JPH09209914A - イオンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アクセルグリッドへのイオン衝突に基づくイ
オンインピンジメント電流を少なくしてホールアライメ
ントに沿うイオンビームを得ることにより、性能が良く
寿命の長いイオンエンジンを得る。 【解決手段】 アクセルグリッド９の開口部９４の周囲
に分割した加速電極９１，９２を備え、これらに別々の
電源６１，６２にて電圧を加え、イオンビームを静電的
に開口部９４の中心に絞り込ませ、また、アクセルグリ
ッド９を微小位置制御してイオンビームのホールアライ
メント調整をした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、宇宙空間を飛翔す
る宇宙機に搭載されて姿勢及び起動制御を行なうための
推進機であるイオンエンジンに係り、特に荷電粒子を静
電的に加速する加速用グリッド（アクセルグリッドとも
いう）を改良したイオンエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】イオンエンジンは、プラズマ中のイオン
を加速して、この加速の結果生成されるイオンビームを
噴出することにより推進力を得るエンジンであり、宇宙
機の姿勢制御や起動制御に用いられる。

【０００３】このイオンエンジンの概略構成としては、
図５に示すように、推進剤貯蔵供給系３からの推進剤
（例えばキセノン）をを電離させてプラズマ１０を生成
するための放電室１、この放電室１のプラズマ１０から
イオンを抽出するスクリーンブリッド８及びイオンを静
電加速するアクセルグリッド９からなるイオン加速部、
更には噴出されるイオンビーム１１と同量の電子を放出
してイオンを中和しエンジンの帯電を防止する中和器２
から構成されている。

【０００４】この場合、イオン加速のうち、放電室１の
プラズマ１０に面した側のスクリーングリッド８は、直
径２〜３mm程の開口（ホール）を多数開けたメッシュ状
のものであって、正の高電位（通常＋１kv程度）にバイ
アスされており、他方スクリーングリッド８に隣接した
外側のアクセルグリッド９は、直径１mm程（スクリーン
グリッド８のホール径の半分程の孔径）の開口（ホー
ル）を多数開けたメッシュ状のものであって、負の高電
位（−５００Ｖ程度）にバイアスされている。そして、
このスクリーングリッド８とアクセルグリッド９のホー
ル中心が合致する（同心となる）ように、すなわち高精
度のホールアライメントとなるように、これらグリッド
８、９が形成されかつ相互に位置決めされる。

【０００５】ここにおいて、スクリーングリッド８のホ
ールサイズはアクセルグリッド９のそれより大きく形成
されているが、これは開口面積比率を高めて多数のイオ
ンを抽出し外部に加速・放出することによる。

【０００６】また、アクセルグリッド９のホールサイズ
が小さいのは、 好適な推進力としてはアクセルグリッドから適度の発
散角にてイオンビームが噴出する必要があるが、自然状
態で反発し合うイオンを加速しつつ一旦絞り込むことに
よりイオンビーム中のイオンどおしの反発力を抑え込み
グリッド９の通過後この反発力に起因して生ずるイオン
ビームの発散角を低減するためであり、また、 放電室１内の推進剤粒子がエンジン外部へ流出するの
を防止して推進剤利用効率を増加させるためであり、そ
して、 イオンエンジン外部に存在する宇宙空間プラズマ中の
電子や中和器２から放出された電子が正の高電位にある
スクリーングリッド８に引き寄せられるのを防止するバ
リアとしての役割を果たすためである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】エンジンの推進力を増
大させる等エンジンの性能の向上を図るべく、上述の如
くアクセルグリッド９のホールサイズをイオンビーム１
１と衝突する限界近くまで小さくすることになるが、他
方、このためにスクリーングリッド８とアクセルグリッ
ド９とのホールアライメント精度に対する要求は極めて
厳しくなり、イオンビーム１１をアクセルグリッド９の
ホール中心に絞り込んでアクセルグリッド９に衝突させ
ることなく後方に噴出するためには極めて高いアライメ
ント精度が要求される。

【０００８】しかしながら、この高アライメント精度と
するとしても機構上限度があり、殊にアクセルグリッド
９のホールサイズが小さい程アライメントが少しずれて
も加速されたイオンの一部がアクセルグリッドに衝突し
てしまうという事態が生じる。そして、この衝突が生じ
た場合には、イオン加速効率を低下させることになり、
かつグリッドを損耗させてエンジン寿命低下をもたら
す。

