JPH0771361A

JPH0771361A - 宇宙航行機用推進装置

Info

Publication number: JPH0771361A
Application number: JP5218544A
Authority: JP
Inventors: Shinobu Matsuo; 忍松尾; Minoru Nakamura; 稔中村; Katsuhide Ohira; 勝秀大平
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1993-09-02
Filing date: 1993-09-02
Publication date: 1995-03-14

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】化学推進機と電気推進機のそれぞれの短所を
補充し、それぞれの長所を発揮できるようにした宇宙航
行機用推進装置を提供する。【構成】電気推進機のホールスラスタを採用し、ホー
ルスラスタの内部磁極の中に、化学推進機が必要とする
高圧室３４（燃焼室）、ノズル３５等を形成する、又は
化学推進機に高圧室中心部にセンタ−ボディを具えるＥ
−Ｄノズル型推進機を採用し、センタ−ボディの内部を
空洞にして、ここに電気推進機（プラズマロケット）が
必要とするカソードを配置し、センタ−ボディをアノー
ドとするプラズマ発生装置を設ける等、合成して推進装
置としたものである。これにより、推進装置を小型、軽
量化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は人工衛星や惑星探査機
等、宇宙機の姿勢制御あるいは軌道制御等に用いられる
宇宙航行機用推進装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】宇宙航行機用推進装置としては、供給さ
れる推進剤の化学反応によってエネルギを得、かつそれ
自身を推進剤として推力を得る化学推進機と、供給され
る推進剤をイオン化若しくはプラズマ化して、これ等を
静電加速若しくは電磁加速し、推力を得る電気推進機若
しくは電磁推進機（以下、併せて電気推進機という）等
がある。

【０００３】電気推進機の一例としてホールスラスタが
ある。研究／開発中のホールスラスタの例は、例えば文
献「ホールスラスタの性能とプラズマ加速過程」（日本
航空宇宙学会誌、第４０巻、第４６５号、１９９２年１
０月、ＰＰ４６〜５３）等に記述されている。

【０００４】図３は、従来、研究／開発されているホー
ルスラスタの一例を示し、同図で１０１はホールスラス
タの本体である。本体１０１は外部磁極１２１と内部磁
極１２２を具備する。１０３はソレノイドコイルであ
り、外部磁極１２１と内部磁極１２２の間に形成された
加速チャンネル１０４に、図の矢印１０５のような半径
方向磁場Ｂを印加する。１０６は電源、１０７は陽極、
１０８は中和器／陰極である。加速チャンネル１０４に
は陽極１０７と中和器／陰極１０８により軸方向電場が
印加されている。１０９は推進剤タンク、１１０は推進
剤供給管、１１１は推進剤供給弁、１１２は推進剤流量
調整用オリフィスである。推進剤は推進剤タンク１０９
より供給管１１０、供給弁１１１、流量調整用オリフィ
ス１１２を介して、加速チャンネル１０４へ供給され
る。加速チャンネル１０４では、電源１０６より供給さ
れる電力により、陽極１０７と中和器／陰極１０８との
間に電場が印加されており、中和器／陰極１０８より放
出された電子の一部が、陽極１０７側（以下上流側とい
う）へ向う途中で推進剤分子に衝突することにより推進
剤を電離し、プラズマを生成する。イオン化した推進剤
（陽イオン）は電場により、陰極／中和器１０８側へ加
速され、ホールスラスタ本体１０１から放出される。推
進剤イオンは中和器／陰極１０８から放出された電子の
一部により中和され、下流へ流れ去る。ホールスラスタ
は下流へ放出された推進剤の反力として推進力を得る。

【０００５】なお、陰極から放出され、上流側へ向う電
子は加速チャンネル内に印加された磁場Ｂのため加速チ
ャンネル１０４内に捕らえられ、円周方向に運動してホ
ール電流１１３となる。ホール電流の大きさは、下流に
放出されるイオン電流の大きさにほぼ等しいので、加速
チャンネル１０４内は電気的中性に保たれる。一方、一
定容積の空間内を占めることのできる電荷の量には、上
限が存在する（空間電荷制限と呼ばれる）ため、例え
ば、イオンエンジン等では空間電荷制限電流より大きな
イオン電流を流すことができない。即ち、推進剤の量を
ある程度以上、増やすことができない。ところが、ホー
ルスラスタの場合、前述のように加速チャンネル１０４
の内部は、電気的中性に保たれているので、空間電荷制
限電流による制約を受けること無く、比較的多量の推進
剤を流すことができる。

