JPH04175472A - イオンエンジン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、たとえば１人工衛星が軌道上でその姿勢や
軌道を制御するための主推進器として用いるイオンエン
ジン装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第６図は、従来のイオンエンジン装置の全体の構成を示
すブロック図である。図において、（１）は推力を発生
する機能をもつスラスタ、（２）はスラスタへの推進剤
流量を制御する機能をもつ流量調整器、（３）は推進剤
を貯蔵・供給する機能をもつ推進剤貯蔵供給器、（４）
は上記スラスタ（１）。

流量調整器（２）、推進剤貯蔵供給器（３）へ電力を供
給する機能をもつ電源装置、（５）は上記各機器の制御
、テレメトリ・コマンド系とのインタフェース機能をも
つスラスタ制御器である。

第７図は、従来のイオンエンジン装置におケル電源装置
および流量調整器の制御方法である。図において、（１
）はスラスタ、（２）は流量調整器。

（４）は電源装置、（５）はスラスタ制御器、（６）は
地上からのコマンド、（７）は地上へのテレメトリ。

（８）は電源装置（４）からのモニタ信号、（９）は電
源装置（４）へのコマンド、　（１０）は電源装置（４
）からのテレメトリ信号、　（１１）は流量調整器（２
）へのコマンド、　（１２）は、流量調整器（２）から
の推進剤流量テレメトリ信号、　（１３）はスラスタ（
１）への電力供給、　（１４）はスラスタ（１）への推
進剤供給、（１５）はモニタ信号（８）による制御部を
示している。

次に動作について説明する。流量調整器（２）に関して
は、スラスタ制御器（５）から、流量設定を指示するコ
マンド（１１）を発信し、流量調整器（２）からは、ス
ラスタ（１）へ供給されている推進剤（１４）の流量を
示す流量テレメトリ（１２）がスラスタ制御器（５）に
送られ、地上でテレメトリ（７）として取得される。一
方、電源装置（４）に関しては、スラスタ制御器（５）
から電源装置（４）に内蔵されている複数の電源のオン
オフおよびその出力レベルを設定するコマンド（９）を
発信し、電源装置（４）からは、スラスタ（１）での放
電の点火・消滅を示すモニタ信号（８）とスラスタ（１
）の動作状態を表す電源装置（４）に内蔵の複数の電源
の出力電流。

出力電圧、入力電流および出力電流がテレメトリ信号（
１０）としてスラスタ制御器（５）に送られる。

スラスタ制御器（５）は、地上へテレメトリ（７）を送
る一方、上記モニタ信号（８）により制御部（１５）で
スラスタ（１）での放電状態を判断し、所定の制御ロジ
ックに従い電源装置（４）の複数の電源のオンオフおよ
び出力レベル設定のコマンド（９）および流量調整器（
２）の流量設定のコマンド（１１）を発信するという制
御を行い、その結果、スラスタ（１）が推力を発生する
。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のイオンエンジン装置は以上のように構成されてお
り１次のような課題があった。従来のイオンエンジン装
置では、スラスタへの電源装置からの電力出力および流
量調整器からの推進剤流量は、あらかじめ設定されたコ
マンドを送信する必要があり、外乱などに対して、きめ
細かな制御が不可能であった。このため、過渡的な推力
変動。

スラスタの劣化の伴う動作点の推移に対する補正。

また、最適動作点の決定を地上でテレメトリから判断し
行うことになるため運用上の制約になっていた。

この発明は、このような課題を解決するためになされた
もので電源装置および流量調整器からのテレメトリ信号
をスラスタ制御器内で比較、演算し電源装置からの電力
出力および流量調整器からの推進剤流量を制御すること
により１人が介在することなく、スラスタの推力をより
精度よ（安定に発生させることを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

この発明にかかるイオンエンジン装置は、電源装置およ
び流量調整器からのテレメトリ信号をスラスタ制御器内
で自動演算し、現在の動作状態を求め、基準値と比較し
た後、電源装置および流量調整器の出力レベルを自動的
に制御するものである。