【０００９】つまり、エンジン性能を向上させるためア
クセルグリッド９のホールサイズを小さくする程、アク
セルグリッド９へのイオンの衝突が生じやすく加速効率
の低下ひいてはエンジン性能の低下とグリッド寿命の低
下をもたらすという相反する問題が生じている。

【００１０】本発明は、上述の問題に鑑み、アクセルグ
リッドのホールサイズを小さくしたとしてもアクセルグ
リッドへのイオンの衝突が無くまたあっても極めてわず
かで問題とならないイオンエンジンの提供を目的とす
る。

【００１１】更に、本発明は、アクセルグリッドへのイ
オンの衝突を無くすためのイオンビームの制御に起因し
て、イオンビーム加速方向を制御するイオンエンジンの
提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、次のように構成される。 （１）放電室内に生成されたプラズマ中のイオンを抽出
するスクリーングリッドとこのスクリーングリッドとの
間で電位差を有するアクセルグリッドを有するイオンエ
ンジンにおいて、前記アクセルグリッドの開口部周辺に
加速電極を分割して備え、この分割した加速電極それぞ
れを別々のアクセル電源に接続したことを特徴とする。 （２）前記（１）において、前記スクリーングリッドに
接続されたスクリーン電源と前記分割した加速電極それ
ぞれに接続された別々のアクセル電源とを制御する電源
制御回路と、前記別々のアクセル電源の各イオンインピ
ンジメント電流を検出する電流検出回路とを備え、更に
前記イオンイピンジメント電流の差にて前記電源制御回
路を制御する機能を有するエンジン制御器を有すること
を特徴とする。 （３）前記（１）において、前記アクセルグリッドには
微小位置制御装置を備えたことを特徴とする （４）前記（２）において、前記アクセルグリッドに備
えられた微小位置制御装置と、前記電源制御回路との少
なくとも一方を、前記電流検出回路で検出したイオンイ
ンピンジメント電流の差に基づき制御することを特徴と
する。

【００１３】イオン加速の際にアクセルグリッドに衝突
するイオンインピンジメント電流の分布を分割された加
速電極に流れる電流を比較することによって検出する。
これによりホールアライメントに対するイオンビームの
ずれ方向を知ることができる。

【００１４】加速電極の電位を個別に制御し、各加速電
極に流れるイオンインピンジメント電流量が均等になる
ように電位を調節する。これによってホールアライメン
トに対するイオンビームのずれを解消することができ
る。または目標とする方向に意図的にイオンビームを偏
向させることも可能である。

【００１５】

【発明の実施の形態】ここで、図１〜図４を参照しつつ
発明の実施の形態について説明する。なお、図１、図３
にて図５と同一部分には同符号を付す。図１において、
１は推進剤を電離させてプラズマ１０を生成する放電
室、２は噴出されたイオンを中和する電子を放出するた
めの中和器、３は例えばキセノン等の推進剤を貯蔵し放
電室１と中和器２とに供給するための推進剤貯蔵供給
系、４は放電室１及び中和器２のプラズマ及び電子生成
のための電力を供給するプラズマ生成電源、５はスクリ
ーングリッド８に正の高電圧を印加するためのスクリー
ン電源、７は推進剤貯蔵供給系３、プラズマ生成電源
４、スクリーン電源５の制御のためにバルブ制御回路７
１、電源制御回路７２を備えたエンジン制御器である。

【００１６】放電室１にはスクリーン電源５に接続され
たメッシュ状のスクリーングリッド８が備えられ、この
スクリーングリッド８の外側にはアクセルグリッド９が
存在する。ここで、アクセルグリッド９は図２に示すよ
うに絶縁体９３にて作られた薄板に多数の開口部９４
（ホール９４）が形成された構成を有し、各開口部９４
にはその周囲に２分割された加速電極９１及び加速電極
９２が埋め込まれた構造を有している。全ての開口部９
４に対する加速電極９１、９２の位置状態は全て共通で
あり、加速電極９１はアクセル電源６１に、加速電極９
２はアクセル電源６２にそれぞれ接続されている。

【００１７】スクリーングリッド８及びアクセルグリッ
ド９の開口部は、直径１mm〜３mm程度に形成され、スク
リーングリッド８には正の高電圧（＋１kv程度）が印加
されアクセルグリッド９にはアクセル電源６１、６２に
て負の高電圧（−２００Ｖ〜−５００Ｖ程度）が印加さ
れる。スクリーングリッド８ではイオンを抽出しアクセ
ルグリッド９ではイオンを加速しつつ絞り込むというそ
れぞれの機能により、スクリーングリッド８の開口部に
比してアクセルグリッド９の開口部９４のホールサイズ
が小さく形成されることは前述したとおりである。

