JPH03141871A - Ion thruster and its control method - Google Patents

Ion thruster and its control method

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JPH03141871A
JPH03141871A JP27868789A JP27868789A JPH03141871A JP H03141871 A JPH03141871 A JP H03141871A JP 27868789 A JP27868789 A JP 27868789A JP 27868789 A JP27868789 A JP 27868789A JP H03141871 A JPH03141871 A JP H03141871A
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propellant
propellant gas
ion thruster
discharge
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北村 正治
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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03HPRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0006Details applicable to different types of plasma thrusters
    • F03H1/0012Means for supplying the propellant

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Abstract

PURPOSE:To use different sorts of propellants selectively by furnishing a propellant gas introduce system, which sets the rate of gas flow in accordance with the sort of propellant gas to be introduced to a discharge vessel. CONSTITUTION:In the case that Ar gas is used as propellant, a pressure reducing valve 11c of a gas container 10c solely opened, while the other pressure reducing valves are left closed, and Ar gas supply is carried out. Therein the rate of flow in each flow adjuster 12a-12c shall be approx. 1.8 times as large as when Xe gas is used, and the discharge voltage of a discharge power supply 22 belonging to the power supply system be approx. 2.2 times as large as when Xe gas is used. Thereby the ion current density of electric dissociated plasma in the discharge space becomes approx. 1.8 times as large as when Xe gas is used. As a result, the beam current of a beam power supply 23 and the acceleration current of an accelerating power supply 24 becomes approx. 1.8 times as large as when Xe gas is used.

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、地球周回軌道、静止軌道、これらの間を往復
する軌道、惑星間軌道等を航行する宇宙船、宇宙プラッ
トホーム等の宇宙構造物の推進または軌道制御に使用さ
れるイオンスラスタおよびその制御方法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to spacecrafts and space platforms that navigate in Earth orbit, geostationary orbit, orbits that shuttle between these orbits, interplanetary orbits, etc. The present invention relates to an ion thruster used for propulsion or orbit control of space structures such as, and its control method.

(従来の技術) 上記のような宇宙構造物の軌道制御、推進の目的のため
、イオンスラスタを使用することが従来から試みられて
きた。このイオンスラスタは、推進剤ガスを電離プラズ
マに生成し、この推進剤イオンを電気的に加速して推力
を得るものである。
(Prior Art) Conventionally, attempts have been made to use ion thrusters for the purpose of orbit control and propulsion of space structures such as those described above. This ion thruster generates propellant gas into ionized plasma and electrically accelerates the propellant ions to obtain thrust.

従来のイオンスラスタは、たとえば第5図に示すように
構成されている。図中の3は放電容器であって、この放
電容器3の開口部にはスクリーングリッド4と加速グリ
ッド5とから構成される加速電極が設けられている。ま
た、この放電容器3内には推進剤ガスの一部がガス絶縁
器1aおよびホローカソード2を介して導入され、また
残りの推進剤ガスはガス絶縁器1bを介して直接この放
電容器内に導入されるように構成されている。このホロ
ーカソード2を介して導入される推進剤ガスは、このホ
ローカソードを通過する際に放電によって電離プラズマ
に形成される。この電離プラズマから引き出された電子
は、アノード電位にバイアスされている放電容器によっ
て加速され、ガス絶縁器1bを介して放電容器内に導入
された推進剤ガスと衝突し、この放電容器3内に電離プ
ラズマを生成する。この電離された推進剤のイオンは上
記の加速電極4.5によって加速されて運動エネルギを
与えられて放出され、推力を発生する。
A conventional ion thruster is configured as shown in FIG. 5, for example. 3 in the figure is a discharge vessel, and an acceleration electrode composed of a screen grid 4 and an acceleration grid 5 is provided at the opening of the discharge vessel 3. A part of the propellant gas is introduced into the discharge vessel 3 via the gas insulator 1a and the hollow cathode 2, and the remaining propellant gas is directly introduced into the discharge vessel via the gas insulator 1b. configured to be installed. The propellant gas introduced through this hollow cathode 2 is formed into an ionized plasma by electric discharge as it passes through this hollow cathode. The electrons extracted from this ionized plasma are accelerated by the discharge vessel biased to the anode potential, collide with the propellant gas introduced into the discharge vessel via the gas insulator 1b, and enter the discharge vessel 3. Generates ionized plasma. The ionized propellant ions are accelerated by the acceleration electrode 4.5, given kinetic energy, and emitted to generate thrust.

この放出されるプラズマを中和するため、この放電容器
の近傍には中和器6が設けられ、放出されるイオンを中
和する。また、この放電容器の内面には磁石(図示せず
)が設けられ、カスプ磁場を形成して電離プラズマを封
じ込め、この放電容器3の壁面からの損失を防止してい
る。
In order to neutralize the emitted plasma, a neutralizer 6 is provided near the discharge vessel to neutralize the emitted ions. A magnet (not shown) is provided on the inner surface of the discharge vessel to form a cusp magnetic field to confine ionized plasma and prevent loss from the wall of the discharge vessel 3.

また、図中の10は推進剤ガス導入系のガスボンベであ
って、このガスボンベ10から供給された推進剤ガスは
減圧弁11によって圧力を調整された後、各流量調整器
12a,12b,12cを介してそれぞれ上記のホロー
カソード2、ガス絶縁器1b,および中和器6に供給さ
れるように構成されている。また、図示はされていない
が、このホローカソード2、放電容器3、加速電極4。
10 in the figure is a gas cylinder for the propellant gas introduction system, and the propellant gas supplied from this gas cylinder 10 has its pressure adjusted by a pressure reducing valve 11, and then passes through each flow rate regulator 12a, 12b, 12c. The gas is configured to be supplied to the hollow cathode 2, gas insulator 1b, and neutralizer 6, respectively, through the gas insulator 1b. Also, although not shown, the hollow cathode 2, the discharge vessel 3, and the accelerating electrode 4.

