JP6935284B2

JP6935284B2 - ホールスラスタ

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Publication number: JP6935284B2
Application number: JP2017188119A
Authority: JP
Inventors: 渕上　健児; 健児渕上; 彦伊藤; 裕樹渡邊; 一幸船木; 科寅張; 健一窪田; 重保飯原; 洋輔田代
Original assignee: IHI Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2021-09-15
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: JP2019065703A

Description

本発明は、宇宙機の軌道制御や姿勢制御に使用されるホールスラスタに関する。

イオンエンジンやホールスラスタなどの静電加速型推進器は電気推進器の一種であり、プラズマ中のイオンを電気的に排出することで推力を得ている。電気推進器は、酸化剤や推進剤の燃焼を利用する化学推進器と比べて小型化が容易であり、高い推進効率（エネルギー変換効率）と高い比推力（低燃費）が得られることが知られている。そのため、宇宙空間での宇宙機の軌道制御や姿勢制御に適した推進器として注目されている（特許文献１参照）。

電気推進器が発生するプラズマの挙動は、電気推進器の耐久性や動作安定性に直接影響する。これに関連して非特許文献１は、ホールスラスタにおけるプラズマの噴出口付近の後方カバーをアルミナ（絶縁体）で構成した場合と、当該後方カバーをグラファイト（導電体）で構成してホールスラスタの筐体（本体）と同電位にした場合のそれぞれにおいて、陽極及び陰極を含む電気系統を電気的に浮遊させた（即ち接地電位から絶縁させた）状態で、（１）ホールスラスタの筐体（本体）を接地させたとき、（２）ホールスラスタの筐体も電気的に浮遊させたとき、（３）ホールスラスタの筐体を陰極電位に設定したとき、の推力の変化を報告している。

特開２００９−８５２０６号公報

Peter Y. Peterson,et al., "NASA's HERMeS Hall Thruster Electrical Configuration Characterization", 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, AIAA Propulsion and Energy Forum, (AIAA 2016-5027)

宇宙機は宇宙空間において数年以上稼働することが要求される。従って、有限の推進剤を効率良く利用することは推進器の開発における恒久的な課題の１つである。本発明もこの課題に鑑みて成されたものであり、推進効率を向上させることが可能なホールスラスタを提供することを目的とする。

本発明の一態様はホールスラスタであって、同心の内周壁及び外周壁によって画成され、閉鎖端と開口端とを含む環状チャネルと、前記環状チャネルの前記閉鎖端に位置する陽極と、前記環状チャネルに電子を供給する陰極と、前記環状チャネルの前記閉鎖端に連通する推進ガスの供給路と、前記外周壁よりも径方向外方に配置された外部磁極、前記内周壁よりも径方向内方に配置された内部磁極、および前記環状チャネルの前記閉鎖端側において前記外部磁極と前記内部磁極との間を磁気的に結合するヨークにより形成された磁気回路と、前記環状チャネルの前記開口端側に位置する前記外部磁極と前記内部磁極の各端面を覆い、且つ、電気的に絶縁されている導電性のカバーと、前記磁気回路に対して負電位となる電圧を前記カバーに印加する電源とを備えることを要旨とする。

前記カバーの素材は黒鉛を含んでもよい。

絶縁部材が、前記カバーと前記内部磁極の前記端面との間、及び、前記カバーと前記外部磁極の前記端面との間に設けられてもよい。

本発明によれば、推進効率を向上させることが可能なホールスラスタを提供することができる。

本発明の実施形態に係るホールスラスタの断面図と電気系統を示す図である。本発明の実施形態に係るホールスラスタにおける開口端周辺の構造を示す拡大断面図であり、（ａ）は当該構造の第１例、（ｂ）は当該構造の第２例を示す。本発明の実施形態に係るカバー、並びに、環状チャネルの内周壁及び外周壁を説明するための図である。本発明の実施形態に係るカバーを用いたホールスラスタと、当該カバーの代替物として絶縁体を用いたホールスラスタの試験結果を示すグラフであり、（ａ）は推力の比較結果、（ｂ）は放電電流の比較結果を示す。本発明の実施形態に係る電気系統の変形例を示す図である。

本発明の実施形態に係るホールスラスタについて添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図１は本実施形態に係るホールスラスタ１０を示す概略構成図である。図２は本実施形態に係るホールスラスタ１０における開口端周辺の構造を示す拡大断面図であり、（ａ）は当該構造の第１例、（ｂ）は当該構造の第２例を示す。図３は本実施形態に係るカバー、並びに、環状チャネルの内周壁及び外周壁を説明するための図である。