【０００６】ホールスラスタは、他の電気推進機と同様
に化学推進機（例えばヒドラジン１液スラスタ等）に較
べ高比推力、すなわち、推進剤単位量当たりの加速に使
えるエネルギが大きい、という特徴がある。このため、
所要推進剤量が少なくて済むので、将来の長寿命人工衛
星や惑星探査機などのように、ミッション期間の長い宇
宙機の姿勢制御、軌道制御用に適したスラスタとして開
発が進められている。反面ホールスラスタは、他の電気
推進機に比べ、比較的多量の推進剤を流すことができる
とはいえ、単位時間当たりに利用できるエネルギを発生
させるには限界があり、このため推力を非常に大きくす
ることができず、宇宙機の軌道変換等に使用する場合、
軌道変換に要する期間が長くかかるという問題がある。

【０００７】また、化学推進機の一例として、膨脹偏向
（Expansion Deflection、以下Ｅ−Ｄという）ノズル型
推進機がある。Ｅ−Ｄノズル型推進機の例は、例えば文
献「DESIGN OF LIQUID PROPELLANT ROCKET ENGINES SEC
OND EDITION 」(NASA SP125,1971,pp.９２−９３）等に
記述されている。

【０００８】図４は、従来のＥ−Ｄノズル型推進機の一
例として、推進剤として燃料と酸化剤を用いる二液式の
ものを示す。１３１は燃料タンク、１３２は酸化剤タン
ク、１３３は燃料供給管、１３４は酸化剤供給管、１３
５は燃料供給弁、１３６は酸化剤供給弁である。１３７
は噴射器であり、燃料タンク１３１、酸化剤タンク１３
２からそれぞれ供給された燃料と酸化剤を、噴射器１３
７から高圧室１４０内に細かい霧状にして噴射する。１
３８はロケット本体であり、高圧室１４０、拡大ノズル
１４２を形成する。また、１３９は噴射器１３７の中心
軸上に、後流側に向けて突設されたセンタ−ボディであ
り、ロケット本体１３８とともに環状スロート１４１を
形成する。１３９は高圧室（燃焼室と呼ぶこともある）
であり、燃料と酸化剤からなる推進剤の燃焼により、高
圧の燃焼ガスを発生する。１４１は環状に形成された環
状スロート（咽喉）、１４２は拡大ノズルである。高圧
チャンバ１４０で発生した高圧ガスは、環状スロート１
４１、拡大ノズル１４２を通って外部へ放出される際、
超音速に膨脹加速される。また、Ｅ−Ｄノズル型推進機
では、この種の化学推進機として一般的に用いられる、
円形のスロート断面形状を持つ化学推進機に較べ、同じ
マッハ数（または同じ圧力）まで加速する為に要する距
離が短くて済むので、ノズルが小さくなり、重量が軽く
なるなどの長所を持つ。

【０００９】以上、説明したＥ−Ｄノズル型化学推進機
を含む、従来の化学推進機は、電気推進機に較べ単位時
間当たり、大きなエネルギを発生でき、推力を大きくす
ることができるという特徴がある。このため、宇宙機の
軌道変換等の大きなスラストを必要とするミッションに
使用する場合、当該ミッションに要する時間を短くでき
るという利点がある反面、推進剤単位質量当たりの加速
に使えるエネルギが小さく、即ち比推力が低く、所要推
進剤の量が多くなるという欠点がある。従って、惑星探
査や長寿命の人工衛星等のように長期間を要するミッシ
ョンでは、膨大な量の推進剤を要し、これが積載可能ペ
イロード、例えば惑星探査機に搭載する探査機器など、
の重量に制限を与え、ミッションに支障を来すという問
題がある。

【００１０】この様に、電気推進機および化学推進機に
は、それぞれ一長一短があるが、一方の短所を他方の長
所が補完するものであるため、将来予想される惑星探査
機等の宇宙航行機では、例えば地球周回軌道から目的の
惑星へ向かう軌道への軌道変換には、比較的推力の大き
な化学推進機を用い、目的惑星へ遷移中の軌道修正や姿
勢制御には、電気推進機を用いることが考えられる。し
かし、この場合、宇宙航行機には、化学推進機と電気推
進機の２種類の推進機を搭載する必要があり、推進シス
テムが複雑となるとともに、推進システム重量が増大
し、積載可能なペイロードの重量に制限を与えるとい
う、新たな問題が発生する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、宇宙滞在期
間の長い人工衛星や惑星探査機等の宇宙航行機の推進機
として、ミッションに応じて、推力を大きくし、また高
比推力にでき、さらには、推進システム重量を小さくで
きる、宇宙航行機用推進装置を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の宇宙航行機用推
進装置は、次の手段とした。（１）推進剤単位質量当たりの機体の加速に使えるエネ
ルギ量は大きいが、単位時間当たりに利用できるエネル
ギ量に限界がある電気推進機と、単位時間当たりに利用
できるエネルギ量は大きいが、推進剤単位質量当たりの
機体の加速に使えるエネルギ量に限界がある化学推進機
との、双方を宇宙航行機に設けるにあたり、一方を構成
する部材の一部を他方の構成部材の一部に兼用するよう
にして合成し、双方の推進機をハイブリット化した推進
装置とした。