5、中和器6等に電力を供給する電源系が設けられてい
る。また、上記の減圧弁11、流量調整弁等は制御器1
3によって制御され、この制御器13は宇宙構造物の本
体または地上のステーション等からの指令によって作動
する。
5. A power supply system is provided for supplying power to the neutralizer 6 and the like. In addition, the above-mentioned pressure reducing valve 11, flow rate adjustment valve, etc. are controlled by the controller 1.
3, and this controller 13 is operated by a command from the main body of the space structure or a station on the ground.

ところで、最近では、このようなイオンスラスタを、た
とえば地球周回軌道上の宇宙ステーションと静止軌道上
の静止プラットホームの間を往復する軌道間輸送機の推
進エンジンや、静止プラットホームの軌道制御に使用す
ることが検討されている。このような用途に使用する場
合には、大推力を必要とし、このイオンスラスタの推力
を大きくするとともに、多数のイオンスラスタをクラス
タ化して使用する必要が生じる。このような場合には、
当然推進剤の消費量も大きくなる。ところで、現在のイ
オンスラスタは、推進剤としてXeガスが使用されてい
る。このXeガスは原子番号が大きく、効率が高いとと
もに、不活性ガスであるのでイオン化された場合でもイ
オンスラスタの各機器を損傷することがなく、このよう
なイオンスラスタの推進剤としては優れている。しかし
、このXeガスは資源的に乏しく、また高価であるため
、上記のように大量に使用する場合には資源、コストの
上で不利である。
By the way, recently, such ion thrusters have been used, for example, as propulsion engines for interorbital transport vehicles that shuttle between a space station in Earth orbit and a stationary platform in geostationary orbit, and for orbit control of a stationary platform. is being considered. When used for such purposes, a large thrust is required, and it is necessary to increase the thrust of this ion thruster and to use a large number of ion thrusters in a cluster. In such a case,
Naturally, the amount of propellant consumed will also increase. By the way, current ion thrusters use Xe gas as a propellant. This Xe gas has a large atomic number and high efficiency, and since it is an inert gas, it will not damage the equipment of the ion thruster even if it is ionized, making it an excellent propellant for such ion thrusters. . However, since this Xe gas is a scarce resource and is expensive, it is disadvantageous in terms of resources and cost when used in large quantities as described above.

このXeガスの他には、推進剤ガスとしてAr。In addition to this Xe gas, Ar is used as a propellant gas.

Krガス等の不活性ガスを使用することが考えられる。It is possible to use an inert gas such as Kr gas.

しかし、これらのガスは原子番号がXeガスより小さい
ため、効率が低下する不具合がある。
However, since these gases have a smaller atomic number than Xe gas, there is a problem that the efficiency decreases.

また、将来は宇宙空間において半導体製造工場等が稼働
することが予想されるが、このような場合にはこの宇宙
工場から大量の酸素ガスが排出されるので、この酸素ガ
スを推進剤として利用できれば資源、コストの上で大変
有利である。しかし、この酸素ガスのプラズマは化学的
な活性が高いので、イオンスラスタの各機器を損傷する
という不具合を生じる。
In addition, it is expected that semiconductor manufacturing factories will operate in outer space in the future, and in such a case, a large amount of oxygen gas will be emitted from the space factory.If this oxygen gas could be used as a propellant, It is very advantageous in terms of resources and costs. However, since this oxygen gas plasma is highly chemically active, it causes problems in that it damages various components of the ion thruster.

このため、上記のような問題を克服し、将来のイオンス
ラスタの大推力化に対応してXeガス以外の物質、でき
れば酸素ガスを推進剤として利用することが要望されて
いる。
Therefore, it is desired to overcome the above-mentioned problems and to use a substance other than Xe gas, preferably oxygen gas, as a propellant in order to cope with the increase in thrust of ion thrusters in the future.

(発明が解決しようとする課題) 本発明は以上の事情に基づいてなされたもので、本発明
の第1の目的は、推進剤としてXeガス以外のものを使
用できるようにするとともに、Xeガス以外の物質を推
進剤として使用した場合の効率の低下を考慮して推進シ
ステム全体としてできるだけ効率的に運用できるような
イオンスラスタを提供することにある。また、本発明の
第2の目的は、推進剤として酸素ガスを使用した場合に
予想される機器の損傷を防止することができるイオンス
ラスタを提供するものである。また、本発明の第3の目
的は、このようなイオンスラスタを効率的に制御する方
法を提供するものである。
(Problems to be Solved by the Invention) The present invention has been made based on the above circumstances, and a first object of the present invention is to enable the use of something other than Xe gas as a propellant, and to It is an object of the present invention to provide an ion thruster that allows the propulsion system as a whole to be operated as efficiently as possible, taking into account the reduction in efficiency when a substance other than the above is used as a propellant. A second object of the present invention is to provide an ion thruster that can prevent damage to equipment that would be expected when oxygen gas is used as a propellant. A third object of the present invention is to provide a method for efficiently controlling such an ion thruster.

[発明の構成] (課題を解決するための手段つ 上記の第1の目的を達成するために、本発明のイオンス
ラスタの推進剤ガス供給系は、複数種類のガスを選択的
に導入できるように構成され、また電源系は、導入する
推進剤ガスの種類に対応して供給する電力を変化させ、
どの種類のガスを導入した場合でも推力が一定となるよ
うに構成し、また導入されるガスの種類が変更された場
合でもイオンスラスタの構造、たとえば加速電極の間隔
等を変更する必要を無くしたものである。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above-mentioned first object, the propellant gas supply system of the ion thruster of the present invention is capable of selectively introducing a plurality of types of gases. The power supply system changes the power supplied according to the type of propellant gas introduced.
It is configured so that the thrust is constant no matter what type of gas is introduced, and there is no need to change the structure of the ion thruster, such as the spacing between accelerating electrodes, even if the type of gas introduced is changed. It is something.