本実施形態に係るホールスラスタ１０は、推進ガスのプラズマを発生し、電場によってプラズマ中のイオンを排出することで推力を得る推進器である。図１に示すように、ホールスラスタ１０は、環状チャネル１１と、陽極１４と、陰極１５と、推進ガスの供給路１６と、磁気回路１７と、カバー２１とを備えている。なお、ホールスラスタ１０の構成部材は、カバー２１を除き、周知のものを採用できる。

説明の便宜上、ホールスラスタ１０の推進方向における前方を環状チャネル１１の閉鎖端１１ａ側と称し、ホールスラスタ１０の推進方向における後方（即ち、プラズマの排出方向）を、環状チャネル１１の開口端１１ｂ側と称することがある。また、ホールスラスタ１０は概ね軸対称な形状を有するため、説明の便宜上、ホールスラスタ１０の対称軸として軸Ｚを規定し、軸Ｚに直交し且つ軸Ｚを起点とする径方向を定義する。

環状チャネル１１は、軸Ｚを中心とする同心の内周壁１２及び外周壁１３によって画成される推進ガス及びそのプラズマの流路である。内周壁１２及び外周壁１３は何れも軸Ｚを中心とする筒状の構造を含み、軸Ｚに沿って延伸している。

軸Ｚに沿った環状チャネル１１の長さ（奥行、深さ）は、イオンのサイクロトロン半径よりも短く、且つ、電子のサイクロトロン半径よりも長い値に設定される。また、軸Ｚに沿った環状チャネル１１の長さは、径方向における環状チャネル１１の長さ（幅）よりも十分に長い。また、環状チャネル１１を画成する内周壁１２及び外周壁１３は、窒化ホウ素（ＢＮ）などのセラミックスによって形成される。つまり、本実施形態のホールスラスタ１０は、所謂マグネティックレイヤー型のホールスラスタである。

内周壁１２及び外周壁１３はホールスラスタ１０の前方（環状チャネル１１の上流側）で接続しており、環状チャネル１１を封じる閉鎖端１１ａを形成する。また、内周壁１２及び外周壁１３はホールスラスタ１０の後方（環状チャネル１１の下流側）で、環状チャネル１１の開口端（開口）１１ｂを形成し、開口端１１ｂは推進ガス及びそのプラズマの排出口として機能する。なお、図２（ａ）に示すように、環状チャネル１１の開口端１１ｂにおける、内周壁１２の端部１２ａ及び外周壁１３の端部１３ａは、軸Ｚに沿って単純に延伸していてもよい。また、図２（ｂ）に示すように、内周壁１２の端部１２ａが、ホールスラスタ１０の後方に向かうに連れてＺ軸に近づくように（即ち径方向内方に）傾斜（湾曲）し、且つ、外周壁１３の端部１３ａが、ホールスラスタ１０の後方に向かうに連れてＺ軸から離れるように（即ち径方向外方に）傾斜（湾曲）していてもよい。

陽極１４は、環状チャネル１１内に設けられ、環状チャネル１１の閉鎖端１１ａに位置する。陽極１４は、環状チャネル１１を介する陰極１５との間にイオンの加速電場を発生させる。陽極１４において環状チャネル１１の閉鎖端１１ａを臨む表面には、推進ガスの供給路１６が開口している。

陰極１５は、環状チャネル１１に電子を供給し、プラズマを中和する。陰極１５は例えばホローカソードであり、周知の構成のものでよい。陰極１５は、環状チャネル１１の開口端１１ｂから排出されるプラズマを中和する。陰極１５には陰極回路３１が接続される。陰極回路３１は、電子放出部材（ＬａＢ_６など）の加熱電源や電子の引出電源などで構成される。

陽極１４と陰極１５との間には加速回路３２が直列に接続する。加速回路３２は電源等で構成され、環状チャネル１１を介した陽極１４と陰極１５との間に、ホールスラスタの前方から後方に向かうイオンの加速電場を形成する。

また、陰極１５は、環状チャネル１１の開口端１１ｂ近傍において、環状チャネル１１よりも径方向外方、或いは、環状チャネル１１よりも径方向内方に設けられる。前者の場合、陰極１５は外部磁極１８よりも径方向外方に位置する（図１参照）。後者の場合、陰極１５は内部磁極１９よりも径方向内方に位置する。この場合、内部磁極１９の少なくとも後方側は管状に形成され、その中に陰極１５が設置される。

