カソードと、
   アノードと、
   前記カソードと前記アノードの間に電圧を印加する電圧印加装置と、
   を備え、
   前記供給路は、前記カソードと前記アノードの間の空間に前記無電極プラズマを供給し、
   前記磁気コイルは、前記空間内に、前記磁気コイルの中心軸の方向に沿う軸方向磁場成分及び前記中心軸に直交する径方向磁場成分を生成し、
   前記電圧印加装置は、前記空間内に電流を生成し、
   前記空間に供給される前記無電極プラズマは、前記軸方向磁場成分及び前記径方向磁場成分と、前記電流とによって誘起されるローレンツ力によって、前記無電極プラズマを加速し、
   前記カソードの位置は、前記アノードの位置よりも上流側にあり、
   前記無電極プラズマ生成装置は、
   前記供給路の周囲に配置されるアンテナ
   を備え、
   前記無電極プラズマ生成装置は、前記アンテナにより誘起される電場と、前記磁気コイルにより生成される磁場との相互作用により、前記推進剤をプラズマ化し、
   前記供給路は、複数の供給管を含み、
   前記複数の供給管は、前記カソードの周囲に等間隔で配置され、
   前記無電極プラズマ生成装置は、前記アンテナを複数備え、
   前記複数の供給管の各々の周囲には、複数の前記アンテナのうちの１つが配置される
   ＭＰＤスラスタ。
6. 請求項５に記載のＭＰＤスラスタにおいて、
   前記無電極プラズマ生成装置は、
   １つの電源装置と、
   インピーダンス整合器と、
   を更に備え、
   前記１つの電源装置は、前記インピーダンス整合器を介して、複数の前記アンテナを駆動する
   ＭＰＤスラスタ。
7. 請求項４乃至６のいずれか一項に記載のＭＰＤスラスタにおいて、
   前記アンテナは、ヘリカルアンテナであり、
   前記無電極プラズマは、ヘリコンプラズマである
   ＭＰＤスラスタ。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＭＰＤスラスタにおいて、
   前記カソードは、ホローカソードである
   ＭＰＤスラスタ。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＭＰＤスラスタにおいて、
   前記無電極プラズマを放出するノズル
   を更に備え、
   前記アノードは、前記ノズルの内面の少なくとも一部を構成する
   ＭＰＤスラスタ。
10. ＭＰＤスラスタを用いて無電極プラズマを加速する方法であって、
    カソードとアノードの間の空間に無電極プラズマを供給して、前記空間内の電気抵抗率を下げる工程と、
    前記空間内に、前記ＭＰＤスラスタの中心軸の方向に沿う軸方向磁場成分及び前記中心軸に直交する径方向磁場成分を生成する工程と、
    前記空間内に電流を生成する工程と、
    前記軸方向磁場成分及び前記径方向磁場成分と、前記電流とによって誘起されるローレンツ力によって、前記無電極プラズマを加速する工程と
    を備え、
    前記カソードの位置は、前記アノードの位置よりも上流側にあり、
    前記カソードの上流端の位置は、前記アノードの下流端の位置よりも上流側にある
    方法。
    

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