また、第2の目的を達成するために、本発明のイオンス
ラスタは推進剤ガスとして酸素を導入する場合に、ホロ
ーカソードからは不活性ガスを導入し、酸素ガスはこの
ホローカソードを介さずに直接放電容器内に導入し、上
記のホローカソードの放電によって電離された不活性ガ
スのプラズマから引き出された電子を放電容器のバイア
ス電位によって加速してこの酸素ガスに衝突させ、この
酸素ガスをプラズマ化するものである。これによって、
この酸素ガスのプラズマがこのホローカソードその他の
機器に直接接触することがなく、化学的に活性の高い酸
素プラズマによって機器が損傷するのを防止するもので
ある。
In addition, in order to achieve the second objective, when introducing oxygen as a propellant gas, the ion thruster of the present invention introduces an inert gas from the hollow cathode, and the oxygen gas does not pass through the hollow cathode. The electrons are directly introduced into the discharge vessel and extracted from the inert gas plasma ionized by the discharge of the hollow cathode, and are accelerated by the bias potential of the discharge vessel and collided with this oxygen gas. It is something that becomes. by this,
This oxygen gas plasma does not come into direct contact with the hollow cathode or other equipment, thereby preventing damage to the equipment due to the highly chemically active oxygen plasma.

また、第3の目的を達成するために、本発明のイオンス
ラスタはこれが搭載される宇宙構造物から供給される電
力に余裕の無い場合には原子番号の大きいガスを推進剤
として利用するとともに、電力に余裕のある場合には原
子番号の小さいガスを推進剤として利用するように制御
される。これによって、このイオンスラスタから構成さ
れる推進システム全体を最大限効率的に運用することが
できる。
In addition, in order to achieve the third objective, the ion thruster of the present invention uses a gas with a high atomic number as a propellant when there is insufficient power supplied from the space structure on which it is mounted, and If there is sufficient power, gases with lower atomic numbers are controlled to be used as propellants. This allows the entire propulsion system made up of this ion thruster to be operated as efficiently as possible.

(実施例) 以下、図を参照して本発明の詳細な説明する。(Example) Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図ないし第3図には本発明の第1の実施例を示す。1 to 3 show a first embodiment of the present invention.

この第1の実施例は、複数種類の不活性ガスを推進剤ガ
スとして使用する場合のものである。
This first embodiment is a case where a plurality of types of inert gases are used as propellant gases.

まず、第3図を参照してこのイオンスラスタの本体部分
の構造を説明する。図中の3はこのイオンスラスタの放
電容器であって、この放電容器は前面が開口した半球状
をなしている。そして、この放電容器3の奥部にはホロ
ーカソード2が設けられている。このホローカソード2
には、この放電容器3と他の機器とを電気的に絶縁する
ためのガス絶縁器1aを介して後述する推進剤ガス導入
系から推進剤ガスが供給され、この推進剤ガスはこのホ
ローカソード2内を通ってこの放電容器3内に導入され
る。このホローカソード2には後述する電源系から電力
が供給され、このホローカソード2内を通って導入され
る推進剤ガスをカソードとキーパとの間の放電によって
電離プラズマに形成するように構成されている。
First, the structure of the main body of this ion thruster will be explained with reference to FIG. 3 in the figure is a discharge vessel of this ion thruster, and this discharge vessel has a hemispherical shape with an open front. A hollow cathode 2 is provided in the inner part of the discharge vessel 3. This hollow cathode 2
A propellant gas is supplied to the hollow cathode from a propellant gas introduction system, which will be described later, via a gas insulator 1a for electrically insulating the discharge vessel 3 and other equipment. 2 and is introduced into this discharge vessel 3. Electric power is supplied to this hollow cathode 2 from a power supply system to be described later, and the propellant gas introduced through the hollow cathode 2 is configured to be formed into ionized plasma by electric discharge between the cathode and the keeper. There is.

また、この放電容器3の内面には、環状のガス拡散器9
が設けられている。このガス拡散器9は中空の通路状を
なし、その壁面には多数のノズル孔9aが形成されてい
る。そして、このガス拡散器9は、ガス絶縁器1bを介
して後述する推進剤ガス導入系に接続されている。そし
て、この推進剤ガス導入系から供給されたガスは、この
ガス拡散器9のノズル孔9aからこの放電容器3内に導
入、拡散される。また、この放電容器3はアノード電位
にバイアスされており、上記のホローカソード2から導
入された推進剤ガスの電離プラズマから放出された電子
を加速し、このガス拡散器9から導入された推進剤ガス
に衝突させ、このガスを電離プラズマに形成して推進剤
ガスのイオンを生成するように構成されている。
Furthermore, an annular gas diffuser 9 is provided on the inner surface of the discharge vessel 3.
is provided. This gas diffuser 9 has a hollow passage shape, and a large number of nozzle holes 9a are formed in its wall surface. This gas diffuser 9 is connected to a propellant gas introduction system, which will be described later, via a gas insulator 1b. The gas supplied from the propellant gas introduction system is introduced into the discharge vessel 3 through the nozzle hole 9a of the gas diffuser 9 and diffused therein. Further, this discharge vessel 3 is biased to an anode potential, and accelerates electrons emitted from the ionized plasma of the propellant gas introduced from the hollow cathode 2, and accelerates the propellant introduced from the gas diffuser 9. The propellant gas is configured to collide with a gas and form the gas into an ionized plasma to generate propellant gas ions.