【００１３】他の本発明の宇宙航行機用推進装置は、上
記（１）の手段に加え次の手段とした。（２）電気推進機に、軸方向の電場と径方向の磁場とを
印加した環状の加速チャンネルに推進剤を供給し、該推
進剤を電離し、イオン化した推進剤を電場により加速し
て放出し推力を得ることのできる、ホールスラスタを使
用し、化学推進機には、ホールスラスタの磁場を発生さ
せる内部磁極の中に、推進剤の化学反応によって高圧の
反応ガスを発生させる装置を具えた高圧室、高圧室で発
生した高圧ガスを膨脹加速させるノズルを画成するとと
もに、ホールスラスタに推進剤を供給する推進剤供給装
置から分岐して高圧室に推進剤を供給する、若しくはホ
ールスラスタに供給する推進剤供給装置とは独立に設け
られ高圧室に推進剤を供給する、推進剤供給装置を具え
た化学推進機を使用して推進装置を構成した。

【００１４】また、他の本発明の宇宙航行機用推進装置
は、上記（１）の手段に加え、次の手段とした。（３）化学推進機に、推進剤を噴射させる噴射器の中心
部から後方へ突設するセンタ−ボディの外周面と、セン
タ−ボディと同軸状に配設されセンタ−ボディを包囲す
るロケット本体の内周面との間に、高圧室を形成し、該
高圧室内で噴射器から噴射される推進剤に化学反応を起
こさせ、高圧ガスにして、高圧室の下流に設けた環状ス
ロートおよび拡大ノズル部で加速し、外部へ放出し推力
を得るようにしたＥ−Ｄノズル型推進機を使用し、電気
推進機には、化学推進機のセンタ−ボディを円筒状に形
成し、軸心を後流側へ向けて噴射器に突設させたセンタ
−ボディ機能を持つアノードと、センタ−ボディの内部
に同軸状に配設され、その先端を噴射器中心部に固着し
て、内部に推進剤を外部から供給する通路を設けた、円
錐形のカソードとで構成されるアークジェット発生装置
を具えた、電気推進機を使用して推進装置を構成した。

【００１５】

【作用】本発明の宇宙航行機用推進装置は、（１）単位
時間当たり大きなエネルギを発生できる化学推進機、お
よび推進剤単位質量当たりの加速に使えるエネルギが大
きい電気推進機の各々の、本来の機能を喪失させること
なく、一体化して推進装置とし、宇宙航行機のミッショ
ンに応じて使い分けできるようにしたので、長寿命の人
工衛星や惑星探査機等の宇宙航行機の姿勢制御、軌道制
御用のスラスタとして使用できるとともに、短時間に大
きなエネルギを必要とする軌道変換等を、スムーズに達
成できる。さらに、両推進機を合成することにより、推
進装置が簡単化されるとともに、装置重量の軽量化が達
成でき、ペイロードの増加が可能となり、有益なミッシ
ョンが可能となる。

【００１６】また、他の本発明の宇宙航行機用推進装置
は、上記（１）の作用に加え、電気推進機を構成するホ
ールスラスタの内部磁極の中に、高圧室、ノズルを画成
し、高圧室に推進剤を供給する推進剤供給装置を設け
て、高圧室内で推進剤を高圧ガス化するようにした化学
推進機を設けたので、化学推進機、電気推進機の双方を
具えるにも拘わらず、推進装置を小形化でき、推進シス
テムを単純化でき、重量を小さくできる。

【００１７】さらに、他の本発明の宇宙航行機用推進装
置は、上記（１）の作用に加えて、Ｅ−Ｄノズル型推進
機の中心軸付近に配設されたセンタ−ボディの内部に、
推進剤通路を有する円錐状のカソードと、該カソードを
取り囲むように、同軸円筒状に設置した、センタ−ボデ
ィを兼用するアノードとから構成されるアークジェット
発生装置を具えることにより、電気推進機としての作動
が可能となる。したがって、また化学推進機、電気推進
機の双方を具えるにも拘わらず、推進装置を小型化で
き、推進システムが単純化でき、重量を小さくすること
ができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の宇宙航行機用推進装置を、実
施例に基づき説明する。