推進ガスの供給路１６は環状チャネル１１の閉鎖端１１ａに連通し、環状チャネル１１内に推進ガスを供給する。例えば上述のように、供給路１６の開口は陽極１４に形成される。なお、推進ガスには腐食性が少なく、電離しやすいガスが用いられる。このようなガスは、例えばキセノンやクリプトンなどの希ガスである。

磁気回路１７は、外部磁極１８と、内部磁極１９と、ヨーク２０とを含む。外部磁極１８、内部磁極１９、及びヨーク２０は何れも鉄などの強磁性を有する材料を用いて形成される。

外部磁極１８は、外周壁１３よりも径方向外方に配置される。外部磁極１８には磁場を発生するための外部コイル４１が設置される。外部コイル４１には電源等を含む励磁回路３３が接続され、外部コイル４１による磁場が制御されている。

内部磁極１９は、内周壁１２よりも径方向内方に配置される。内部磁極１９にも磁場を発生するための内部コイル４２が設置される。内部コイル４２には電源等を含む励磁回路３４が接続され、内部コイル４２による磁場が制御されている。

ヨーク２０は、環状チャネル１１の閉鎖端１１ａ側（換言すれば、ホールスラスタ１０の前方側）に設けられ、外部磁極１８と内部磁極１９に接触し、両者を磁気的に結合する。ヨーク２０は、例えば円板状に形成され、環状チャネル１１よりも前方に位置する。

外部磁極１８と内部磁極１９は、ホールスラスタ１０の前方側で、ヨーク２０を介して磁気的に結合している。一方、両者は環状チャネル１１の開口端１１ｂ近傍で、環状チャネル１１を介して互いに離間している。従って、外部コイル４１及び内部コイル４２によって磁場が発生すると、その磁場はヨーク２０を介して結合する一方、ホールスラスタ１０の後方側で環状チャネル１１に漏洩する。漏洩した磁場は軸Ｚを中心として概ね軸対称且つ放射状に分布し、陰極１５から放出された電子にサイクロトロン運動を生じさせる。

本実施形態に係るホールスラスタ１０は、その後方に磁気回路１７のカバー２１を備える。カバー２１は、推進ガスのプラズマに曝される位置でホールスラスタ１０の後方に向けて露出しており、環状チャネル１１の開口端１１ｂ近傍に分布するプラズマから、外部磁極１８と内部磁極１９を保護する。

カバー２１は、耐熱性と導電性を有する素材を用いて板状に形成される。カバー２１の材料は例えば黒鉛（グラファイト）或いはその含有物である。なお、カバー２１は、その内部に絶縁材等の部材を有していてもよい。即ち、カバー２１は、絶縁材等の補強部材の表面に耐熱性と導電性を有する素材をコーティングすることで形成されてもよい。

図１に示すように、カバー２１は環状部２１ａと、円状部２１ｂとを含む。環状部２１ａは、環状チャネル１１の開口端１１ｂ側に位置する外部磁極１８の端面１８ａを覆う。図３に示すように、環状部２１ａは、外周壁１３の外径に等しい直径Ｄａの開口を有する。環状部２１ａは、その開口に外周壁１３が挿入された状態で、外部磁極１８の端面１８ａを覆っている。なお、環状部２１ａの外径は少なくとも端面１８ａの全面を覆う値に設定される。

カバー２１の環状部２１ａと外部磁極１８の端面１８ａとの間には、絶縁部材２２が設けられる。絶縁部材２２は、窒化ホウ素やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の耐熱性を備える絶縁材を用いてシート状あるいは板状に形成される。

円状部２１ｂは、シート状あるいは板状の絶縁部材２３を介して、環状チャネル１１の開口端１１ｂ側に位置する内部磁極１９の端面１９ａを覆う。図３に示すように、円状部２１ｂは、内周壁１２の内径に等しい外径Ｄｂを有する。円状部２１ｂは、内周壁１２に囲まれた状態で、内部磁極１９の端面１９ａを覆っている。なお、陰極１５が内周壁１２よりも径方向内方に設置される場合、内部磁極１９の中心に中空部（図示せず）を設け、陰極１５は当該中空部に設置される。この場合、円状部２１ｂには電子を通過させるための開口（図示せず）が形成される。

カバー２１の円状部２１ｂと内部磁極１９の端面１９ａとの間には、絶縁部材２３が設けられる。絶縁部材２３は、窒化ホウ素やアルミナ等の耐熱性を備える絶縁材を用いてシート状あるいは板状に形成される。

