JP6986272B2 - 内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システム - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、Ｎｅｕｍａｎｎ Ｓｐａｃｅ Ｐｔｙ Ｌｔｄの名義で２０１５年９月１５日に出願された「Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｗｉｒｅ−ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ ｐｕｌｓｅｄ ｃａｔｈｏｄｉｃ ａｒｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ」と題する豪州特許仮出願第２０１５９０３７４８号に関連するものであり、参照によりその全内容が十分に記載されたかのように本明細書に組み込まれる。

本開示は、パルスカソードアーク推進システムに関する。特に、本発明は、カソードを構成する材料で取り囲まれた絶縁ワイヤ又はピンによりアークがトリガされる、宇宙機に用いるのに適したパルスカソードアーク推進システムに関する。

宇宙機は、宇宙で動作するように設計されるマシン又は船である。このような宇宙機は、ロケット、スペースシャトル、衛星、及び宇宙ステーションを含むがこれらに限定されない。宇宙機は、通信、ナビゲーション、科学的研究及び探査、気象学などを含む様々な目的で用いられる。宇宙は、ほぼ真空環境であり、宇宙機を動作させる、維持する、及び燃料供給する際の難しさを呈する。これらの難しさは、関係する遠い距離、並びに、これらの動作を行うための結果的なコスト及びタイミングによって増幅される。

軌道ステーションの保持のために用いられるエンジン及び長期宇宙飛行エンジンは、電気及びプラズマに基づく推進システムを用いて実装されている。これらの推進システムは、高い比推力を有し、制御可能であり、技術的に成熟しており、したがって、信頼性がある。さらに、電気及びプラズマに基づく推進システムは、好適な送達可能な重量分率を有し、これは宇宙機の意図された目的地点に送達することができる宇宙機の初期重量の比率である。

ロケット推進型宇宙船は、推進剤を高速で吐出し、結果的に不平衡力に起因する運動量の交換をもたらすことにより加速を生み出す。推進システムによって発生する推力は、推進剤放出に起因する排気速度と宇宙機の重量の瞬間変化量との積である。推力は、宇宙機にかかる外力と考えることができる。

大きいペイロードの送達を必要とする宇宙ミッションは、非常に大量の推進剤を用いなければならず、又は推進システムが多段でなければならず、又は推進システムの排気速度が必要とされる速度変化と同じ又はそれを上回るオーダーでなければならない。惑星間ミッションは、通常、数十キロメートル／秒の速度変化を必要とするため、その結果として、このようなミッションで採用されるどの推進機の排気速度も、この必要とされる速度変化に見合うものでなければならず、長期にわたる動作のために十分に頑健でなければならない。このような状況では、電気推進技術が、高い推進剤排気速度とより少ない機械部品に起因して化学燃料ロケットより好ましいと考えられている。

化学推進システムに対し、電気推進システムで生じる１つの問題は、電源を有する必要があることである。化学推進機は、燃料の化学結合の内部の運動量変化をもたらすのに必要とされるエネルギーを搬送するが、電気推進システムは、システムに供給されるエネルギーの源を有する必要がある。推進に用いられるどの電源も重量及び体積を追加するので、電気推進システムをできる限りエネルギー効率の良いものにする必要がある。

ジェットパワーと消費したパワーとの比を求めることで、ワーキングロケットでのエネルギー効率を簡単に求めることが可能であり、飛行定格システムはおよそ５０乃至８０％のエネルギー効率値を達成する。この比は、排気の運動エネルギーと利用可能なエネルギー（化学推進機における）又は入力パワー（電気推進システムに関する）との比であるため、「推力効率」とも呼ばれる。

気体燃料型電気推進技術のすべては、同じ設計課題、すなわち、推進剤タンク及び配管からの追加重量、並びに、バルブ及び圧力調整器に固有の機械故障モードに悩まされる。

気体燃料を用いる既存の推進機システムのすべてに欠点が存在する。圧力タンク、配管、バルブ、及び圧力調整器システムは、ペイロードにあてることができた重量を宇宙機に追加するだけでなく、製造課題及び故障モードも導入する。これらの欠点は、信頼できる効率的な固体燃料型電磁推進機が提供されれば、克服する又は実質的に改善することができるであろう。

パルスプラズマ推進機（ＰＰＴ）は、固体燃料を使用し、信頼性があるが、プラズマパルスの合間の推進剤供給原料の蒸発に伴う問題を有する。ＰＰＴは、放電蓄電器を用いて推進剤シリンダの面にわたってアーク放電シートを生み出すことにより、ある割合の推進剤供給原料をアブレーション及びイオン化させる。生み出されるプラズマは、アークの電界及びそれ自体の自己誘導磁場に応答して、該プラズマが放電チャンバ又はノズルの下方へ加速することになり、結果的に適度な推力を生み出す。推進剤供給原料は、一般に、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ（「ＤｕＰｏｎｔ」）によってＴｅｆｌｏｎとして販売されているポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの固体材料のロッドである。ＰＰＴによって用いられる推進剤は、通常、ほとんどの金属に比べて低い融点を有する。アーク発生中に生じた熱は、アークパルスの合間の推進剤の蒸発を引き起こし、これはごく小さな推力が発生している状態で燃料を消費する。その結果、ＰＰＴは、他の技術と比べたときにはるかにより低いシステム効率、並びにより低い全推力を有する。

したがって、宇宙機に用いるのに適した改良された推進システムを提供する必要がある。

本開示は、宇宙機に用いるのに適した内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムに関する。

第１の態様では、本開示は、推進システムであって、
固体導体又は半導体カソードと、
前記カソードに対する電位差を有するアノードであって、前記電位差は前記アノードと前記カソードとの間に電界を生み出す、アノードと、
前記カソードの上面上の地点からのアーク放電をパルス状にトリガするように適合された絶縁トリガであって、前記トリガ及びカソードが実質的に真空中にあるときに、アークがトリガされる地点が前記カソードの上面上に位置するように前記トリガがカソード内に拘束されている、絶縁トリガと、
を備える、推進システムを提供する。