また、この放電容器3の開口には、加速電極が設けられ
ている。この加速電極はスクリーングリッド4と加速グ
リッド5から構成されている。これらのグリッド4,5
は薄い金属板に多数の電極孔を形成したもので、互いに
小さい間隙をもって配置されている。そして、この加速
電極には後述する電源系から電力が供給され、上記のス
クリーングリッド4は正の電位、加速グリッド5は負の
電位にバイアスされている。そして、上記の放電容器3
内で生成された推進剤ガスのイオンは、このスクリーン
グリッド4および加速グリッド5の電極孔を通過する際
にこれらのグリッドの間の電位差によって加速され、運
動エネルギを与えられて放出され、推力を発生するよう
に構成されている。
Furthermore, an accelerating electrode is provided at the opening of the discharge vessel 3. This accelerating electrode is composed of a screen grid 4 and an accelerating grid 5. These grids 4,5
This is a thin metal plate with a large number of electrode holes, which are arranged with small gaps between them. Electric power is supplied to this acceleration electrode from a power supply system to be described later, and the screen grid 4 is biased to a positive potential, and the acceleration grid 5 is biased to a negative potential. And the above discharge vessel 3
When the propellant gas ions generated in the screen grid 4 and the acceleration grid 5 pass through the electrode holes, they are accelerated by the potential difference between these grids, are given kinetic energy, and are emitted, producing thrust. is configured to occur.

なお、上記の放電容器3の内面には複数の環状の磁石7
が設けられ、これらの磁石によってカスブ磁場が形成さ
れ、生成された電磁プラズマを封じ込め、このプラズマ
が放電容器3の壁に接触するのを防止し、この壁からの
損失を防止するように構成されている。
Note that a plurality of annular magnets 7 are provided on the inner surface of the discharge vessel 3.
are provided, and these magnets form a cusp magnetic field, which confines the generated electromagnetic plasma, prevents this plasma from coming into contact with the wall of the discharge vessel 3, and is configured to prevent losses from this wall. ing.

また、この放電容器3の開口の近傍には中和器6が設け
られ、この中和器からは電子が放出され、放電容器の開
口から放出されるイオンを中和する。
Further, a neutralizer 6 is provided near the opening of the discharge vessel 3, and electrons are emitted from the neutralizer to neutralize ions emitted from the opening of the discharge vessel.

また、これら放電容器3や中和器6等の機器はスラスタ
ケース8内に収容されている。
Further, these devices such as the discharge vessel 3 and the neutralizer 6 are housed in the thruster case 8.

次に、第1図を参照してこのイオンスラスタの推進剤ガ
ス導入系の構成を説明する。この推進剤ガス導入系には
3個の推進剤ガスのボンベ10a。
Next, the configuration of the propellant gas introduction system of this ion thruster will be explained with reference to FIG. This propellant gas introduction system includes three propellant gas cylinders 10a.

10b、10cが設けられている。そして、第1のボン
ベ10aにはXeガスが充填され、第2のボンベ10b
にはKrガスが充填され、また第3のボンベ10cには
Arガスが充填されている。
10b and 10c are provided. The first cylinder 10a is filled with Xe gas, and the second cylinder 10b is filled with Xe gas.
is filled with Kr gas, and the third cylinder 10c is filled with Ar gas.

これらのボンベ10a、10b、10cから供給された
ガスは、これらボンベにそれぞれ対応して設けられた切
替弁を兼用する減圧弁11a。
Gases supplied from these cylinders 10a, 10b, and 10c are supplied to pressure reducing valves 11a which also serve as switching valves provided corresponding to these cylinders.

11b、llcを介して共通の配管にまとめられ、この
後さらに分岐して流量調整器12a、  12b。
11b and llc into a common pipe, which is further branched to flow rate regulators 12a and 12b.

12cを介してそれぞれ前記のホローカソード2、ガス
拡散器9、中和器6に供給されるように構成されている
。これらの減圧弁11 g 、1 l b +11cお
よび流Jl調整器12a、12b、12cは、それぞれ
制御器13によって制御されるように構成され、この制
御器13はこのイオンスラスタが搭載されている宇宙構
造物の本体からの指令によって作動するように構成され
ている。
The gas is configured to be supplied to the hollow cathode 2, gas diffuser 9, and neutralizer 6, respectively, via the gas tube 12c. These pressure reducing valves 11g, 1lb+11c and flow Jl regulators 12a, 12b, 12c are configured to be controlled by a controller 13, respectively, and this controller 13 It is configured to operate according to commands from the main body of the structure.

そして、推進剤ガスとしてたとえばXeガスを使用する
ように指令された場合には、ボンベ10aに対応した減
圧弁11aのみが開弁され、他の減圧弁10b、10c
が閉弁され、このボンベ10aからXeガスが供給され
る。また、他のKrガスまたはA「ガスを使用するよう
に指令された場合も同様にして指令された種類のガスの
みを選択的に供給するように構成されている。
When a command is given to use, for example, Xe gas as the propellant gas, only the pressure reducing valve 11a corresponding to the cylinder 10a is opened, and the other pressure reducing valves 10b, 10c are opened.
is closed, and Xe gas is supplied from this cylinder 10a. Further, even when a command is given to use other Kr gas or A' gas, only the commanded type of gas is selectively supplied in the same manner.

