JP6645987B2 - 宇宙機のためのエンジンと、上記エンジンを備える宇宙機 - Google Patents

Description

本発明は、宇宙飛行体（ｓｐａｃｅ ｖｅｈｉｃｌｅ、ｓｐａｔｉａｕｘ）のためのエンジンの分野に関し、特に、人工衛星のためのエンジンに関する。
特定の用途においては、宇宙飛行体が、大きな推力において、又は、高い比推力において、２つの動作モードを有することが望ましいことがある。２つの事例、即ち、
人工衛星を配置（ｐｕｔ ｏｎｔｏ ｓｔａｔｉｏｎ）、且つ、その人工衛星の軌道を維持することであって、人工衛星を配置することが、可能な限り迅速に静止軌道に人工衛星を移動させるためにより大きな推力を必要とし、及び、人工衛星は、その人工衛星を１５年間にわたって所定位置に保持するために、高い比推力を伴う推進力を必要とする事例、及び、
踏査（ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ）であって、天体物体が離陸することを可能にし、且つ、その次に、宇宙においては高い比推力での推進力の使用を可能にする、スラスターを有することが有利である可能性がある事例を指摘することが可能である。

公知のように、人工衛星の推進力は、一般的に、２つの方法、即ち、化学推進と電気推進とによって得られる。これら２つの推進モードは、推力に対する比推力（Ｉ_sp）のプロットにおいて、それぞれの固有の動作領域を有し、概略的には、化学推力は、大きな推力が実現されることを可能にするが、比推力は４５０秒に限定されたままである。これとは逆に、電気推進は、高い比推力（２０００秒）が得られることを可能にするが、その推力は比較的小さなままである。

人工衛星の推進力のためには、ホール効果スラスター（Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ ｔｈｒｕｓｔｅｒｓ、ｐｒｏｐｕｌｓｅｕｒｓ ａ ｅｆｆｅｔ Ｈａｌｌ）が、宇宙飛行体のための飛行姿勢及び軌道制御システム（ａｔｔｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｏｒｂｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）（ＡＯＣＳ）において、特に、静止人工衛星のＡＯＣＳにおいて使用されている。ホール効果スラスターは、約１５００秒の非常に高い比推力（Ｉ_sp）を得ることを可能にし、したがって、そのシステムを脱飽和化させるための化学スラスターと組み合わせて、例えばリアクションホイールのような慣性装置を使用する従来のシステムの場合に比べて、著しく低い質量と複雑性とを使用しながら、宇宙飛行体の飛行姿勢及び／又は位置を正確に制御することを可能にする。

しかし、高い比推力を提供するホール効果スラスターは、通常は、非常に小さい推力しか提供しない。したがって、ホール効果スラスターを採用するＡＯＣＳは、従来においては、軌道移動又は所定位置への配置といった特定の迅速な操縦のための化学スラスターと組み合わされている。しかし、このことは、宇宙飛行体の信頼性を害するほどに、宇宙飛行体の全体コストと複雑性とを増大させるという欠点を有する。

結論としては、利用可能な技術（化学推進、電気推進）はいずれも、これらの意図された動作領域の両方において、即ち、第１に、大きな推力と比較的小さい比推力を伴う動作領域と、第２に、高い比推力と比較的低い推力とを伴う動作領域との両方において、推進力を提供することを可能にはしない。

したがって、本発明の目的は、これらの動作領域の両方において推力を提供することが可能であり、且つ、宇宙飛行体を過剰に重く且つ複雑にすることなしに、これらの動作領域の両方において推力を提供することが可能である、宇宙飛行体エンジンを提案することである。

この目的を実現するために、本発明は、燃焼ガスを放出するためのノズルを備える化学スラスターと、ホール効果スラスターとの両方を含む、宇宙飛行体エンジンを提案し、このエンジンは、上記ノズルが、ホール効果スラスターが動作中である時にホール効果スラスターによって放出される粒子のための放出導管として機能するように構成されている。