〔作用〕

この発明においては、スラスタ制御器内で求められた現
在の動作状態を推力、消費電力の基準値と比較し、電源
装置および流量調整器の出力レベルを自動的に変更し、
その後の動作状態を再確認するという閉ループを組むこ
とにより、フィードバック制御を行い、スラスタの推力
をより精度よ（安定に発生させる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図は、この発明の特徴をなすフィートノ（ツタ制御によ
りスラスタの推力に比例する電源装置の電流値を制御し
、スラスタの推力変動の低減を行うイオンエンジン装置
の制御方式であり９図において（１）はスラスタ、（２
）は流量調整器、（４）は電源装置、（５）はスラスタ
制御器、（６）は地上からのコマンド、（７）は地上へ
のテレメトリ、（８）はモニタ信号、（９）は電源装置
へのコマンド、信号。

（１０）は電源装置からのテレメトリ信号、　（１１）
は流量調整器へのコマンド信号、　（１２）は流量調整
器からの推進剤流量テレメトリ信号、　（１３）はスラ
スタ（１）への電力供給、　（１４）はスラスタ（１）
への推進剤供給、　（１５）はモニタ信号（８）による
制御部、Ｃ１６）はフィードバック制御部、　（１７）
は電源装置（４）への電源装置フィードバック制御信号
、　（１８）は流量調整器（２）への流量調整器フィー
ドバック制御信号、　（１９）はフィードバック制御用
電源装置テレメトリ信号、　（２０）は電源装置テレメ
トリ信号（１０）のうちのビーム電流テレメトリ信号を
示している。

次に動作について説明する。上記のように構成されたイ
オンエンジン装置においては、スラスタ制御器（５）が
、地上からのコマンド（６）を受け。

電源装置（４）へ電源装置コマンド（９）を、、流量調
整器（２）へ流量調整器コマンド（１１）を発信するこ
とによりスラスタ（１）への電力供給（１３）および推
　。

道側供給（１４）が行われ、スラスタ（１）の放電状態
を示すモニタ信号（８）により電源装置（４）内の複数
の電源のオンオフ制御、出力レベル制御および流量調整
器（２）の推進剤流量レベル制御が行えるという機能は
、従来の装置と全く同じである。

この発明によるイオンエンジン装置は、フィードバック
制御用電源装置テレメトリ信号（１９）およびビーム電
流テレメトリ信号（２０）をフィードバック制御部（１
６）内で演算し、現在の動作状況を基準値と比較９判定
し電源装置（４）および流量調整器（２）への電源装置
フィードバック制御信号（１７）と流量調整器フィード
バック制御信号（１８）の出力レベルを自動的に制御す
ることで、スラスタの推力をより精度よく安定に発生さ
せる制御を可能にしている。

イオンエンジン装置の推力制御について、さらに詳しく
述べるならば、スラスタ（１）で加速されるイオンを１
価であると仮定すると、イオンエンジン装置の推力Ｆは
１次式で表される。

Ｆ＝ｖｌ″２ｖｂ／ε５ｐ−Ｉｂ　・・・・・・・・・
・　（１）ここで、Ｉｂはビーム電流、ｖｂはビーム電
圧。

εｓｐは比電荷（ε５ｐ＝ｑ／Ｍ、ｑ：電荷１Ｍ：イオ
゛ンの質量）である。

なお、ビーム電流１ｂおよびビーム電圧ｖｂは。

電源装置（４）からスラスタ（１）への出力として検出
できる。

式（１）から分かるように、ビーム電圧〜′ｂを一定に
すると、推力Ｆはビーム電流１ｂに比例する。

所望の推力を得るビーム電流値をＩｂ″＊、ビーム電流
テレメトリをＩｂとすると、その偏差Δｌｂは。

次式で表される。

ΔＩｂ＝Ｉｂ＊−１ｂ　　　・・・・・・・・・・・・
・　（２）すなわち、Δｌｂを小さくするように所定の
動作範囲内で電源制御コマンド（１７）および流量調整
器制御コマンド（１８）を変化させることにより、過渡
時における推力変化、経年変化に伴う推力変動を低減す
ることができる。