また、第2図を参照してこのイオンスラスタの電源系の
構成を説明する。この電源系にはヒータ電源21が設け
られ、このヒータ電源21は前記のホローカソードの点
火用のヒータに電力を供給する。また、20はキーパ電
源であって、このキーパ電源20によってこのホローカ
ソード2内の放電を維持する。また、22は放電電源で
あって、この放電電源22から供給される電力によって
放電容器3内で主放電が行われる。また、上記の加速電
極のスクリーングリッド4にはビーム電源23が接続さ
れ、このビーム電源23によってこのスクリーングリッ
ドが所定の正電位にバイアスされる。さらに、加速グリ
ッド5は加速電源24によって所定の負電位にバイアス
されるように構成されている。さらに、前記の中和器6
は、中和器用ヒータ電源25によってその点火用ヒータ
が加熱され、またこの中和器6内の放電は中和器用キー
パ電源26から供給される電力によって維持されるよう
に構成されている。そして、これらの各電源は、制御器
13によって制御されるように構成されている。この制
御器13は、上述したように、供給するガスの種類を制
御するとともに、この供給するガスの種類に対応してそ
の流量を調整し、また上記の各電源の電圧や電流も制御
し、どのガスを推進剤として使用した場合であっても推
力が一定となるように制御するものである。なお、上記
のヒータ電源21、キーパ電源20および放電電源22
の負極側は、上記のビーム電源23の正極側に接続され
ているため、電気絶縁器27が設けられている。
Further, the configuration of the power supply system of this ion thruster will be explained with reference to FIG. This power supply system is provided with a heater power supply 21, and this heater power supply 21 supplies power to the heater for igniting the hollow cathode. Further, 20 is a keeper power supply, and the keeper power supply 20 maintains the discharge within the hollow cathode 2. Further, 22 is a discharge power source, and main discharge is performed within the discharge vessel 3 by power supplied from the discharge power source 22. A beam power source 23 is connected to the screen grid 4 of the accelerating electrode, and the beam power source 23 biases the screen grid to a predetermined positive potential. Further, the acceleration grid 5 is configured to be biased to a predetermined negative potential by the acceleration power supply 24. Furthermore, the neutralizer 6
The ignition heater is heated by the neutralizer heater power source 25, and the discharge inside the neutralizer 6 is maintained by the power supplied from the neutralizer keeper power source 26. Each of these power supplies is configured to be controlled by a controller 13. As described above, this controller 13 controls the type of gas to be supplied, adjusts the flow rate according to the type of gas to be supplied, and also controls the voltage and current of each power source, This controls the thrust so that it remains constant no matter what gas is used as the propellant. Note that the heater power supply 21, keeper power supply 20, and discharge power supply 22 described above
Since the negative electrode side of is connected to the positive electrode side of the beam power source 23, an electrical insulator 27 is provided.

次に、推進剤として使用するガスの種類を切り替えた場
合のこれら推進剤ガス導入系および電源系の作動を説明
する。まず、Xeガスを使用する場合には、ボンベ10
aの減圧弁11aのみを開弁し、他の減圧弁は閉弁する
。この場合のガスの流量や電源系の各電源から供給する
電力は従来と同様にこのXeガスに対応した最高の効率
を達成できるように設定されている。
Next, the operation of the propellant gas introduction system and power supply system when the type of gas used as the propellant is changed will be explained. First, when using Xe gas, use a cylinder of 10
Only the pressure reducing valve 11a of a is opened, and the other pressure reducing valves are closed. In this case, the gas flow rate and the electric power supplied from each power source of the power supply system are set so as to achieve the highest efficiency corresponding to this Xe gas, as in the conventional case.

次に、Krガスを使用する場合には、ボンベ10bの減
圧弁11bのみを開弁し、他の減圧弁を閉弁してこのに
「ガスを供給する。この場合、上記の各流量調整器12
a、12b、12cを調整し、これらのガス流量をXe
ガ、スの場合の約1.3倍程度とする。また、電源系の
放電電源22の放電電圧をXeガスの場合の約1.4倍
とする。これによって、放電容器内の電離プラズマのイ
オン電流密度はXeガスの場合の183倍程度となる。
Next, when using Kr gas, only the pressure reducing valve 11b of the cylinder 10b is opened, and the other pressure reducing valves are closed to supply the gas. 12
a, 12b, and 12c, and adjust these gas flow rates to
It should be about 1.3 times that of gas and gas. Further, the discharge voltage of the discharge power supply 22 of the power supply system is set to be approximately 1.4 times that in the case of Xe gas. As a result, the ion current density of the ionized plasma in the discharge vessel is approximately 183 times that of Xe gas.

このように放電容器内のイオン電流密度を約1.3倍と
することにより1、ビーム電源23のビーム電流と、加
速電源24の加速電流はそれぞれXeの場合の約1.3
倍となる。
By increasing the ion current density in the discharge vessel by approximately 1.3 times, the beam current of the beam power source 23 and the acceleration current of the acceleration power source 24 are each approximately 1.3 times that of Xe.
It will be doubled.

また、推進剤としてArガスを使用する場合には、ボン
ベ10cの減圧弁11Cのみを開弁し、他の減圧弁は閉
弁し、このArガスを供給する。
Further, when using Ar gas as a propellant, only the pressure reducing valve 11C of the cylinder 10c is opened, the other pressure reducing valves are closed, and this Ar gas is supplied.

そして、この場合には上記の各流量調整器12a。In this case, each of the above flow rate regulators 12a.

12b、12cの各流量をXeガスの場合の約1.8倍
とする。また電源系の放電電源22の放電電圧をXeガ
スの場合の約2.2倍とする。これによって放電空間内
の電離プラズマのイオン電流密度はXeガスの場合の1
.8倍程度となる。
Each flow rate of 12b and 12c is about 1.8 times that of Xe gas. Further, the discharge voltage of the discharge power supply 22 of the power supply system is set to be approximately 2.2 times that in the case of Xe gas. As a result, the ion current density of the ionized plasma in the discharge space is 1
.. It will be about 8 times as much.

これによって、ビーム電源23のビーム電流と、加速電
源24の加速電流はXeガスの場合の約11.8倍とな
る。
As a result, the beam current of the beam power source 23 and the acceleration current of the acceleration power source 24 are approximately 11.8 times as large as those in the case of Xe gas.