第２の態様では、本開示は、前述の推進システムを備える宇宙機推進システムを提供する。

第３の態様では、本開示は、前述の宇宙機推進システムを備える宇宙機を提供する。

別の態様によれば、本開示は、前述の方法の何れか１つを実施するための装置を提供する。

別の態様によれば、本開示は、前述の方法の何れか１つを実施するためのコンピュータプログラムをそこに記録しているコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品を提供する。

本開示の他の態様も提供される。

ここで本開示の１つ以上の実施形態が添付図を参照しながら具体例として説明される。

内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムの略図である。 内部ワイヤトリガ型カソードアーク推進システムに関するカソードスポット移動及びカソード消耗プロファイルを例示する。 内部ワイヤトリガ型カソードアーク推進システムに関するカソードスポット移動及びカソード消耗プロファイルを例示する。 外部エッジトリガ型カソードアーク推進システムに関するカソードスポット移動及びカソード消耗プロファイルを例示する。 外部エッジトリガ型カソードアーク推進システムに関するカソードスポット移動及びカソード消耗プロファイルを例示する。 図１の内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムを具現する推進システムの略図である。 図４ａの推進システムの代替的な構成である。 鋸歯形電流プロファイルを例示する図である。 方形電流プロファイルを例示する図である。 図１の内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムを用いるプラズマ発生の概略的な側面図である。 図１の内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムを用いるプラズマ発生の概略的な側面図である。 図１の内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムを用いるプラズマ発生の概略的な側面図である。 図１の内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムを用いるプラズマ発生の概略的な側面図である。 磁化されたノズル及びカソード送り機構を有する内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムの略図である。 推進機ポッド内に配列された複数の推進機を有する宇宙機の略図である。 多数の推進機を有する宇宙機の略図である。 蓄電器のサブバンクの組を示す回路図を例示する。 図１の内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムの代替的な構成の略図である。 カソード送り機構、トリガ送り機構、及びトリガ絶縁体送り機構を有する、図７の内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムの略図である。

同じ参照番号を有する添付図における方法ステップ又は特徴は、逆の意図が表現又は示されない限り、同じ機能又は動作を有すると考えられる。

本開示は、宇宙機及び関連する用途に用いるのに適したパルスカソードアーク（ＰＣＡ）推進システムを提供する。このような使用は、例えば、宇宙機を加速するための推進機としての用途を含んでもよい。ＰＣＡシステムは、アーク放電を用いてプラズマを発生させ、プラズマは、回路を完成させるべく部分的に電界ラインに沿って流れる。プラズマは、イオン、電子、及び中性蒸気からなる。ＰＣＡシステムは、宇宙などの真空又はほぼ真空の環境で動作し、２０μｓ乃至５００μｓの範囲内の非常に短い持続時間のパルスを用いる。

本開示のＰＣＡ推進システムは、固体カソードの形態の導体又は半導体固体燃料を用いる。トリガは、トリガピン又はワイヤとカソードの上面との間の絶縁障壁にわたって短い持続時間の高電流表面フラッシオーバを印加する。フラッシオーバは、プラズマの生成につながるカソードスポットをカソードの上面上に発生させる。プラズマの生成は、カソードとアノードとの間の電位差により維持され、カソードスポットは、カソードの上面にわたって移動し、イオン化した材料を、カソード表面に垂直に向けられる細い円錐形に高速で放出する。

固体燃料の使用は、気体燃料型電気推進技術の欠点である、タンク、パイプ、バルブ、又はレギュレータの必要性をなくす。ＰＣＡ推進システムの実施形態は、適切な導体又は半導体材料から作製された固体カソードを用いる。適切な材料は、特定の用途に依存することになるが、例えば、マグネシウム、チタン、アルミニウム、カルシウム、炭素、バナジウム、モリブデン、タングステン、タンタル、スズ、ビスマス、クロム、鉄、ニッケル、及びこれらの合金又は複合材を含んでもよい。アークのトリガ及び電流の流れを可能にするそれらの導電性又は半導電性の性質に加えて、このようなカソード材料は、通常、ＰＴＦＥよりもはるかに高い融点を有し、プラズマパルスの合間の推進剤供給原料の蒸発などのＰＰＴが呈する効率問題を克服する。

トリガ方法は、レーザ、機械的、及び電気的トリガ方法を含む。レーザトリガは、少量のカソード材料をアブレーション及びイオン化させることにより、アークを持続させるのに必要とされる電流を搬送することができる導電路をカソードとアノードとの間に生み出す。レーザトリガ方法の利点は、カソード表面上に位置する任意の地点でアークを開始するのにレーザを用いることができることである。しかしながら、レーザ開口は、カソード表面への見通し線を有していなければならない。時間が経つにつれて、レーザ開口上にカソード材料の蒸着があることになり、最終的にはレーザ開口が不透明になる。したがって、開口を清掃するか、又はレーザビームをカソード表面上に反射させるべくミラーを用いることにより一部のレーザパワーを犠牲にする必要がある。

機械的トリガは、この目的のためにある長さの導電性材料を用いる。一構成では、機械的トリガは、アノードに接続されたワイヤを用い、ワイヤをカソードの表面に触れるように動かす。機械的トリガは、次いで、カソードの表面から引き出され、ワイヤの端とカソードの表面との間にアークを生成する。機械的方法は、カソードに触れるように動かされる鋭い導電要素を用いる。レーザトリガ方法と同様に、機械的トリガ方法は、カソードの表面上の任意の地点でアークをトリガすることができる。しかしながら、機械的トリガシステムは、可動機械部品の使用を必要とし、これは、時間が経つにつれて摩耗する及び／又は蒸着されたカソード材料で覆われることになり、システムの故障につながる。