第２図は、この発明の特徴であるフィードバック制御に
よりスラスタの推力に比例する電源装置の電圧値を制御
し、スラスタの推力変動を低減させる一実施例を示して
いる。図において、　（２１）は電源装置テレメトリ（
１０）のうちのビーム電圧テレメトリ信号を示しており
、他は第１図と同様である。この実施例においては、フ
ィードバック制御用電源装置テレメトリ信号（１９）お
よびビーム電圧テレメトリ信号（２１）をフィードバッ
ク制御部（１６）内で演算し、現在の動作状況を基準値
と比較９判定し電源装置（４）および流量調整器（２）
への電源装置フィードバック制御信号（１７）と流量調
整器フィードバック制御信号（１８）の出力レベルを自
動的に制御することで、スラスタの推力をより精度よ（
安定に発生させる制御を可能にしている。

イオンエンジン装置の推力制御について、イオンエンジ
ン装置の推力Ｆは、上記式（１）で表される。

式（１）から分かるように、ビーム電流１ｂを一定にす
ると、推力Ｆはビーム電圧ｖｂの平方根に比例する。所
望の推力を得るビーム電圧値をｖｂネ。

ビーム電圧テレメトリをｖｂとすると、その偏差Δｖｂ
は９次式で表される。

Δｖｂ＝ｖｂ＊−ｖｂ　　　・・・・・・・・・・・・
・　（３）すなわち、Δｖｂを小さくするように所定の
動作範ｉ内で電源制御コマンド（１７）および流量調整
器制御コマンド（１８）を変化させることにより、過渡
時における推力変化、経年変化に伴う推力変動を低減す
ることができる。

一第３図は、この発明の特徴であるフィードバック制御
によりスラスタの推力に比例する電源装置の電流値およ
び電圧値を制御しスラスタの推力変動を低減させる一実
施例を示している。図において、　（２２）は電源装置
テレメトリ（１０）のうちのビーム電流テレメトリ信号
およびビーム電圧テレメトリ信号を示しており、他は第
１図と同様である。

この実施例においては、フィードバック制御用電源装置
テレメトリ信号（１９）およびビーム電流テレメトリ信
号およびビーム電圧テレメトリ信号（２２）をフィード
パ・レフ制御部（１６）内で演算し、現在の動作状況を
基準値と比較９判定し電源装置（４）および流量調整器
（２）への電源装置フィードバック制御信号（１７）と
流量調整器フィードバック制御信号（１８）の出力レベ
ルを自動的に制御することで。

スラスタの推力をより精度よく安定に発生させる制御を
可能にしている。

イオンエンジン装置の推力制御について、前述したよう
に、イオンエンジン装置の推力Ｆｌ！、　（１）式で表
される。

式（１）から分かるように、推力Ｆはビーム電流Ｉｂに
比例し、電圧ｖｂの平方根に比例する。所望の推力を得
るビーム電流値およびビーム電圧値をＩｂ本、■ｂ本、
ビーム電流テレメトリおよびビーム電圧テレメトリをＩ
ｂ、Ｖｂとすると、それぞれの偏差Δｌｂ、　Δｖｂは
、上記式（２）および式（３）で表される。

すなわち、上記式（２）および式（３）で示されるビー
ム電流の偏差Δｌｂおよびビーム電圧の偏差Δｖｂを小
さくするように所定の動作範囲内で電源制御コマンド（
１７）および流量調整器制御コマンド（１８）を変化さ
せることにより、過渡時における推力変化、経年変化に
伴う推力変動を低減することができる。