したがって、両方の技術、即ち、化学推進と電気推進とが、単一のエンジン内で採用されている。特定の手段、特にノズルを共通化することによって、このように構成されているエンジンが比較的に小型であることを可能にする。したがって、このように構成されているエンジンは、その動作能力を考慮すれば、比較的に単純で且つ低コストであるままであり、及び、こうした動作能力は両方のスラスターの共存によって増大させられる。

一実施態様では、ホール効果スラスターが磁気回路を有し、及び、子午半平面（ｍｅｒｉｄｉａｎ ｈａｌｆ−ｐｌａｎｅ）上の断面では、磁気回路は、その磁気回路がその磁気回路のエアギャップ内で磁界を生じさせるために適しているように、ノズルの下流端に対して開いているエアギャップを有するＵ字形の形状である。

エアギャップ内で生じさせられる磁界が実質的に半径方向であることが好ましい。

本明細書では、術語「上流の」及び「下流の」が、ノズルの中心軸線によって画定される方向における推進ガスの通常の流動方向に基づいて定義されている。

この磁界は必ずしもエアギャップ全体にわたって生じさせられるわけではなく、エアギャップの下流端に実質的に位置している少なくともエアギャップの一部分内で生じさせられる。子午半平面は、軸線によって、特にノズルの軸線によって画定される、半平面である。

この実施態様では、特に、大半の従来の化学スラスターノズルと同様に中空で且つ空であるのではなく、このノズルが磁気回路の一部分を含むので、ノズル内で磁界を得ることが可能である。磁気回路のこの内側部分は、概ねノズルの軸線上に配置されており、及び、従来通りに軸対称的形状であるか、又は、さらには、軸線を中心とした回転体の形状である。

磁気回路の断面がＵ字形である子午半平面は、ノズルの軸線の周りに角度的に規則的に分布していることが好ましい。理想的には、この磁気回路は、子午半平面毎に、即ち、ノズルの軸線の周りに３６０°にわたって、１つのこうした断面を有する。

好ましくは、子午半平面図において、化学スラスターの燃焼室が磁気回路内に配置されている。

一実施態様では、ノズルは、環状の軸方向断面を有し、及び、磁気回路のエアギャップの中を通過する。したがって、エアギャップも環状の軸方向断面を有する。術語「軸方向断面」は、本明細書では、ノズルの軸線に対して垂直な平面における断面を意味するように使用されている。

一実施態様では、磁気回路は、ノズルの周りに配置されている少なくとも１つの外側磁気コアと、ノズルの内側に半径方向に配置されている内側磁気コアとを有し、及び、子午半平面上の断面では、上記内側磁気コアの断面と上記少なくとも１つの外側磁気コアの断面とが上記Ｕ字形の分岐部分を形成する。

一実施態様では、ホール効果スラスターが、さらに、ノズル内で磁界を生じさせるのに適している電気回路を含み、及び、この電気回路は、磁気回路のエアギャップからそれぞれに下流と上流に配置されているアノードとカソードとを含む。

このアノードとカソードは、様々な形に配置されてもよい。

一実施態様では、アノードはノズルの一部分を備える。例えば、アノードは、ノズルの壁の一部分を構成してもよい。

別の実施態様では、アノードはノズルの内側に配置されている。

一実施態様では、及び、特に上述した実施態様では、アノードはノズルから電気的に絶縁されている。

アノードは、化学スラスターのための燃焼室の中に流体を噴射するためのインジェクター（推進剤インジェクター）の付近に配置されていてもよく、及び／又は、ホール効果スラスターのための粒子インジェクターの付近に配置されていてもよく、即ち、原則的には、全体的にエンジン内の流体流路の上流端に配置されていてもよい。

一実施態様では、軸方向にエアギャップのレベルにおいて、ノズルの内壁及び外壁が電気絶縁性の材料で形成されている。

ノズルのこの内壁と外壁は、特にその電気的特性と磁気的特性と耐腐食性特性とに故に特に適切であるセラミック材料で作られている。例えば、絶縁壁が、その電気絶縁性リングの外側と内側とにおいてそれぞれに上記エアギャップを画定する、２つの電気絶縁性リングによって形成されていてもよい。