電気的トリガは、トリガワイヤとカソードの面との間の絶縁障壁にわたる短い持続時間の高電流表面フラッシオーバを利用する。トリガワイヤ及び絶縁スペーサは、カソードの面上のどこにでも位置し得る。

電気的トリガ方法は、絶縁材の沿面に絶縁破壊条件を生み出すべく通常は数ミリメートルの距離にわたるキロボルトの範囲内の高電圧のパルスを用いる。これらのアークは、プラズマの生成につながる、カソードスポットの生成に必要な強い電界を生み出す。プラズマの生成は、カソードとアノードとの間の電位差によって維持される。カソードスポットは、カソード表面に沿って移動し、イオン化した材料を、カソード表面に垂直に向けられる円錐状に高速で放出する。電気的トリガ方法の利点は、可動部品がないことと、頑健性を含む。さらに、電気的トリガ方法は、トリガを駆動するのに用いられる電源によってのみ制限される繰返し率を有する。

内部ワイヤトリガ型電気的トリガシステムでは、トリガは、絶縁チューブに包まれたタングステン又は一部の他の耐火金属で作製されたワイヤを用いて実装されてもよく、前記チューブは、アルミナ、窒化ホウ素、ＰＴＦＥ、又は強化ガラスなどの容認できる温度及び真空安定性の非導電性材料で作製され、トリガワイヤの一端は、トリガワイヤ及び絶縁チューブがカソードの大部分内に収容されるように、カソードの上面よりも上に局所的に突き出るが、通常は必ずしもカソードの中央ではない。対照的に、エッジトリガシステムは、環状（リング形）トリガを使用し、これは、該環状のトリガから円筒形又は管形のカソードを分離する環状の絶縁体を取り囲む又は環状の絶縁体からオフセットされる。ピン、ワイヤ、又はリングの何れかであるトリガ要素は、迅速に帯電し、トリガとカソードとの間の絶縁体の表面にわたる破壊を引き起こすのに十分に強い電界が生み出される。高密度の電気アークは、これらの破壊路をカソードへ下り、局所的なプラズマを発生させる。プラズマ発生部位は、「カソードスポット」として知られ、内部ワイヤトリガ型アークにおけるカソードスポットは、カソードの上面を自由に横断する。プラズマは、カソード表面上の高電流放電を開始し、これは短時間にわたって数十乃至数千アンペアの範囲の電流を送達することができる低インピーダンス電源によって駆動される。トリガパルスは、カソードからアノードへの低インピーダンス経路を生み出すことによってアークを点火するのに必要とされる「スイッチ」を閉じるためにだけ存在するので、トリガパルスは、通常は、ほんの数マイクロ秒の長さの低電流である。

図１は、真空中で動作するときにプラズマ放電を発生させるように適合された内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システム１００の略図である。システム１００は、アノード１１０及びカソード１３０を含む。カソード１３０は、カソードマウント１２０により定位置に保持される。カソード１３０は、マグネシウム、チタン、アルミニウム、カルシウム、炭素、バナジウム、モリブデン、タングステン、タンタル、スズ、ビスマス、クロム、又はこれらの合金又は複合材から作製された固体カソードである。この例では、固体カソード１３０は、マグネシウムから作製され、トリガピン／ワイヤは、円筒形のアノードと同軸であり、アークが「中央でトリガされる」ようにカソードの外面の中央に位置する短く突き出る長さを有する。

システム１００はまた、カソードスポットを発生させ、したがって、プラズマ放電の発生につながるように、カソード１３０の上面上でアークをトリガするためのトリガを含む。電気的トリガ方法は、絶縁材の沿面に絶縁破壊条件を生み出すべく通常は数ミリメートルの距離にわたるキロボルトの範囲内の高電圧のパルスを用いる。この例では、トリガは、カソード１３０の中央に通して配置された細長いトリガピン１５０を有する電気的中央トリガである。トリガ絶縁体１４０は、トリガピン１５０とカソード１３０との間に配置される。

動作時に、およそ５０Ｖ乃至５００Ｖの範囲内の充電電圧が、アノード１１０とカソード１３０との間に印加され、それらの間に電界を確立する。高電圧トリガ信号が、トリガピン１５０に印加され、トリガ絶縁体１４０の沿面に絶縁破壊条件を生み出し、カソード１３０の上面上にカソードスポットを発生させる。トリガ信号は、およそ１ｋＶ乃至２０ｋＶのキロボルト範囲内にある。一例では、トリガ信号は１．２ｋＶである。

カソードスポットから放出された材料が高密度プラズマを形成する。プラズマアークが動作している間、およそ３０Ｖ乃至１００Ｖの「動作」又は「点火」電圧がアノード１１０とカソード１３０との間に維持される。図１の内部ワイヤトリガ型システム１００では、カソードスポットは、樹枝状パターンに従ってトリガ部位から半径方向外方に移動する、すなわち、その分岐が中央位置又は幹から放射状に延びるので木の枝に似ている分岐を有するセミランダムな運動又は動きをする。この半径方向の動きは、逆行性のＪｘＢモーションの現象から生じる斥力によって駆動される。

カソードスポットの斥力は、２つの平行な電流の期待される引力とは反対である。同様の斥力効果がエッジトリガ型システムで観測されるが、カソードスポットがカソードの縁上に生み出されるので、スポットは、カソードの縁の周りを移動し、時折中央の方に動く。スポットの動きは巨視的には滑らかに現れるが、これは以前のスポットによって生み出されたクレータの縁で個々のスポットが消失し、新しいスポットが点火することの結果である。したがって、動きは不連続性及びジャンプを経験する。図２ａ及び図２ｂは、中央に位置するトリガワイヤを有する内部ワイヤトリガ型カソードアーク推進システムに関するカソードスポット移動及びカソード消耗プロファイルを例示する。図２ｂは、トリガピン２１０及びカソードの表面上の消耗した材料２２０を示す。図３ａ及び図３ｂは、エッジトリガ型カソードアーク推進システムに関するカソードスポット移動及びカソード消耗プロファイルを例示する。図３ｂは、カソードの表面から消耗された消耗した材料３２０を示す。