【００１９】図１は、本発明の宇宙航行機用推進装置の
第一実施例を示す断面図である。１は電気推進機である
ホールスラスタの本体である。本体１は外部磁極２１と
内部磁極２２を具備する。３はソレノイドコイルであ
り、磁極２１、２２の間に形成された加速チャンネル４
に、矢印５のような半径方向磁場Ｂを印加する。６は電
源、７は陽極、８は中和器／陰極である。加速チャンネ
ル４には、陽極７と中和器／陰極８により軸方向電場が
印加されている。ホールスラスタの推進剤供給系とし
て、９は推進剤タンク、１０は推進剤供給管、１１は推
進剤供給弁、１２は推進剤流量調整用オリフィスであ
る。一方、化学推進機の構成部材として、３０は推進剤
タンク、３１は推進剤供給管、３２は推進剤供給弁、３
３はヒドラジン等の推進剤を分解するための触媒、３４
は内部磁性２２の中に画成された高圧室、３５は同様に
内部磁性２２の中に高圧室３４に連通して設けられたノ
ズルである。ホールスラスタとして作動する場合は、従
来例と同様であるので、ここでは作動原理の説明は省略
する。

【００２０】化学推進機として作動する場合は、推進剤
供給弁１１を閉じ、推進剤供給弁３２を開き、推進剤を
触媒３３を介して、ノズル部３５の上流部に形成されて
いる高圧室３４へ供給する。推進剤は触媒３３により分
解され、高圧のガスとなり、ノズル部３５から加速放出
されて推力を発生する。なお、本実施例では化学推進機
として、ヒドラジン等の推進剤を触媒により分解し、高
圧ガスを発生する１液式スラスタの様な作動をするシス
テムを示した。この他、燃料（ヒドラジンなど）と酸化
剤（四酸化二窒素など）を燃焼させ、高圧の燃焼ガスを
発生させる、二液スラスタとしての作動をするシステム
とすることもできる。また、化学推進機の推進剤供給装
置である推進剤タンク３０、推進剤供給管３１、推進剤
供給弁３２を、電子推進機の推進剤供給装置である推進
剤タンク９、推進剤供給管１０、推進剤供給弁１１とは
独立に設けて、電気推進機の推進剤には、電離しやすく
するためにＸ_eガスを混入したものを使用する例を示し
たが、化学推進機にも同一の推進剤を使用するようにし
て、化学推進機の推進剤を、推進剤供給管１０から分岐
して、供給するようにしても良い。これにより、推進シ
ステムとしては、より簡易化できるとともに重量軽減、
小型化できる。

【００２１】次に、図２は本発明の宇宙航行機用推進装
置の第二実施例を示す断面図である。５１、５２はそれ
ぞれ燃料タンク、酸化剤タンク、５３、５４はそれぞれ
燃料供給管、酸化剤供給管、５５、５６はそれぞれ燃料
供給弁、酸化剤供給弁である。５７は噴射器であり、燃
料タンク５１、酸化剤タンク５２から、それぞれ供給さ
れた燃料と酸化剤を、高圧室６０内に細かい霧状にして
噴射する。５８はロケット本体であり、高圧室６０、ス
ロート６１部、拡大ノズル部６２の外側を形成する。５
９は噴射器５７の中心から後流側に突設された、円筒形
状のセンタ−ボディであり、ロケット本体５８ととも
に、高圧室６０、スロート６１部を形成する。高圧室
（燃焼室と呼ぶこともある）６０では、噴射器５７から
各々噴射された、燃料と酸化剤からなる推進剤の燃焼に
より、高圧の燃焼ガスを発生する。６１は環状に形成さ
れたスロート（咽喉）部、６２は拡大ノズル部である。
以上によって従来のＥ−Ｄノズル型化学推進機が構成さ
れる。化学推進機として作動する場合は、従来例と同様
であるので詳細説明を省略する。