上記のように、推進剤ガスの種類に対応して流量や電流
等を調整することにより、どの種類のガスを使用した場
合でも推力を一定にすることができる。また、上記の場
合、KrガスまたはArガスを使用する際に、これらの
ガス流量およびイオン電流密度を、Xeの原子量とこれ
らKr、Arの原子量との比の平方根に対応して設定し
ているので、これらKr、Arの場合でもそのイオンの
流れの状態がXeの場合と略同様となる。したがって、
このイオンスラスタの各部の寸法等をガスの種類に対応
して変更する必要がなく、同一のイオンスラスタで異な
る種類のガスを推進剤として使用することができる。こ
の特徴は、推進剤ガスの種類に対応して加速電極の間隔
を変更することが不要である点で特に効果的である。す
なわち、効率を向上させるためには、加速電極のスクリ
ーングリッド4と加速グリッド5の電極孔を通過するイ
オンビームの発散角を小さくする必要があり、推進剤ガ
スの種類が変更されてそのイオンの流れの状態が変化し
た場合にはこれに対応してこれらスクリーングリッド4
と加速グリッド5の間の間隔を変更する必要がある。一
般にこれらスクリーングリッド4と加速グリッド5の間
の間隔は1mm程度の小さいものであるため、これらの
間の間隔を正確に機械的に変更するのは容易ではない。
As described above, by adjusting the flow rate, current, etc. in accordance with the type of propellant gas, the thrust can be made constant no matter what type of gas is used. Furthermore, in the above case, when using Kr gas or Ar gas, the gas flow rate and ion current density are set corresponding to the square root of the ratio of the atomic weight of Xe to the atomic weights of Kr and Ar. Therefore, in the case of Kr and Ar, the state of the ion flow is almost the same as in the case of Xe. therefore,
There is no need to change the dimensions of each part of the ion thruster depending on the type of gas, and different types of gases can be used as propellants in the same ion thruster. This feature is particularly effective in that it is not necessary to change the spacing of the accelerating electrodes depending on the type of propellant gas. That is, in order to improve efficiency, it is necessary to reduce the divergence angle of the ion beam passing through the screen grid 4 of the accelerating electrode and the electrode holes of the accelerating grid 5, and the type of propellant gas is changed to If the flow conditions change, these screen grids 4
It is necessary to change the spacing between the acceleration grid 5 and the acceleration grid 5. Generally, the spacing between the screen grid 4 and the acceleration grid 5 is as small as about 1 mm, so it is not easy to mechanically change the spacing between them accurately.

しかし、この実施例のものは、上記のようにイオンの流
れの状態がどの種類のガスの場合でも同様となるので、
これらスクリーングリッド4と加速グリッド5の間の間
隔を変更しなくてもすむ点できわめて有利である。
However, in this example, the state of ion flow is the same regardless of the type of gas, as described above.
This is extremely advantageous in that the spacing between the screen grid 4 and the acceleration grid 5 does not have to be changed.

また、本発明のイオンスラスタは、不活性ガスのみなら
ず、酸素ガスも推進剤として利用することができる。こ
の酸素ガスは、将来建設が予想される宇宙半導体工場等
から副産物として排出されるものであるため、この酸素
ガスを推進剤として利用できることはコストの面できわ
めて有利である。ただし、この酸素ガスのイオンは、化
学的に活性が高いので、このイオンスラスタの各部の機
器を損傷することがあり、この点に関して考慮する必要
がある。
Furthermore, the ion thruster of the present invention can utilize not only inert gas but also oxygen gas as a propellant. This oxygen gas will be emitted as a by-product from space semiconductor factories that are expected to be built in the future, so being able to use this oxygen gas as a propellant is extremely advantageous in terms of cost. However, since the ions of this oxygen gas are highly chemically active, they may damage various parts of the ion thruster, so this point needs to be taken into account.

第4図には、酸素ガスを推進剤として使用する第2の実
施例のイオンスラスタの推進剤ガス導入系を示す。この
推進剤ガス導入系には、酸素ガスボンベ10dと不活性
ガスボンベ10eとが設けられ、酸素ガスボンベ10d
には酸素ガスが充填され、また不活性ガスボンベ10e
にはAr。
FIG. 4 shows a propellant gas introduction system for an ion thruster according to a second embodiment that uses oxygen gas as a propellant. This propellant gas introduction system is provided with an oxygen gas cylinder 10d and an inert gas cylinder 10e.
is filled with oxygen gas, and an inert gas cylinder 10e
Ar.

Kr、Xe等の不活性ガスが充填されている。そして、
不活性ガスボンベ10eから供給されたガスは、減圧弁
11e1流量調整器12a、12cを介してホローカソ
ード2および中和器6に供給されるように構成されてい
る。また、酸素ガスボンベ10dから供給された酸素ガ
スは、ガス拡散器9を介して放電容器3内に直接導入さ
れるように構成されている。なお、この実施例は上記の
点以外は前記の実施例と同様の構成である。また、この
第4図には酸素ガスの導入系統およびこれに関連した系
統のみを示しであるが、酸素ガス以外の不活性ガスを推
進剤として選択的に使用する場合には前記の実施例と同
様の推進剤ガス導入系統が付加されることはもちろんで
ある。
It is filled with an inert gas such as Kr or Xe. and,
The gas supplied from the inert gas cylinder 10e is configured to be supplied to the hollow cathode 2 and the neutralizer 6 via the pressure reducing valve 11e1 and the flow rate regulators 12a and 12c. Further, the oxygen gas supplied from the oxygen gas cylinder 10d is configured to be directly introduced into the discharge vessel 3 via the gas diffuser 9. Note that this embodiment has the same configuration as the previous embodiment except for the above points. In addition, although only the oxygen gas introduction system and related systems are shown in FIG. 4, if an inert gas other than oxygen gas is selectively used as a propellant, the above-mentioned embodiment may be used. Of course, a similar propellant gas introduction system is also added.