プラズマプルームが局所的にカソード表面に垂直に向けられるので、消耗プロファイルができる限り平坦であることを保証することにより推力が最適化される。内部ワイヤトリガ型システムは、各パルス発生中のスポットの半径方向位置の関数としてのアーク電流の大きさを調整することにより消耗される区域の傾きを調節することができるという利点を有する。カソードスポットの逆行性の動きにより、エッジトリガ型システムにおけるカソードスポットがカソードの縁から優先的に材料を消耗し、望ましくない凸形消耗プロファイルにつながり、これはシステムの縦軸に平行なプラズマ輸送の減少、したがって、長期使用後の推力の損失につながる。内部ワイヤトリガ型カソードアークの使用中に生み出される摩耗パターンは、未消耗のカソード表面に比べて結果的により低下した効率を生じるが、凹形消耗は、結果的に凸形消耗プロファイルよりも小さい性能低下をもたらし、これは適切なパルス整形によって軽減することができる。

図１１は、図１の内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムの代替的な構成１１００の略図である。図１１の構成１１００は、環状カソードスポット抑制体（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｓｐｏｔ Ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ：ＣＳＩ）の形態の絶縁体１１５０を含む。ＣＳＩリング１１５０は、カソードスポットのサイドアーク発生又はカソード１３０からカソードマウント１２０自体上への移動を止め又は抑制し、したがって、システムの効率及び寿命を増加させるように作用する。一構成では、ＣＳＩ１１５０は、アルミナ、強化ガラス、窒化ホウ素、又は他の適切な材料などの真空及び熱に安定なセラミックで作製される。一構成では、ＣＳＩリング１１５０は、ボルト、ねじ付きロッドなどの適切なファスナを用いて定位置に固定される。

図４ａは、図１の内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システム１００を具現する推進システム４００の略図である。推進システム４００は、アノード１１０に接続されたアノード電圧プローブ４３５を含む。アノード電圧プローブ４３５と並列に接続されるのは、アノード１１０に供給される電流を測定するためのアノード電流ロゴスキーコイル４３０である。推進システム４００はまた、カソードマウント１２０に接続されたカソード電圧プローブ４１５と、カソード１３０に供給される電流を測定するように構成されたカソード電流ロゴスキーコイル４０５を含む。電圧プローブ４３５、４１５及びロゴスキーコイル４３０、４０５は、プラズマパラメータを測定するのに用いられる。

システム４００は、図４ａの例では定格およそ１２００Ｖの高電圧トリガ供給部４２５をさらに含む。高電圧トリガ供給部４２５は、トリガスイッチ４２８を介してトリガピン１５０に結合される。トリガスイッチ４２８を閉じることは、前述のようにトリガ絶縁体１４０の沿面に絶縁破壊条件を生み出すべくトリガピン１５０に高電圧トリガ信号を印加する作用を有する。図４ａの例では、トリガ信号は、およそ１．２ｋＶである。システム４００は、０〜４５０Ｖの範囲内の定格２１ｍＦのメイン蓄電器バンク４２０をさらに含む。メイン蓄電器バンク４２０は、１ミリ秒未満の時間にわたって、その蓄積したエネルギーをカソード１３０を通じて放散することができ、したがって、カソードスポットをアクティブ化するのに必要とされる高いパワーを供給する。

アークがトリガされると、アークは、カソード１３０とアノード１１０との間に低インピーダンス短絡を生じ、これを通じてメイン蓄電器バンク４２０が放電する。これは、トリガ回路が、メイン蓄電器バンク４２０のスイッチとして作用することを意味し、電流が、カソード１３０を通り、次いで、プラズマを通ってアノード１１０に、その後、アースされる前に接地された壁に流れることを可能にする。トリガ回路自体は、コンピュータプログラムを用いて制御されてよい。

蓄電器の種々の構成は、方形プロファイル又は鋸歯形プロファイルの何れかを有するパルスとして電流をカソードに供給することができる。カソード１３０の消耗プロファイルは電流プロファイルに応じて異なる。メイン蓄電器バンク４２０は、普通は鋸歯形パルスを送達する。図４ａの例では、方形パルスを送達するべく電流プロファイルを変化させるために、カソードの近くに設置された高速立ち上がり「スピードアップ」蓄電器のバンク４１０を、スイッチ４４０を介して回路に接続することができる。図４ａの例では、スピードアップ蓄電器のバンク４１０は、電源の全静電容量に１．５ｍＦを追加供給する。

図４ｂは、図４ａの推進システム４００の代替的な構成の例示である。図４ｂの例では、推進システム４００は、磁気ノズル４９０及び関連する磁気コイル電源４９５を含む。磁気ノズル４９０は、推進システム４００の開口部に印加される磁場を変化させることによってカソード１３０から放出されたプラズマプルーム４６５を誘導するのに用いることができる。

図４ｂの推進システム４００では、トリガスイッチ４２８がトリガ制御システム４７０に置き換わっている。トリガ制御システム４７０は、例えば、１つ以上のスイッチ及びこれらのスイッチの作動を制御するための関連するコントローラを用いることによって実装されてもよい。一構成では、トリガ制御システム４７０は、プロセッサ、メモリ、及びメモリに記憶され、プロセッサ上で実行されるように適合されたコンピュータプログラムを含み、実行されるときに、プログラムは、スイッチの開閉状態をユーザが選択できるようにするインターフェースをユーザに提供し、これにより、高電圧トリガ供給部４２５からトリガピン１５０への高電圧トリガ信号の印加を制御する。