第４図は、この発明の特徴であるフィードツク・ツク制
御により大電力を消費する電源装置の複数の電源のスラ
スタへの電力供給を低減させる一実施例を示している。

図において、　（２３）は電源装置テレメトリ（１０）
のうちの電源装置（４）への入力電流テレメトリ・入力
電圧テレメトリ・放電電流テレメトリおよび放電電圧テ
レメトリ信号を示しており、他は第１図と同様である。

この実施例においては、フィードバック制御用電源装置
テレメトリ信号（１９）および入力電流テレメトリ・入
力電圧テレメトリ・放電電流テレメトリおよび放電電圧
テレメトリ信号（２３）をフィードバック制御部（１６
）内で演算し、現在の動作状況を基準値と比較１判定し
電源装置（４）および流量調整器（２）への電源装置フ
ィードバラ多制御信号（１７）と流量調整器フィードバ
ック制御信号（１８）の出力レベルを自動的に制御する
ことで、電源装置（４）の複数の電源のスラスタ（１）
への電力供給（１３）を低減させることができる。上記
の入力電流テレメトリおよび入力電圧テレメトリ（２３
）から計算により求められる電源装置（４）の総消費電
力と推力に供する電力との比を電力効率ηとする。電力
効率ηは１次式で表される。

η＝（Ｉｄ−ｖｄ十１ｂ・Ｖｂ）／（１１Ｎ・■、Ｎ）
（４）ここで、Ｉｄは放電電流、Ｖｄは放電電圧、Ｉｂ
はビーム電流、Ｖｂはビーム電圧、Ｉ＋ｓは電源装置（
４）への入力電流、ＶＩＮは電源装置（４）への入力電
圧である。

すなわち、電力効率ηが１に近いほど、電源装置（４）
の電力効率がよいことになる。電源装置（４）の総消費
電力（Ｉ＋ｓ’Ｖ、Ｎ）を小さくすると同時に、電力効
率ηを１に近づけるように、所定の動作範囲内で電源装
置コマンド（１７）および流量調整器コマンド（１８）
を変化させることにより、電源装置（４）の総消電力を
低減させることができる。

第５図は、この発明の特徴であるフィードｌ＜ツク制御
により、スラスタの推力に比例する電源装置の電流値お
よび電圧値を制御し、スラスタの推力変動を低減させる
と同時に、電源装置の複数の電源のスラスタへの電力供
給を低減させる一実施例を示している。図において、　
（２４）は電源装置テレメトリ（１０）のうちのビーム
電流テレメトリ信号・ビーム電圧テレメトリ信号・入力
電流テレメトリ・入力電圧テレメトリ・放電電流テレメ
トリおよび放電電圧テレメトリ信号を示しており、他は
第１図と同様である。この実施例においては、フィード
バック制御用電源装置テレメトリ信号（１９）およびビ
ーム電流テレメトリ信号・ビーム電流テレメトリ信号・
ビーム電圧テレメトリ信号・入力電流テレメトリ・入力
電圧テレメトリ・放電電流テレメトリおよび放電電圧テ
レメトリ信号（２４）をフィードバック制御部（１６）
内で演算し、現在の動作状況を基準値と比較１判定し電
源装置（４）および流量調整器（２）への電源装置フィ
ードバック制御信号（１７）と流量調整器フィードバッ
ク制御信号（１８）の出力レベルを自動的に制御するこ
とで、スラスタの推力をより精度よく安定に発生させる
と同時に電源装置（４）の総消電力を低減させる制御を
可能にしている。

イオンエンジン装置の推力制御について、前述したよう
に、イオンエンジン装置の推力Ｆは、（１）式で表され
る。

式（１）から分かるように、推力Ｆはビーム電流Ｉｂに
比例し、電圧ｖｂの平方根に比例する。所望の推力を得
るビーム電流値およびビーム電圧値をＩｂ本、■ｂ本、
ビーム電流テレメトリおよびビーム電圧テレメトリをＩ
ｂ、Ｖｂとすると、それぞれの偏差Δｌｂ、　Δｖｂは
、上記式（２）および式（３）で表される。また、入力
電流テレメトリおよび入力電圧テレメトリ（２３）から
計算により求められる電源装置（４）の総消費電力と推
力に供する電力との比を電力効率ηとすると、電力効率
ηは１式（４）で表される。