一実施態様では、ノズルは、下流端において分岐部分に連結されている、上流端に燃焼室を有する。

ホール効果スラスターは、さらに、少なくとも１つの粒子インジェクターを含む。一実施態様では、この粒子インジェクターは、上記燃焼室の中に粒子を噴射するのに適している。

この粒子は例えばキセノンのような不活性ガスである。

本発明は、さらに、少なくとも１つの上述したエンジンを含む宇宙飛行体を提供する。

本発明は、非限定的な具体例として示されている２つの実施形態の後述の詳細な説明を理解することによって、適切に認識されることが可能であり、且つ、その利点がより適切に明らかになる。この説明は添付図面に言及する。

本発明のエンジンの第１の実施形態を含む宇宙飛行体の概略的な部分軸方向断面図である。 図１に示されているエンジンの部分略斜視図である。

図１と図２は、本発明のエンジン１０を示す。このエンジン１０は、この事例では人工衛星である宇宙飛行体１００の一部分を形成する。

このエンジンは、化学スラスターとホール効果スラスターの両方として動作することが可能であるハイブリッドエンジンである。化学スラスターとして、又は、ホール効果スラスターとしてこのエンジン１０が動作することを可能にするために、このエンジン１０は、推進剤タンク（図示されておらず、及び、単一の推進剤又は２つの推進剤が存在してもよい）に連結されており、及び、さらに、推進ガスのタンクにも連結されている。

エンジン１０は、概して、軸線Ｘを中心とした回転体の形状である。

エンジン１０は、軸線Ｘを中心とした概ね円筒形であるケーシング２０の内側に配置されている。このケーシングの上流端である第１の軸方向端部２２は、軸線Ｘに対して垂直である概ね平らな末端壁２４によって閉じられており、一方、他方の端部２６（ケーシングの下流端）は、軸線Ｘに対して同様に垂直である概ね平らな末端壁２５によっって部分的に閉じられている。末端壁２５は、ガスを放出するためにその末端壁２５を通過する幅広の環状流路２８を有する。

この末端壁２５は、概して、軸線Ｘに対して垂直である円板の形状である。環状流路２８が存在するので、末端壁２５は、円板５６によって、及び、環状流路２８の周りに半径方向に配置されている環状リング５８によって構成されている。このリング５８はケーシング２０と一体状に形成されている。

エンジン１０は化学スラスター１１を含む。

化学スラスター１１は、ケーシング２０の内側に配置されているノズル３０を有する。

ノズル３０は、軸線Ｘを中心とした概ね環状の形状である。さらに一般的には、ノズル３０は、さらに、代替案として、例えば楕円形又は競馬場形である横断面のような、軸対称的な形状を想定することが可能である。

ノズル３０が回転体又は軸対称の形状であるか否かに係わらず、ノズル３０は概ね環状の形状であり、及び、したがって、半径方向外壁３４を有するだけでなく、半径方向内壁３２も有する。

これらの壁は軸線Ｘを中心として同心状である。

ノズル３０は、上流端において（図１の左側において）閉じられており、及び、下流端において開いている。

上流から下流に、ノズル３０は最初に燃焼室３６を有し、その次にスロート３８を有し、その後に分岐部分４０を有する。これらの要素は、エンジン１０が化学スラスター１１として動作することを可能にするように配置されている。

化学スラスター１１は、さらに、推進剤を噴射するためのインジェクター４２も有する。これらのインジェクター４２は、推進剤が燃焼室３６の上流端で噴射されることを可能にするように配置されている。この目的のために、インジェクター４２は、供給回路４４によって推進剤供給源（図示されていない）に連結されている。