図４ｂの推進システム４００は、パルス制御及び終了システム４８０をさらに含み、これは、所定のパルス持続時間を保証するべくパルスの終了時にメイン蓄電器バンク４２０の接地を制御する。一構成では、パルス制御及び終了システム４８０は、プロセッサ、メモリ、及びメモリに記憶され、プロセッサ上で実行されるように適合されたコンピュータプログラムを含み、実行されるときに、プログラムは、メイン蓄電器バンク４２０の接地を制御する。

図５ａは、メイン蓄電器バンク４２０によって送達される鋸歯形電流プロファイルの例示であり、図５ｂは、高速立ち上がりスピードアップ蓄電器のバンク４１０と直列のメイン蓄電器バンク４２０によって送達される方形電流プロファイルの例示である。

カソード１３０を通る電流とアノード１１０に集まった電流との差が、推力を生成するのに利用可能なプラズマの尺度である。これらの２つの電流間の差は、真の放出電流（Ｎｅｔ Ｅｊｅｃｔｅｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ：ＮＥＣ）と呼ばれ、これは、プラズマがアノード１１０の口からどれくらい流れ出るかの尺度である。

高いＮＥＣは、大量のプラズマ材料が逃げている、したがって推力を発生させていることを示す。逆に、低いＮＥＣは、プラズマ材料のほとんどがアノードに直行しており、アノードに当たっており、したがって、小さい真の力を発生させていることを示す。パルスの持続時間にわたるＮＥＣの積分が、真の放出電荷（Ｎｅｔ Ｅｊｅｃｔｅｄ Ｃｈａｒｇｅ：ＮＥＱ）を決める。ＮＥＱは、ＰＣＡ推進機によって送達されるインパルスと強く相関し、この場合、インパルスは、ＰＣＡ推進機が取り付けられる宇宙機が経験する運動量の全変化の尺度である。

アークが開始された後で、カソードスポットは、カソードスポット間の斥力に起因してカソード１３０の上面の縁に移動することになる。カソードスポットがカソードの面の縁に達するときにアークが止まらない場合、カソードスポットは、カソード１３０の側面上に移動することになる。次いで、プラズマがカソード側部に垂直に投射されることになるので、プラズマは、アノードの口を出るのではなく、アノード１１０の壁へまっすぐ移動することになる。この現象は、「サイドアーク発生」と呼ばれ、結果的に効率のより大きい損失を生じることがある。

図６ａ乃至図６ｄは、図１の内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムを用いるプラズマ発生の概略的な側面図である。特に、図６ａ乃至図６ｄは、トリガからサイドアーク発生までのカソードスポットの移動及びアークの発生を例示する。図６ａは、トリガピン１５０の上端におよそ１２００Ｖの高電圧を印加することによりアーク６０５がトリガされている時点での図１のシステム１００を例示する。トリガピン１５０とカソード１３０との間にフラッシオーバを発生させるべく高電圧がパルス状に印加される。カソード１３０とアノード１１０との間に５０〜４００Ｖの範囲内の電位差が存在する。

アークがトリガされ、カソード１３０とアノード１１０との間の電子の流れが持続された後で、図６ｂに示すようにトリガ１５０の位置の近くでカソードスポット６１０の生成が起こる。これらのスポットは、図６ｃに示すように、アークプラズマ６１５を形成するべく、それらがカソード材料を消耗する際に互いに反発し外方へ強制される。図６ｄは、サイドアーク発生６２５を例示する。電源を適切な時点で接地することによりアークが停止されない場合、カソードスポットは、互いに外方へ押し続けることになり、カソードスポットがカソード１３０の上面の縁を乗り越え、カソード１３０の側面から直接アノード１１０へ材料の消耗を始める。図６ｄは側面図であり、すべてのカソードスポットはカソードの上面の縁の近くに位置し、ほんのいくつかが側面に移動してサイドアーク発生を開始しており、トリガ位置の近位にプラズマを生成するように見えるスポットは、見る人から離れてページの中に入るように移動していることに留意されたい。

宇宙機において具現されるあらゆるＰＣＡ推進機は、あらゆる軌道変更操作を行うべく数時間にわたって動作すること、及び、軌道ステーションの保持又は軌道修正操作の場合に数日から数か月の休止期間後に動作を開始できることを必要とする。これは、幾千ものパルスが確実にトリガされる状態で、アークが長期間にわたって確実に動作できることを必要とする。

アークが点火する際に、アークはカソードの表面から材料を消耗し、カソードの表面を徐々に摩耗させ、トリガピンとカソードとの間の距離が大きすぎる場合にアークをトリガする難しさにつながる。一構成では、内部ワイヤトリガ型パルスカソード推進システムは、最適なカソード点火を保証するべく消耗するカソードを前進させるための送り機構を含む。このような送り機構は、トリガピンとカソードとの間の距離が大きすぎないことを保証するべくカソードを周期的に前進させる。

一実装では、送り機構は、カソードが消耗する際にカソードをトリガに対して前進させるべく付勢されるばねを含む。別の実装では、送り機構は、カソードをトリガに対して前進させるべく機械的アクチュエータを含む。このような機械的アクチュエータは、例えばウォーム駆動部を含んでもよく、ウォーム駆動部は、カソードのウォームスクリュ形成部に係合するように適合されたウォームホイールを含む。モータは、ウォームホイールを駆動し、これは次に、カソードを所望の方向に前進させるべくウォームスクリュに係合する。ウォームスクリュは、カソードと一体であってよく、又はカソードの外面に取り付けられてもよい。