この実施例のものは、ホローカソード2で不活性ガスの
電離プラズマが生成され、このプラズマから引き出され
た電子が放電容器のバイアス電位によって加速されて酸
素ガスに衝突し、この酸素ガスの電離プラズマを生成し
、酸素のイオンを生成する。このホローカソード2内の
圧力は、約1tOrrであり、これに対して放電容器3
内の圧力はlXl0−’torr、宇宙空間の圧力は5
XIQ−6torr程度であり、酸素イオンがこのホロ
ーカソード2内に逆流することはなく、このホローカソ
ードは不活性ガスのイオンのみが接触する。従って、こ
のホローカソードが酸素イオンによって損傷することは
ない。
In this embodiment, an ionized plasma of an inert gas is generated in the hollow cathode 2, and electrons extracted from this plasma are accelerated by the bias potential of the discharge vessel and collide with oxygen gas, resulting in an ionized plasma of the oxygen gas. and generate oxygen ions. The pressure inside the hollow cathode 2 is approximately 1 tOrr, whereas the pressure inside the discharge vessel 3 is approximately 1 tOrr.
The pressure inside is lXl0-'torr, and the pressure in space is 5
The pressure is approximately XIQ-6 torr, and oxygen ions do not flow back into the hollow cathode 2, and only inert gas ions come into contact with the hollow cathode. Therefore, this hollow cathode will not be damaged by oxygen ions.

また、このようなイオンスラスタは、このイオンスラス
タが搭載されている宇宙構造物から供給可能な電力に対
応してどの種類の推進剤ガスを使用するかが制御され、
この推進システム全体として最も効率が高くなるように
運用される。すなわち、このイオンスラスタが搭載され
ている宇宙構造物の電源たとえば太陽電池から供給可能
な電力に余裕が少ない場合には、より原子番号の大きい
推進剤たとえばXeガスが使用される。また、供給され
る電力に余裕がある場合には、より原子番号の小さい推
進剤たとえばKrまたはArガスが使用される。たとえ
ば、このArガスを使用した場合には、Xeガスを使用
した場合より同じ推力を得るのに約1.9倍の電力を必
要とするが、この場合は電力に余裕のある場合であるの
で、最大の推力を得ることができる。したがって、この
ような制御を行うことによって、常に最大の推力を得る
ことができ、このイオンスラスタを含む推進システム全
体を最大の効率で作動させることができる。また、複数
のイオンスラスタをクラスタイヒして使用するような場
合には、その一部のイオンスラスタと他のイオンスラス
タとで異なる種類の推進剤を使用することもでき、電力
の余裕に対応してより柔軟性のある運転制御をなすこと
もできる。
In addition, the type of propellant gas used in such an ion thruster is controlled according to the power that can be supplied from the space structure on which the ion thruster is mounted.
This propulsion system as a whole is operated to achieve the highest efficiency. That is, when there is little margin in the power that can be supplied from the power source of the space structure on which the ion thruster is mounted, such as a solar cell, a propellant with a higher atomic number, such as Xe gas, is used. Further, if there is sufficient power to be supplied, a propellant with a smaller atomic number, such as Kr or Ar gas, is used. For example, when using Ar gas, approximately 1.9 times more power is required to obtain the same thrust than when using Xe gas, but this is only when there is sufficient power. , maximum thrust can be obtained. Therefore, by performing such control, the maximum thrust can be obtained at all times, and the entire propulsion system including the ion thruster can be operated with maximum efficiency. In addition, when multiple ion thrusters are used in a cluster, different types of propellants can be used for some of the ion thrusters and others, depending on the power margin. It is also possible to achieve more flexible operation control.

なお、本発明は上記の実施例には限定されず、各種の変
更が可能であり、加速電極の電極板の枚数、推進剤ガス
導入系の構成、カスブ磁場によるプラズマ封じ込めの有
無、等は仕様等に対応して適宜変更できる。たとえば、
推進剤の種類を頻繁に変更する必要の無い場合には、推
進剤ガス導入系には1つのボンベのみを設け、充填する
推進剤ガスの種類を変更してもよい。また、電離プラズ
マの生成手段も上記の実施例のものには限定されず、上
記のようなカスブ磁場封じ込め電子衝撃型のものに限定
されず、高周波電源を供えた高周波型のものでもよい。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made, and the number of electrode plates of the accelerating electrode, the configuration of the propellant gas introduction system, the presence or absence of plasma containment by a cusp magnetic field, etc. are subject to specifications. It can be changed as appropriate depending on the situation. for example,
If it is not necessary to change the type of propellant frequently, the propellant gas introduction system may be provided with only one cylinder and the type of propellant gas filled may be changed. Furthermore, the means for generating ionized plasma is not limited to those of the above embodiments, and is not limited to the cusp magnetic field confinement electron impact type as described above, but may be of a high frequency type provided with a high frequency power source.