【００２２】次に、Ｅ−Ｄノズル型化学推進機の内部に
設置した電気推進機の構造を説明する。７１は円筒形の
センタ−ボディ６９の内部に、同軸状に設置したカソー
ドであり、内部に推進剤の供給経路７２を形成してあ
る。７３はセンタ−ボディ５９に形成したアノードであ
り、カソード７１との間でアーク放電が生じる。ここへ
推進剤供給経路７２から推進剤が供給され電離される。
電離した推進剤はアーク放電により電磁力を受け、また
発生する高熱により高圧となり、下流へ膨脹加速され
る。７４は電源であり、カソード７１とアノード７３の
間に電力を供給する。７５はセラミック製などの絶縁材
である。７６は推進剤供給弁である。本実施例では電気
推進機の推進剤を、化学推進機の推進剤の燃料と共用す
る構成としている。第一実施例で説明したような電気推
進機用の推進剤タンクを別に設ける必要がなく、システ
ム構成がさらに簡単になるというメリットがある。

【００２３】

【発明の効果】以上、述べた本発明の宇宙航行機用推進
装置によれば、特許請求の範囲に示す構成により、単位
時間当たり大きなエネルギを発生できる化学推進機、お
よび推進剤単位質量当たりの加速に使えるエネルギが大
きい電気推進機各々の本来の機能を喪失させることな
く、一体化して推進装置としミッションに応じて使い分
けでき、長寿命の人工衛星や惑星探査機等の宇宙航行機
の姿勢制御、軌道制御用のスラスタとして使用ができる
とともに、大きなエネルギを必要とする軌道変換を短時
間に達成できる。さらに、両推進機を合成することによ
り推進装置が簡単化されるとともに、装置重量の軽量化
が達成でき、ペイロードの増加が可能となり、有益なミ
ッションを達成に寄与できる。

【００２４】また、推進システムが単純化できるととも
に、小型化することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の宇宙航行機用推進装置の第１実施例を
示す断面図。

【図２】本発明の宇宙航行機用推進装置の第２実施例を
示す断面図。

【図３】従来の電気推進機としてののホールスラスタの
断面図。

【図４】従来の化学推進機としてのＥ−Ｄノズル型化学
推進機の断面図を示す。

【符号の説明】

１ホールスラスタ本体３ソレノイドコイル４加速チャンネル５磁場方向６電源７陽極８中和器／陰極９、３０推進剤タンク１０、３１推進剤供給管１１、３２推進剤供給弁１２オリフィス２１外部磁極２２内部磁極３３触媒３４高圧室３５ノズル５１燃料タンク５２酸化剤タンク５３燃料供給配管５４酸化剤供給配管５５燃料供給弁５６酸化剤供給弁５７噴射器５８ロケット本体５９センタ−ボディ６０高圧チャンバ６１スロート部６２拡大ノズル部７１カソード７２推進剤通路７３アノード７４電源７５絶縁材７６推進剤供給弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】宇宙を航行する機体の姿勢制御あるいは
軌道修正に使用される宇宙航行機用推進装置において、
推進剤の化学反応によって推進エネルギを発生できる化
学推進機と、推進剤の帯電化によって推進エネルギを発
生できる電気推進機とを合成して設置したことを特徴と
する宇宙航行機用推進装置。
【請求項２】前記電気推進機に軸方向の電場と半径方
向の磁場とを印加できる環状の加速チャンネルを具え、
該加速チャンネル内で、推進剤、供給タンクから供給さ
れた推進剤を電離し、静電的に加速して推進エネルギを
発生できるホールスラスタを使用するものにおいて、前
記化学推進機が前記ホールスラスタの中心部に配設され
る内部磁極の中に画成された高圧室およびノズルと前記
高圧室に推進剤を供給する推進剤供給装置とからなり前
記高圧室内に該推進剤を高圧ガス化する装置を具えた化
学推進機であることを特徴とする請求項１の宇宙航行機
用推進装置。
【請求項３】前記化学推進機に噴射器中心部から後方
に突設された、センタ−ボディとセンタ−ボディと同軸
状に配設されセンタ−ボディを包囲するロケット本体と
で形成される高圧室を具え、該高圧室で推進剤を化学反
応させ高圧ガスを発生させ前記高圧室の下流に設けた環
状スロートおよび拡大ノズル部で加速し推進エネルギを
発生できるＥ−Ｄノズル型推進機を使用するものにおい
て、前記電気推進機が前記噴射器の中心部から後方へ突
設され内部に推進剤を供給する通路を具えた円錐状のカ
ソードと、前記センタ−ボディを前記カソードと同軸状
に噴射器中心部から後方へ前記カソードを包囲して突設
する円筒状に構成されセンタ−ボディを兼用するアノー
ドとにより構成されるアークジェット発生装置を具えた
電気推進機であることを特徴とする請求項１の宇宙航行
機用推進装置。