内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムの一構成は、トリガ絶縁体１４０及びトリガピン１５０を前進させるためのトリガ送り機構を含む。使用時間にわたって、トリガ絶縁体１４０及びトリガピン１５０の摩耗速度は、カソード１３０の摩耗速度とは異なる可能性がある。トリガ絶縁体１４０及びトリガピン１５０はまた、カソードスポットから放出されたイオンによってスパッタリングされてもよい。図１２は、トリガ送り機構１２１０及びトリガ絶縁体送り機構１２２０の追加を伴う、図７の内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システムの略図である。トリガ送り機構１２１０及びトリガ絶縁体送り機構１２２０は、最適な動作を保証するべくトリガ絶縁体１４０及びトリガピン１５０を前進させる又は引き出すのに用いることができる。カソードに関連して前述した送り機構と同様に、トリガ送り機構１２１０及びトリガ絶縁体送り機構１２２０のそれぞれは、付勢されるばね、ウォームギヤ構成などの機械的アクチュエータ、又は他の適切な機構を用いて実装されてもよい。

カソードから放電されたプラズマから最大の推力を導出するために、プラズマを誘導することが有利である。プラズマは、プラズマ空間分布が円錐形であり、ほぼ余弦波の角分布を有する状態で、各カソードスポットからカソード表面に垂直に円錐状に広がる。すなわち、プラズマは、より少量が垂直方向からさらに角度をなして放出されている状態で、主としてカソード表面の平面に垂直に放出される。一構成は、プラズマを合焦させるべく磁場を印加し、ゆえに、より高い割合のプラズマプルームが垂直に誘導され、したがって、推力を強化する。

１つの実装は、プラズマプルームを誘導するべく永久磁石を用いる。別の実装は、プラズマプルームを誘導するべく磁場を発生させるのに放電電流を用いる。この実装では、カソード電流又はアノード電流の何れか、又はカソード電流とアノード電流との両方が、カソード面の下流に位置するフィールドコイルを通って流れる。別の実装は、フィールドコイルに電流を送達するべく別個の蓄電器バンクなどの専用電源を有する。すべての実装は、最小限の電力消費で又は付加的な電力消費なしに、重量の小さな増分で、改善された推力を提供する。

図７は、磁化されたノズル７６０及びカソード送り機構を備える内部ワイヤトリガ型パルスカソードアーク推進システム７００の略図である。この磁気ノズルは、燃料と充電の組み合わせの特定の必要性に応じて、ノズルからの磁場ラインが収束する、平行化する、又は発散するように、カソード前面の前に、周りに、又は後に配置されてよい。推進システム７００は、カソードマウント７２０に取り付けられたカソード７３０と、アノード７１０を含む。カソード７３０とアノード７１０との間に電位差が印加される。

推進システム７００はまた、トリガピン及び関連する絶縁体を含む、中央に位置する電気的トリガシステム７５０を含む。図４ａ及び図４ｂ並びに図６ａ乃至図６ｄを参照して説明したように、トリガに印加される高電圧が、カソード７３０の上面上のアーク放電を引き起こす。結果として生じるプラズマプルーム７７０は、概して円錐形に形状設定され、カソード７３０の上面に垂直に放出される。磁化されたノズル７６０は、永久磁石などの１つ以上の磁石又は磁気コイルを用いて実装される。磁化されたノズル７６０をアノード１１０の口に配置することにより、推進システム７００の推力を改善するべくプラズマプルーム７７０が誘導される。

カソード送り機構は、カソード前進モータ７４５によって駆動されるウォームギヤ７４０を用いて実装される。この構成では、ウォームギヤ７４０は、カソード７３０の外面のウォームねじ切り部と係合するように適合される。ウォームギヤ７４０は、カソードマウント７２０にねじを切ることによって実装されてもよく、カソード７３０上のねじとカソードマウント７２０上のねじは、互いに係合するように同形である。モータは、カソード７３０の上面の消耗又は期待される消耗に基づいてカソード７３０を所定の速度で前進させるべく制御システムに結合される。カソード７３０の実際の寸法は、充電電圧、持続時間、及び用いられる材料の特定の組み合わせに依存することになる。一構成では、マグネシウムから作製される、長期宇宙ミッションに適するカソードは、少なくとも５００ｍｍの長さであり、１０ｍｍ乃至１００ｍｍの範囲内の直径を有する。

本開示の内部ワイヤトリガ型パルスカソード推進システムに関係するさらなる利点は、プラズマ排気プルームの真の負電荷に関する。したがって、パルスアークは、ホール効果推進機又はグリッド型イオン推進機に必要とされるような電荷中和システムを必要としない。

さらなる構成は、カソードの表面にわたってカソードスポットを操縦するべくステアリングデバイスを含む。このようなステアリングデバイスは、例えば、より多くの蓄電器を適切な時点で放電に切り換えることによって実装されてもよく、これは、アーク動作の消耗過程でカソード表面上に残ったリッジ上への消耗した材料の蒸着を最小にする。ステアリング機構の別の実装は、磁気ノズルを用いることの副次的作用として、印加された磁場がカソードスポットを逆行性のＪｘＢ作用に起因する螺旋パターンで動かすことであり得る。

図１０は、図４ａのメイン蓄電器バンク４２０に対応するメイン蓄電器バンクＣ_ｍと並列の蓄電器のサブバンクＣ_１，…，Ｃ_ｎの組に電力を供給する蓄電器充電電源１０５０を示すサンプル回路図１０００を例示する。メイン蓄電器バンクＣ_ｍは、インダクタＬ_ｍ及びスイッチＳ_ｍと直列である。蓄電器のサブバンクＣ_１，…，Ｃ_ｎのそれぞれは、インダクタＬ_１及びスイッチＳ_１と直列の蓄電器Ｃ_１などからインダクタＬ_ｎ及びスイッチＳ_ｎと直列の蓄電器Ｃ_ｎまで同様の構成に配列される。回路１０００の各並列アームは、一方向の電流が回路１０００を通って流れることを保証するべくダイオードを含む。