[発明の効果] 上述の如く本発明によれば、複数の種類の推進剤を適宜
選択的に使用することができ、供給可能な電力の余裕に
対応してこれらを選択して使用し、この推進剤の資源的
な制約やコストの制限を解消することができる。また、
推進剤を変更するに際してイオンスラスタ自体を変更す
る必要がなく、構造も簡単となる。また、本発明の制御
方法によれば、供給可能な電力の余裕に対応して推進剤
の原子番号に従ってこの推進剤の種類を選定するので、
このイオンスラスタを含む推進システム全体の効率を最
大の効率に維持することができる等、その効果は大であ
る。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a plurality of types of propellants can be selectively used as appropriate, and these can be selected and used according to the margin of power that can be supplied. Resource constraints and cost limitations on propellants can be resolved. Also,
There is no need to change the ion thruster itself when changing the propellant, and the structure is simple. Furthermore, according to the control method of the present invention, the type of propellant is selected according to the atomic number of the propellant in accordance with the margin of power that can be supplied.
This has great effects, such as being able to maintain the efficiency of the entire propulsion system including the ion thruster at maximum efficiency.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図ないし第3図は本発明の第1の実施例を示し、第
1図は推進剤ガス導入系の概略図、第2図は電源系の概
略図、第3図はイオンスラスタの本体部分の一部を破断
して示す斜視図である。また、第4図は第2の実施例の
推進剤ガス導入系の概略図である。また第5図は従来の
イオンスラスタの推進剤ガス導入系の概略図である。
Figures 1 to 3 show a first embodiment of the present invention, with Figure 1 being a schematic diagram of the propellant gas introduction system, Figure 2 being a schematic diagram of the power supply system, and Figure 3 being the main body of the ion thruster. It is a perspective view which shows a part of a part broken. Moreover, FIG. 4 is a schematic diagram of a propellant gas introduction system of the second embodiment. Further, FIG. 5 is a schematic diagram of a propellant gas introduction system of a conventional ion thruster.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)放電容器と、この放電容器内に推進剤ガスを導入
する推進剤ガス導入系と、この放電容器内に導入される
推進剤ガスの一部を放電によって電離プラズマに形成す
るホローカソードと、この放電容器の開口部に設けられ
この放電容器内に形成された電離プラズマを加速して放
出する加速電極と、上記ホローカソード、放電容器、加
速電極に電力を供給する電源系とを備えたものにおいて
、上記の推進剤ガス導入系は複数種類の推進剤ガスを選
択的に上記の放電容器内に導入するとともにこの導入さ
れる推進剤ガスの種類に対応して導入する推進剤ガスの
流量を設定するものであり、また上記の電源系は上記導
入される推進剤ガスの種類および流量に対応して放電電
力および加速ビーム量を制御し、どの推進剤ガスを導入
した場合でも推力を一定に維持することを特徴とするイ
オンスラスタ。
(1) A discharge vessel, a propellant gas introduction system that introduces propellant gas into the discharge vessel, and a hollow cathode that forms part of the propellant gas introduced into the discharge vessel into ionized plasma by electric discharge. , an accelerating electrode provided at the opening of the discharge vessel to accelerate and discharge ionized plasma formed within the discharge vessel, and a power supply system for supplying power to the hollow cathode, the discharge vessel, and the accelerating electrode. In the above-described propellant gas introduction system, the propellant gas introduction system selectively introduces multiple types of propellant gases into the discharge vessel and adjusts the flow rate of the propellant gas to be introduced in accordance with the type of propellant gas introduced. In addition, the above power supply system controls the discharge power and acceleration beam amount in accordance with the type and flow rate of the propellant gas introduced, and maintains a constant thrust no matter which propellant gas is introduced. An ion thruster that maintains
(2)前記の推進剤ガス導入系は、複数種類の推進剤ガ
スとして複数種類の不活性ガスを選択的に供給するもの
であることを特徴とする前記請求項1に記載のイオンス
ラスタ。
(2) The ion thruster according to claim 1, wherein the propellant gas introduction system selectively supplies a plurality of types of inert gases as the plurality of types of propellant gases.
(3)前記の推進剤ガス導入系は、推進剤ガスとしてA
r、Kr、またはXeガスのうちの少なくとも2種類の
ガスを選択的に導入するものであり、また前記の電源系
は、推進剤ガスとしてArガスを導入した場合にはビー
ム電流と加速電流をXeガスを推進剤ガスとして導入し
た場合の1.8倍、放電電圧を2.2倍とし、また推進
剤ガスとしてKrガスを導入した場合にはビーム電流と
加速電流をXeガスを推進剤ガスとして導入した場合の
1.3倍、放電電圧を1.4倍とし、いずれのガスの場
合においても推力を一定としたことを特徴とする前記請
求項2に記載のイオンスラスタ。
(3) The propellant gas introduction system described above uses A as the propellant gas.
The system selectively introduces at least two types of gases among r, Kr, and When Xe gas is introduced as a propellant gas, the discharge voltage is 1.8 times and 2.2 times that of the case where Xe gas is introduced as a propellant gas, and when Kr gas is introduced as a propellant gas, the beam current and acceleration current are 3. The ion thruster according to claim 2, wherein the ion thruster has a discharge voltage of 1.3 times and a discharge voltage of 1.4 times that of the case where the gas is introduced as a gas, and the thrust force is constant in any case.
(4)前記推進剤ガス導入系は、推進剤ガスとして、酸
素ガスを導入するものであることを特徴とする前記請求
項1に記載のイオンスラスタ。
(4) The ion thruster according to claim 1, wherein the propellant gas introduction system introduces oxygen gas as the propellant gas.
(5)前記の推進剤ガス導入系は、酸素ガスを導入する
場合には、前記のホローカソードを介して不活性ガスを
導入し、酸素ガスはこのホローカソードを介さずに前記
の放電容器内に導入するものであることを特徴とする前
記請求項4に記載のイオンスラスタ。
(5) When introducing oxygen gas, the propellant gas introduction system introduces the inert gas through the hollow cathode, and the oxygen gas is introduced into the discharge vessel without going through the hollow cathode. The ion thruster according to claim 4, wherein the ion thruster is introduced into the ion thruster.
(6)推進剤ガスとして複数種類のガスを選択的に導入
するイオンスラスタを制御する場合において、このイオ
ンスラスタが装着される宇宙構造物から供給可能な電力
が小さい場合程原子番号の大きいガスを推進剤ガスとし
て導入し、供給可能な電力が大きい程原子番号の小さい
ガスを推進剤ガスとして導入することを特徴とするイオ
ンスラスタの制御方法。
(6) When controlling an ion thruster that selectively introduces multiple types of gases as propellant gases, the smaller the electric power that can be supplied from the space structure to which the ion thruster is attached, the more gases with higher atomic numbers are used. A method for controlling an ion thruster, characterized in that the larger the power that can be supplied, the smaller the gas is introduced as a propellant gas.
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