なお、カバー２１は、外部磁極１８及び内部磁極１９に対して所定の間隔（隙間）を隔てて設置されてもよい。この場合、絶縁部材２２、２３を省略してもよい。

このように、カバー２１が設置された状態でも、内周壁１２の端部１２ａ及び外周壁１３の端部１３ａは、ホールスラスタ１０の後方に露出する。なお、カバー２１に覆われていない外部磁極１８の他の部分及びヨーク２０は、周知のカバー（図示せず）で覆われ、保護されている。

図１に示すように、外部磁極１８の励磁回路３３や内部磁極１９の励磁回路３４における一方の出力側は、ホールスラスタ１０の（換言すれば主な電気回路の）コモンに接続される。磁気回路１７もこのコモンに接続される。ただし、各励磁回路３３、３４及び磁気回路１７とコモンとの接続関係は図１に示すものに限られず、各励磁回路３３、３４及び磁気回路１７は、必ずしもコモンに接続されなくてよい。なお、コモンは、地上であればアースに接続されてもよく、真空チャンバ内で電気的に浮遊していてもよい。宇宙空間であればコモンは宇宙機の機体Ｂに接続していてもよく、機体Ｂから電気的に浮遊していてもよい。

加速回路３２の正極側は陽極１４に接続し、負極側は陰極１５の電子放出部材に接続している。
加速回路３２は、陽極１４と陰極１５の間に所定の加速電場を形成するだけでよい。そのため、加速回路３２は、励磁回路３３や励磁回路３４とは電気的に接続されていない。

カバー２１は、従来のホールスラスタであれば耐熱性を備える絶縁材（例えば窒化ホウ素やアルミナ等）を用いて、板状もしくは磁極にコーティングした形で形成される。もしくは、耐熱性を備える導電性部材（例えば黒鉛やモリブデン）を用いて、板状もしくは磁極にコーティングした形で磁極に対して固定されており、この場合、カバーは他の構成部材と共に上記何れかの回路或いはコモンと電気的に接続している。しかしながら、本実施形態のカバー２１は導電性を有するものの、電気的には浮遊している。例えば、カバー２１を除くホールスラスタ１０の構成部材（構成要素）は、上記何れかの電気回路或いはコモンと電気的に接続しているが、カバー２１は、当該カバー２１を除くホールスラスタ１０の構成部材に対して電気的に絶縁されている。従って、少なくとも、カバー２１は、磁気回路１７に対して電気的に絶縁されている。カバー２１は、陰極１５に対して電気的に絶縁されていても、絶縁されていなくてもよい。

上述の通りカバー２１が電気的に浮遊しているため、プラズマが発生している間は、カバー２１の電位がホールスラスタ１０のコモンや磁気回路１７に対して負となる。一方、陰極１５から放出された電子は、加速電場によって環状チャネル１１内の陽極１４に進行する最中にカバー２１を横切る。カバー２１の電位がホールスラスタ１０のコモンや磁気回路１７に対して負になっているため、電子はカバー２１に衝突しにくくなり（吸収されにくくなり）、陽極１４或いはプラズマ中のイオンに達する確率が高まる。

図４は、カバー２１を用いた場合と、カバー２１の代替物として絶縁体（ＢＮ）を用いた場合のホールスラスタの試験結果を示すグラフであり、（ａ）は推力の比較結果、（ｂ）は放電電流の比較結果を示す。何れのグラフにおいても横軸は放電電圧、即ち、環状チャネル１１を介した陰極１５と陽極１４との間の電位差を示す。なお、放電電流とは、陽極１４‐陰極１５間の電流である。試験時の放電電圧は何れの場合も１５０Ｖ、３００Ｖ、４５０Ｖに設定した。

何れのグラフにおいても、カバー２１を用いた場合の測定結果は丸（○）で示し、絶縁体を用いた場合の測定結果を四角（□）で示す。また、図４（ａ）のグラフにおける縦軸は、カバー２１を用いた場合で放電電圧が４５０Ｖの時の推力を基準として規格化している。一方、図４（ｂ）のグラフにおける縦軸は、カバー２１を用いた場合で放電電圧が１５０Ｖの時の放電電流を基準として規格化している。

図４（ａ）に示す結果から理解されるように、何れの放電電圧においても推力に変化は見られない。しかしながら、図４（ｂ）に示す結果は、カバー２１を用いた場合は、絶縁体（ＢＮ）を用いた場合に比べて、放電電流が３％ほど低いことを示している。つまり、一定の推力が得られる条件下では、カバー２１を用いた場合が絶縁体（ＢＮ）を用いた場合に比べて、所望の推力を得るための消費電力が小さいことが判る。これは、少なくともカバー２１を用いることで、
ホールスラスタ１０の構成部材との不要な衝突が抑制され、推進ガスの電離に寄与する電子の割合が増加したことによるものと推測される。