すなわち、上記式（２）および式（３）で示されるビー
ム電流の偏差Δｌｂおよびビーム電圧の偏差Δｖｂを小
さくするように、かつ、上記式（４）で示される電源装
置（４）の電力効率ηを１に近づけるように、所定の動
作範囲内で電源装置コマンド（１７）および流量調整器
コマンド（１８）を変化させることにより、スラスタの
推力をより精度よく安定に発生させると同時に電源装置
（４）の総消電力を低減させることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば電源装置からのテレメ
トリ信号をフィードバック制御部で基準値と比較・演算
を行い電力出力および流量調整器からの推進剤流量にフ
ィードバックすることニヨリ、無人でスラスタの推力を
より精度よく安定に発生させる制御をできる効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の特徴をなすイオンエンジン装置の実
施例を示す図、第２図はこの発明の第２の特徴をなすイ
オンエンジン装置の実施例を示す図、第３図はこの発明
の第３の特徴をなすイオンエンジン装置の実施例を示す
図、第４図はこの発明の第４の特徴をなすイオンエンジ
ン装置の実施例を示す図、第５図はこの発明の第５の特
徴をなすイオンエンジン装置の実施例を示す図、第６図
はイオンエンジン装置の機器構成を示す図、第７図は従
来のイオンエンジン装置の一例を示す図である。図にお
いて、（１）はスラスタ、（２）は流量調整器、（３）
は推進剤貯蔵供給器、（４）は電源装置。 （５）はスラスタ制御器、（６）は地上からのコマンド
。 （７）は地上へのテレメトリ、（８）はモニタ信号、（
９）は電源装置コマンド、　（１０）は電源装置テレメ
トリ。 （１１）は流量調整器コマンド、　（１２）は流量調整
器テレメトリ、　（１３）は電力供給、　（１４）は推
進剤供給。 （１５）は制御部、　（１６）はフィードバック制御部
、（１７）は電源装置フィードバック制御コマンド、　
（１８）は流量調整器フィードバック制御コマンド、　
（１９）はフィードバック制御用電源装置テレメトリ、
（２０）はビーム電流テレメトリ信号、　　（２１）は
ビーム電圧テレメトリ信号、　（２２）はビーム電流テ
レメトリ信号およびビーム電圧テレメトリ信号、　（２
３）は入力電流テレメトリ・入力電圧テレメトリ・放電
電流テレメトリおよび放電電圧テレメトリ信号、（２４
）はビーム電流テレメトリ信号・ビーム電流テレメトリ
信号・ビーム電圧テレメトリ信号・入力電流テレメトリ
・入力電圧テレメトリ・放電電流テレメトリおよび放電
電圧テレメトリ信号である。 なお１図中、同一符号は同一、あるいは相当部分を示す
。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）推力を発生する機能をもつスラスタ、上記スラス
   タへの推進剤流量を制御する機能をもつ流量調整器、推
   進剤を貯蔵・供給する機能をもつ推進剤貯蔵供給器、上
   記スラスタ、流量調整器、推進剤貯蔵供給器へ電力を供
   給する機能をもつ電源装置および上記各機器、装置の制
   御、テレメトリ・コマンド系とのインタフェース機能を
   もつスラスタ制御器からなり、人工衛星等宇宙機の推進
   系サブシステムであるイオンエンジン装置において、上
   記各機器、装置の動作状況・動作状態を示す信号を用い
   て電源出力および推進剤流量を制御し、上記スラスタの
   推力に対して推力に比例する電源装置の電流値にフィー
   ドバックを行うことにより、スラスタの推力の変動を抑
   制しイオンエンジン装置の推力特性を向上させることを