図１０の例では、蓄電器のサブバンクＣ_１，…，Ｃ_ｎのそれぞれは、メイン蓄電器バンクＣ_ｍと同じ電圧に充電される。スイッチＳ_ｍは、図４ｂのトリガスイッチ４６０に対応する。トリガスイッチが閉じられることに対応する、スイッチＳ_ｍが閉じられるときに、メイン蓄電器バンクＣ_ｍは、プラズマアークにパワーを与えるべくインダクタＬ_ｍを通してカソード１３０へ電流を放電する。数十乃至数百マイクロ秒などの短い所定の時間後に、スイッチＳ_１が閉じられ、電流がサブバンク蓄電器Ｃ_１からインダクタＬ_１を通ってカソード１３０に流れることが可能となる。インダクタＬ_１は、サブバンクＣ_１の立ち上がり時間が十分に小さいことを保証するために存在する。アノード１３０への電流の流れの増加は、カソード１３０の表面上に形成するカソードスポットの数を増加させる。カソードスポットの数の増加は、カソード１３０の上面上により少ない表面リッジが形成されることを保証する。

さらに所定の時間後に、スイッチＳ_２が閉じられ、電流がサブバンク蓄電器Ｃ_２からインダクタＬ_２を通ってカソード１３０に流れることが可能となる。このプロセスは、スイッチＳ_３，…，Ｓ_ｎのそれぞれに関して順次繰り返される。一構成では、図４ｂのパルス制御及び終了システム４８０は、スイッチＳ_１，…，Ｓ_ｎの動作を制御する。

図８は、推進機ポッド８２０に配列された複数の推進機を有する宇宙機８００の略図である。図８の例では、宇宙機８００は、本体部８１０、ソーラーパネルアレイ８１５、及び推進機ポッド８２０を有する衛星である。この例では、推進機ポッド８２０は７つの推進機を含み、各推進機は、本明細書で説明されるタイプのＰＣＡ推進システムを用いる。各推進機は、カソード−アノードＰＣＡ推進システム８２５及び磁気ノズル８３０を含む。磁気ノズル８３０は、それぞれの推進機から放出されたプラズマプルームの方向を制御するのに用いることができる。推進機ポッド８２０における推進機の数及びこれらの推進機の構成は、宇宙機のサイズを含む特定の用途に依存することになることが理解されるであろう。

推進機ポッド８２０は、軌道ステーションの保持のために用いられ、衛星８００を割り当てられた軌道に配置する又は維持するべく推進機が燃焼する際に推進機ポッド８２０における推進機のうちの１つ以上が作動される。このような推進機の燃焼は、例えば、地球、太陽、及び月からの重力及び大気抵抗を補償するのに用いられてもよい。

図９は、多数のＰＣＡ推進システム推進機を有する宇宙機９００の略図である。図９の例では、宇宙機９００は、主本体部９１０及びソーラーパネルアレイ９１５を有する通信衛星９００である。衛星９００はまた、衛星９００の本体９１０の両端で長手方向に相対する第１推進機９２０及び第２推進機９２５を含む。第１推進機９２０及び第２推進機９２５は、北／南方向の衛星９００のステーション保持のために用いられる。衛星９００はまた、本体９１０の中央部を中心として横方向に相対する第３推進機９３０及び第４推進機（図示せず）を含む。第３推進機９３０及び第４推進機は、東／西方向の衛星９００のステーション保持のために用いられる。

説明した構成は宇宙産業に利用可能である。

上記は、本発明のほんのいくつかの実施形態を説明し、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくこれに修正及び／又は変化を加えることができ、実施形態は例示であって限定するものではない。

本明細書の文脈において、「備える」という言葉及びその関連する文法上の構成は、「必ずしもそれだけではないが主として含む」又は「有する」又は「含む」を意味し、「〜のみからなる」を意味しない。「備え」及び「備えている」などの「備える」という言葉の変形は、対応して変化した意味を有する。

他に規定されない限り、本明細書の全体を通して用いられる場合の、共通の又は関連した物体を説明するための「第１の」、「第２の」、「第３の」、「第４の」などの順序を示す形容詞の使用は、これらの共通の又は関連した物体の異なる事例を言及していることを示し、そのように説明された物体が、一時的に、空間的に、順位において、又はあらゆる他の様態において、所与の順番又は順序で提供又は配置されなければならないことを表すことを意図していない。

本発明は具体例を参照して説明されているが、本発明は多くの他の形態で具現され得ることが当業者には分かるであろう。

Claims (27)