エンジン１０は、さらに、ホール効果スラスター５０も有する。このスラスター５０はまず第１に磁気回路５２を備える。

この磁気回路５２は、強磁性材料で作られており及びしたがって外側磁気コアを形成するケーシング２０自体と、強磁性材料で作られている末端壁２４、２５と、軸線Ｘに沿って延びるシャフトの形状である中央磁気コア５４とを備える。末端壁２５の一部分を形成する円板５６が、シャフト５４の下流端を形成する。

磁気回路５２の上述の要素は、磁界が磁気回路を損失なしに通過することを可能にするように、一体的に配置されている。

ノズルの下流部分を摩耗から保護するために、且つ、磁気回路のエアギャップ内に形成される電子雲を収容するために、壁３２、３４の軸方向に下流の部分が、それぞれに照合番号８２、８４で示されているセラミック材料で作られているリングによって形成されている。これらのリングは、磁気回路５２のエアギャップのレベルに配置されている。

磁気回路５２は、さらに、ホール効果スラスターが動作することを可能にするために必要とされる磁界を生じさせる働きをする内側環状コイル７０と外側環状コイル７２とを有する。これら２つのコイルは、軸線Ｘを中心として同心状に形成されている。コイル７０は、壁３２の内側に（即ち、シャフト５４と壁３２との間に）シャフト５４の周りに（半径方向に）形成されている。コイル７２は、円筒形ケーシング２０の内面上に形成されており、及び、さらに明確には、ノズル３０の内面と外壁３４との間に形成されている。

軸方向において、コイル７０、７２は、ノズル３０のスロート３８からわずかに下流に配置されている。より一般的な形では、これらのコイルは、上流端における燃焼室から、下流端におけるセラミックリング８２、８４からわずかに上流の位置に、軸線Ｘに沿って、軸方向に任意のレベルに配置されてもよい。

コイル７０、７２は、電気エネルギー源（図示されていない）によって給電される。

磁気回路５２内では、中央磁気コア５４と外側磁気コア（ケーシング２０）が、互いに反対の極性を有するように配置されている。

回路５２は、環状流路２８内に概ね半径方向の磁界を生じさせるように配置されており、したがって、その回路５２のエアギャップを構成する。

他の実施形態では、磁気回路は、この回路５２の構造とは異なる構造であってもよい。重要な点は、この磁気回路が、ホール効果スラスターの噴射流路（具体的には、流路２８）内に半径方向の磁界を生じさせるのに適しているということである。

磁界の強度が、放出流路２８からノズルのスロート３８へと漸進的に減少する。図示されている実施形態では、（流路２８とのその最大軸方向レベルにある）磁界が、アノード６２の付近で磁界の強度を減少させるように、内側及び外側磁気遮蔽壁７７によって減衰させられる。

これらの遮蔽壁は、それぞれに、ケーシング２０の内面上と、シャフト５４の外面上とに形成されており、及び、コイル７０、７２を機械的に支持する。

コイル７０、７２は概ね円筒形のコイルであり、及び、これらのコイルでは、各々の巻輪が概ね軸線Ｘを中心とした円の形状である。別の実施形態では、コイル７２は、軸線Ｘに対して平行なそれぞれの軸線を中心とした複数の互いに同一のコイル７２によって置き換えられることが可能であり、及び、コイル７２はノズル３０の外壁３４の周りに軸対称的に配置されている。

ノズル３０の下流部分は、回路５２のエアギャップ２８の中を通過するか、又は、このエアギャップ２８の中に延びる。

したがって、子午半平面上の断面では（図１）、磁気回路は、ノズル３０の下流端２６に向かって開いているエアギャップ２８を伴ったＵ字形の形状である。末端壁２４から進む形で、このＵ字形の形状は、それぞれにＵ字形の２つの分岐部分を形成する、外側のケーシング２０の断面と内側の中央コア５４の断面とによって構成されている。

スラスター５０は、さらに、電気回路６０も有する。この回路は、分岐部分４０に沿って軸方向に概ね中間に位置しているアノード６２と、ノズル３０の端部２６から下流に位置しているカソード６４と、アノード６２をカソード６４に接続する電圧源６６とを備える。