   特徴とするイオンエンジン装置。
2. （２）推力を発生する機能をもつスラスタ、上記スラス
   タへの推進剤流量を制御する機能をもつ流量調整器、推
   進剤を貯蔵・供給する機能をもつ推進剤貯蔵供給器、上
   記スラスタ、流量調整器、推進剤貯蔵供給器へ電力を供
   給する機能をもつ電源装置および上記各機器、装置の制
   御、テレメトリ・コマンド系とのインタフェース機能を
   もつスラスタ制御器からなり、人工衛星等宇宙機の推進
   系サブシステムであるイオンエンジン装置において、電
   源装置に含まれる複数の電源のうち、スラスタの推力に
   対して推力に比例する電源装置の電圧値にフィードバッ
   クを行い、他の電源出力および推進剤流量を制御するこ
   とにより、スラスタの推力の変動を抑制しイオンエンジ
   ン装置の推力特性を向上させることを特徴とするイオン
   エンジン装置。
3. （３）推力を発生する機能をもつスラスタ、上記スラス
   タへの推進剤流量を制御する機能をもつ流量調整器、推
   進剤を貯蔵・供給する機能をもつ推進剤貯蔵供給器、上
   記スラスタ、流量調整器、推進剤貯蔵供給器へ電力を供
   給する機能をもつ電源装置および上記各機器、装置の制
   御、テレメトリ・コマンド系とのインタフェース機能を
   もつスラスタ制御器からなり、人工衛星等宇宙機の推進
   系サブシステムであるイオンエンジン装置において、電
   源装置に含まれる複数の電源のうち、スラスタの推力に
   対して推力に比例する電源装置の電流値および電圧値に
   フィードバックを行い、他の電源出力および推進剤流量
   を制御することにより、スラスタの推力の変動を抑制し
   イオンエンジン装置の推力特性を向上させることを特徴
   とするイオンエンジン装置。
4. （４）推力を発生する機能をもつスラスタ、上記スラス
   タへの推進剤流量を制御する機能をもつ流量調整器、推
   進剤を貯蔵・供給する機能をもつ推進剤貯蔵供給器、上
   記スラスタ、流量調整器、推進剤貯蔵供給器へ電力を供
   給する機能をもつ電源装置および上記各機器、装置の制
   御、テレメトリ・コマンド系とのインタフェース機能を
   もつスラスタ制御器からなり、人工衛星等宇宙機の推進
   系サブシステムであるイオンエンジン装置において、電
   源装置に含まれる複数の電源に対して電力効率を改善す
   るように、放電電力に関する電源装置の電流値および電
   圧値にフィードバックを行い、他の電源出力および推進
   剤流量を制御することにより、スラスタの電力効率を改
   善しイオンエンジン装置の消費電力特性を向上させるこ
   とを特徴とするイオンエンジン装置。
5. （５）推力を発生する機能をもつスラスタ、上記スラス
   タへの推進剤流量を制御する機能をもつ流量調整器、推
   進剤を貯蔵・供給する機能をもつ推進剤貯蔵供給器、上
   記スラスタ、流量調整器、推進剤貯蔵供給器へ電力を供
   給する機能をもつ電源装置および上記各機器、装置の制
   御、テレメトリ・コマンド系とのインタフェース機能を
   もつスラスタ制御器からなり、人工衛星等宇宙機の推進
   系サブシステムであるイオンエンジン装置において、電
   源装置に含まれる複数の電源のうち、スラスタの推力に
   対して推力に比例する電源装置の電流値および電圧値に
   フィードバックを行い、他の電源出力および推進剤流量
   を制御することにより、スラスタの推力の変動を抑制す
   ると同時にスラスタの電力効率を改善しイオンエンジン
   装置の推力特性および消費電力特性を向上させることを
   特徴とするイオンエンジン装置。