軌道制御や姿勢制御に必要なエネルギーは、最終的には推力と時間の力積で決まるため、この力積を満たすにはホールスラスタを長時間稼働させる必要がある。本実施形態によれば、絶縁体をカバーとして用いた場合よりも稼働時の消費電力を低減することができ、軌道制御や姿勢制御を長期に亘って遂行することができる。即ち、ホールスラスタの推進効率を向上させることができる。

図５は、本実施形態に係る電気系統の変形例を示す図である。この図に示すように、本変形例では、磁気回路１７とカバー２１との間にバイアス電源（以下、電源）３５が接続される。つまり、カバー２１は、磁気回路１７に対して電気的に絶縁された状態で、その電位は電源３５によって調整される。なお、これ以外の構成については上述の実施形態と同一であるため、説明を省略する。

電源３５の正極は磁気回路１７に接続し、電源３５の負極はカバー２１に接続する。つまり、電源３５は、磁気回路１７に対して負電位となる電圧（バイアス電圧）をカバー２１に印加する。上述の通り、カバー２１が電気的に浮遊している状態において、プラズマが発生している間は、カバー２１の電位がホールスラスタ１０のコモンや磁気回路１７に対して負となる。電源３５は、カバー２１の電位を負に維持したまま、その絶対値を小さくする電圧をカバー２１に印加する。換言すれば、電源３５は、極性を変えることなく磁気回路１７とカバー２１の電位差を小さくする。

プラズマはホールスラスタ１０のコモンや磁気回路１７に対して正の電位となる空間に分布する。これに対して、カバー２１の電位は、コモンや磁気回路１７に対して負となる。また、カバー２１はプラズマに近接している。従って、カバー２１はプラズマ中の大量のイオンに叩かれることで（所謂スパッタリングによって）損耗しやすい。この損耗はホールスラスタ１０の寿命に多大な影響を与えてしまう。

本変形例に係る電源３５はこの損耗を低減させる。即ち、電源３５は、磁気回路１７とカバー２１の電位差を小さくする。例えば、浮遊した状態のカバー２１の電位が、磁気回路１７に対して−３０Ｖであったとき、電源３５はこの電位を−１５Ｖに設定する。これにより、イオンの衝突エネルギーを減少させ、カバー２１の損耗を低減させることができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１０…ホールスラスタ、１１…環状チャネル、１１ａ…閉鎖端、１１ｂ…開口端、１２…内周壁、１２ａ…端部、１３…外周壁、１３ａ…端部、１４…陽極、１５…陰極、１６…供給路、１７…磁気回路、１８…外部磁極、１８ａ…端面、１９…内部磁極、１９ａ…端面、２０…ヨーク、２１…カバー、２１ａ…環状部、２１ｂ…円状部、２２、２３…絶縁部材、３１…陰極回路、３２…加速回路、３３、３４…励磁回路、３５…バイアス電源、４１…外部コイル、４２…内部コイル、Ｂ…機体、Ｄａ…直径、Ｄｂ…外径、Ｚ…軸

Claims

同心の内周壁及び外周壁によって画成され、閉鎖端と開口端とを含む環状チャネルと、
前記環状チャネルの前記閉鎖端に位置する陽極と、
前記環状チャネルに電子を供給する陰極と、
前記環状チャネルの前記閉鎖端に連通する推進ガスの供給路と、
前記外周壁よりも径方向外方に配置された外部磁極、前記内周壁よりも径方向内方に配置された内部磁極、および前記環状チャネルの前記閉鎖端側で前記外部磁極と前記内部磁極との間を磁気的に結合するヨークにより形成された磁気回路と、
前記環状チャネルの前記開口端側に位置する前記外部磁極と前記内部磁極の各端面を覆い、且つ、前記磁気回路に対して電気的に絶縁されている導電性のカバーと、
前記磁気回路に対して負電位となる電圧を前記カバーに印加する電源と
を備える、
ホールスラスタ。
前記カバーの素材は黒鉛を含む、
請求項１に記載のホールスラスタ。
前記カバーと前記内部磁極の前記端面との間、及び、前記カバーと前記外部磁極の前記端面との間に設けられる絶縁部材を更に備える、
請求項１又は２に記載のホールスラスタ。