より一般的な形では、アノード６２は、上流端における燃焼室から、下流端におけるセラミックリング８２、８４からわずかに上流の位置に延びる、軸線Ｘに沿って軸方向において任意のレベルに配置されてもよい。

アノード６２は、主にノズル３０の内壁３４によって構成されており、及び、したがって、ノズル３０内に組み込まれているが、ノズル３０からは電気的に絶縁されている。

カソード６４は、円板５６上に外側において締め付け固定されており、即ち、シャフト５４から下流に締め付け固定されている。図２では、カソード６４は点線で描かれている。

カソード６４は、ノズル３０の内壁３２の内側を通過するケーブルによって電圧源６６に接続されている。

このケーブルがシャフト５４の内側を通過することが有利である。

最後に、ノズル３０の上流端において、このスラスターは推進ガスインジェクター７５を含む。これらのインジェクター７５は、燃焼室３６の上流端の中に推進ガスが噴射されることを可能にするように配置されている。このために、これらのインジェクター７５は、噴射回路７６によって噴射ガス供給源（図示されていない）に連結されている。この推進ガスはキセノンであってもよく、キセノンは大きい分子量と比較的低いイオン化電位という利点を有する。しかし、他のホール効果スラスターでは、様々な推進ガスが使用されることも可能である。

エンジン１０は、２つの動作モード、即ち、電気推進と化学推進を有する。

化学推進の場合には、推進剤がインジェクター４２を経由して燃焼室３６内に噴射される。推進剤は燃焼室内で燃焼させられる。燃焼ガスがスロート３８と分岐部分４０とによって加速され、及び、ノズル３０の下流開口部２８を通して高速度で放出される。

ホール効果推進の場合には、エンジン１０が次のように動作する。

キセノンが推進ガスとして使用される時には典型的には約１５０ボルト（Ｖ）から８００Ｖである電圧が、ノズル３０の下流端から下流に位置するカソード６４とアノード６２との間に生じさせられる。その次に、カソード６４は電子を放出し始め、この電子の大半が、磁気回路５２によって生じさせられる磁界によって形成される磁気エンクロージャーの中に閉じ込められ、及び、この磁界は、所望の性能と使用推進ガスとに適合化させられており、及び、推進ガスとしてキセノンを使用する時に典型的には約１００ガウス（Ｇ）から約３００Ｇである。したがって、この磁気エンクロージャー内に閉じ込められた電子は仮想カソードグリッドを形成する。

推進ガスがインジェクター７５を経由してノズル３０の中に噴射され続ける限り、高エネルギー電子（ｈｉｇｈｌｙ ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｎ）（典型的には、１０電子ボルト（ｅＶ）から４０ｅＶ）が、磁気エンクロージャーからアノード６２に向かって脱出する。これらの電子と推進ガスの原子との間の衝突が、推進ガスをイオン化し、その次に、この推進ガスは、コイル７０、７２によって生じさせられる電界Ｅによってノズル３０の下流端２６に向かって加速される。推進ガスイオンの質量が電子の質量よりも幾分か大きいので、磁界は、その磁界が電子を閉じ込めるのと同じようにはそのイオンを閉じ込めることがない。したがって、スラスター５０は、ノズル３０の下流端を通過して極度に高速度で放出されるプラズマジェットを生じさせ、これによって中央軸線Ｘと概ね一直線上にある推力を生じさせる。

このスラスター５０の動作は、米国特許出願公開第ＵＳ２００３／００４６９２１Ａ１号明細書で説明されているスラスターの動作に類似している。

採用随意に、エンジン１０は、さらに、化学スラスターが動作中である時に燃焼ガスの追加的な膨張を可能にするために、リング８２とリング８４とから下流に、追加のノズル部分を含むことも可能である。