1. 宇宙機における使用のためのパルスカソードアーク推進システムであって、前記パルスカソードアーク推進システムは、
   導電性又は半導電性である固体カソードと、
   前記固体カソードに対する電位差を有するアノードであって、前記電位差は、前記アノードと前記固体カソードとの間に電界を生み出す、アノードと、
   トリガピン、及び前記トリガピンと前記固体カソードとの間の絶縁体を備える絶縁された電気的トリガであって、前記絶縁された電気的トリガは、前記絶縁された電気的トリガ及び前記固体カソードが真空又はほぼ真空の宇宙環境の中にあるときに、前記固体カソードの外面上の地点からのアーク放電をトリガするように適合され、前記絶縁された電気的トリガは、前記アーク放電がトリガされる地点が前記固体カソードの外面上に位置するように前記固体カソード内に拘束されており、前記アノード及び前記固体カソードは、前記アーク放電が前記宇宙機を推進するように配列されている、絶縁トリガと、
   を備え、
   前記絶縁された電気的トリガは、前記真空又は前記ほぼ真空宇宙環境の中で動作し、前記固体カソードと前記アノードとの間に５０Ｖ乃至５００Ｖの範囲内の充電電圧を印加してトリガパルスを生成し、前記トリガピンと前記固体カソードの外面との間に前記絶縁体にわたって高電流表面フラッシオーバを生み出してプラズマを生み出すように構成された高電圧トリガ電源を備え、前記高電圧トリガ電源は、前記トリガパルスの後の２０μｓ乃至５００μｓの第２の持続時間の間に前記固体カソードと前記アノードとの間に３０Ｖと１００Ｖとの間の点火電圧を印加することにより、前記プラズマの生成を維持するようにさらに構成されている、パルスカソードアーク推進システム。
2. 前記固体カソードが、マグネシウム、チタン、炭素、アルミニウム、カルシウム、炭素、バナジウム、モリブデン、タングステン、タンタル、スズ、ビスマス、ニッケル、鉄及びクロムからなる群から選択される、請求項１に記載のパルスカソードアーク推進システム。
3. 前記固体カソードが、マグネシウム、チタン、炭素、アルミニウム、カルシウム、炭素、バナジウム、モリブデン、タングステン、タンタル、スズ、ビスマス、ニッケル、鉄及びクロムからなる群のうちの少なくとも１つを備える合金又は複合材である、請求項１に記載のパルスカソードアーク推進システム。
4. 前記絶縁された電気的トリガが、前記固体カソードの外面上のトリガ地点で前記固体カソードから突き出るワイヤであり、さらに、前記絶縁された電気的トリガが前記固体カソードの内部にある、請求項１乃至３の何れか一項に記載のパルスカソードアーク推進システム。
5. 前記絶縁された電気的トリガが、前記固体カソードの外面上のトリガ地点に位置し、前記トリガ地点が前記外面の周辺部内にある、請求項１乃至４の何れか一項に記載のパルスカソードアーク推進システム。
6. 前記トリガ地点が、前記固体カソードの外面の中央に又はそこに隣接して位置する、請求項５に記載のパルスカソードアーク推進システム。
7. 前記トリガ地点が、前記固体カソードの中央に開けられた穴の上又はその近位に位置し、前記絶縁された電気的トリガの少なくとも一部が前記中央に開けられた穴の中に位置する、請求項６に記載のパルスカソードアーク推進システム。
8. 前記トリガ地点が、前記固体カソードの外面の中央から前記固体カソードの外面の周縁までの距離の２分の１未満のところに位置する、請求項５に記載のパルスカソードアーク推進システム。
9. 前記トリガ地点が、前記固体カソードの外面の中央から前記固体カソードの外面の周縁までの距離の４分の１未満のところに位置する、請求項８に記載のパルスカソードアーク推進システム。
10. 前記高電圧トリガ電源が１ｋＶ乃至２０ｋＶの範囲内にある、請求項１乃至９の何れか一項に記載のパルスカソードアーク推進システム。
11. 前記高電圧トリガ電源が１．２ｋＶである、請求項１０に記載のパルスカソードアーク推進システム。
12. 前記トリガピンが耐火金属を備える、請求項１乃至１１の何れか一項に記載のパルスカソードアーク推進システム。
13. 前記耐火金属がタングステンである、請求項１２に記載のパルスカソードアーク推進システム。
14. 前記プラズマが、前記固体カソードの外面に垂直にプラズマプルームを形成する、請求項１乃至１３の何れか一項に記載のパルスカソードアーク推進システム。
15. 前記絶縁された電気的トリガに対する前記固体カソードの移動を制御する送り機構
    をさらに備える、請求項１乃至１４の何れか一項に記載のパルスカソードアーク推進システム。
16. 前記送り機構がウォーム駆動部を含み、前記ウォーム駆動部は、前記固体カソードのウォームスクリュ形成部に係合するように適合されたウォームホイールを含み、前記ウォームホイールはモータによって駆動される、請求項１５に記載のパルスカソードアーク推進システム。
17. 前記送り機構が、前記固体カソードが前記アーク放電で摩耗する際に、前記固体カソードを前記絶縁された電気的トリガに対して前進させるべく付勢されるばねを含む、請求項１５に記載のパルスカソードアーク推進システム。
18. 前記プラズマプルームを誘導するための磁気ノズル
    をさらに備える、請求項１４に記載のパルスカソードアーク推進システム。
19. 前記磁気ノズルが少なくとも１つの永久磁石を含む、請求項１８に記載のパルスカソードアーク推進システム。
20. 前記アーク放電が前記固体カソードの外面上でトリガされる地点を操縦するように適合された磁気ガイド
    をさらに備える、請求項１乃至１９の何れか一項に記載のパルスカソードアーク推進システム。
21. 前記磁気ガイドが、磁気コイル及び永久磁石のうちの少なくとも１つを含む、請求項２０に記載のパルスカソードアーク推進システム。
22. トリガの後に前記プラズマの生成を維持するように前記固体カソードを通じて蓄積されたエネルギーを放散するように構成されたメイン蓄電器バンクをさらに備える、請求項１乃至２１の何れか一項に記載のパルスカソードアーク推進システム。
23. 前記絶縁された電気的トリガが、トリガの後に所定の期間前記トリガパルスを終了させるように前記メイン蓄電器バンクの接地を制御するパルス制御及び終了システムをさらに備える、請求項２２に記載のパルスカソードアーク推進システム。
24. 前記パルス制御及び終了システムが、前記固体カソードの消耗プロファイルを制御するべく前記アーク放電の電流の大きさを変化させるようにパルス整形を用いる、請求項２３に記載のパルスカソードアーク推進システム。
25. 前記固体カソードの表面にわたってカソードスポットを操縦するステアリングデバイスであって、前記ステアリングデバイスは、インダクタ及びスイッチと直列のメイン蓄電器バンクを備え、前記メイン蓄電器バンクは蓄電器のサブバンクの組と並列にあり、前記蓄電器のサブバンクの組の各蓄電器はそれぞれのインダクタ及びそれぞれのスイッチと直列にあり、前記パルス制御及び終了システムは各スイッチの動作を制御する、ステアリングデバイス
    をさらに備える、請求項２４に記載のパルスカソードアーク推進システム。
26. 請求項１乃至２５の何れか一項に記載のパルスカソードアーク推進システムを備える宇宙機推進システム。
27. 請求項２６に記載の宇宙機推進システムを備える宇宙機であって、前記宇宙機が、ロケット、スペースシャトル、衛星、及び宇宙ステーションからなる群から選択される、宇宙機。

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