したがって、ノズル３０の環状形状が、そのノズル３０が、化学推進中に推進剤の燃焼と燃焼ガスの放出とのための導管としてだけではなく、さらには、電気的動作中にイオン加速導管としても使用されることを可能にする。特に、ノズルの軸線上のシャフトの形状である磁気コア５４の構成は、化学スラスター１１の動作を妨害することが全くない。さらに、末端壁２５から下流にあり且つシャフト５４の端部によって保護されているカソードの位置（カソード６４は円板５６の中央部に直接的に接触している）が、長時間にわたってそのカソードがさらされることが不可能である燃焼ガスの流れに対して、そのカソードが直接的に接触しないことを確実なものにすることを可能にする。

特定の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、特許請求項によって定義されている本発明の全般的な範囲から逸脱することなしに、様々な変更と変化とがこの実施形態に加えられることが可能であるということが明らかである。これに加えて、上述した実施形態の個別的な特徴が別の実施形態において組み合わされることが可能である。したがって、こうした説明と図面とが、限定的なものではなくて例示的なものであると見なされなければならない。

１０ エンジン
１１ 化学スラスター
２０ ケーシング
２４ 末端壁
２５ 末端壁
２８ 環状流路
３０ ノズル
３２ 内壁
３４ 外壁
３６ 燃焼室
３８ スロート
４２ インジェクター
５０ ホール効果スラスター
５２ 磁気回路

Claims (11)

1. 燃焼ガスを放出するためのノズル（３０）を有する化学スラスター（１１）を備える宇宙飛行体エンジン（１０）において、
   前記宇宙飛行体エンジン（１０）は、ホール効果スラスター（５０）が動作中である時にそのホール効果スラスターによって放出される粒子のための放出導管として前記ノズルが機能するように構成されているホール効果スラスター（５０）を含み、
   前記ホール効果スラスター（５０）は磁気回路（５２）を有し、
   子午半平面上の断面では、前記磁気回路は、前記磁気回路のエアギャップ内で磁界を生じさせることに前記磁気回路が適しているように、前記ノズルの下流端（２６）に対して開いているエアギャップ（２８）を有するＵ字形の形状であり、
   前記ノズル（３０）は、環状の形状の軸方向断面を有し、前記磁気回路（５２）の前記エアギャップの中を通過することを特徴とするエンジン。
2. 前記磁気回路は、前記ノズル（３０）の周りに配置されている少なくとも１つの外側磁気コア（２０）と、前記ノズルの内側に半径方向に配置されている内側磁気コア（５４）とを有し、子午半平面上の断面では、前記内側磁気コアの断面と前記少なくとも１つの外側磁気コアの断面とが前記Ｕ字形の分岐部分を形成することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
3. 前記ホール効果スラスターは、さらに、前記ノズル内で磁界を生じさせるのに適している電気回路（６０）を含み、前記電気回路は、前記エアギャップ（２８）からそれぞれに下流と上流に配置されているアノード（６２）とカソード（６４）とを含む請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 前記アノード（６２）は前記ノズル（３０）の一部分を含む請求項３に記載のエンジン。
5. 前記アノード（６２）は前記ノズル内に配置されており、且つ、前記ノズルから電気的に絶縁されている請求項３に記載のエンジン。
6. 軸方向に前記エアギャップ（２８）のレベルにおいて、前記ノズルの内壁及び外壁（３２、３４）は、電気絶縁材料で作られていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジン。
7. 前記ノズルは、下流端において分岐部分（４０）に連結されている上流端において燃焼室（３６）を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンジン。
8. 前記ホール効果スラスターは、さらに、粒子を前記燃焼室（３６）の中に噴射するのに適している少なくとも１つの粒子インジェクター（７５）を含む請求項７に記載のエンジン。
9. 前記エンジンは、
   推進剤を前記化学スラスターに供給するための供給回路と、
   噴射ガスを前記ホール効果スラスターに供給するための噴射回路とを有し、
   前記供給回路は前記噴射回路とは異なる請求項１〜８のいずれか１項に記載のエンジン。
10. 軸方向に前記エアギャップ（２８）のレベルにおいて、前記ノズルの内壁及び外壁（３２、３４）は、セラミックで作られていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のエンジン。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の少なくとも１つのエンジン（１）を含む宇宙飛行体。

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