【００１８】放電室１内のプラズマ中のイオンは、スク
リーングリッド８及びアクセルグリッド９の開口部を通
ってイオンビーム１１としてエンジン外部に噴出されて
推力を生ずる。

【００１９】ここにおいて、アクセルグリッド９による
イオンの加速と絞り込みは、スクリーングリッド８との
電位差とアクセルグリッド９の負電位の程度によるとこ
ろであるが、本例にあっては加速電極９１、９２が分割
され異なるアクセル電源６１、６２に接続されており、
互いに異なる負電位を印加することができる。したがっ
て、従来のようにアクセルグリッド全体が同一電位とな
らず、異なる電位を採る関係上スクリーングリッド８の
開口部からのイオンの挙動は、従来とは異なる。

【００２０】図１に示す構成ではエンジン制御器７内に
はアクセル電源６１，６２をそれぞれ制御する電源制御
回路７２が存在する外、各加速電極９１，９２に衝突す
るイオンによってアクセル電源６１，６２に流れ込むイ
オンインピンジメント電流を比較する電流比較回路７３
が備えられている。

【００２１】このため、イオンエンジン製造に当ってホ
ールアライメントを充分高精度に採りイオンインピンジ
メント電流がわずかであったとしてもエンジン駆動に伴
う熱歪みの発生により、また製造当初からのアクセルグ
リッドとスクリーングリッドとの開口部の同心度の狂い
により、イオンビームの衝突個数は加速電極９１と９２
とでは差が生じることになり、このためアクセル電源６
１と６２とに流れるイオンインピンジメント電流量に差
が生ずることになる。この電流量の違いをエンジン制御
器７内の電流比較回路７３によって検出し電源制御回路
７２を通じてイオンインピンジメント電流の多い方のア
クセル電源の出力電圧を上昇させる（ゼロに近づけ
る）。この結果、前述のイオンの挙動が変わりイオン加
速方向が変化してイオンビームがアクセルグリッドの開
口部中心に向って絞り込まれ、イオンの衝突が無くな
り、イオンインピンジメント電流が小さくなる。

【００２２】このようにして、ホールアライメントが高
精度に採れない状態が生じたとしても、加速電極を分割
しアクセル電源に流れるイオンインピンジメント電流の
差を無くす制御をすることにより、イオンインピンジメ
ント電流の差を小さくするのみならず、この電流そのも
のを小さくすることができ、換言すればイオンビームを
静電的にアクセルグリッド開口部９４の中心に絞り込ま
せることができる。

【００２３】図３は、これまで説明した分割した加速電
極によるイオンビームの加速方向変化に加えて、更にア
クセルグリッド９自体をも動かしてアクセルグリッド９
とスクリーングリッド８とのホールアライメントを調整
しようとし、しかも加えて分割した加速電極によるイオ
ンビームの加速方向変化と、アクセルグリッド９自体の
移動によりエンジン推力発生方向を変化させる例を示
す。

【００２４】すなわち、図３においてはアクセルグリッ
ド位置制御回路７４を通じて微小位置制御装置１００を
動作させることによりアクセルグリッド９とスクリーン
グリッド８とのホールアライメントを機械的に調整、イ
オンビームの開口部中心への絞り込みを達成するもので
ある。

【００２５】さらにまた、分割した加速電極９１，９２
によるイオンビームの加速方向変化と、アクセルグリッ
ド９の微小位置制御を組合わせることによって、イオン
エンジン本体を固定したままでの推力発生方向制御を効
率的に実施することが可能になる。すなわち微小位置制
御装置１００を用いてホールアライメント軸を希望する
推力発生方向にシフトさせ、次に電流比較回路７３及び
電源制御回路７２を用いてアクセル電源６１，６２の出
力電圧を調整してイオンビーム噴射方向をホールアライ
メント軸に一致させるように制御する。この結果、推力
発生方向が変化できる。

【００２６】図４はアクセルグリッドの開口部９４とし
てスロット状の開口部９５を形成した例を示している。
すなわち、スロットの長手方向片側ずつを別々の加速電
極９６，９７として形成し、この加速電極９６，９７を
アクセル電源６１，６２に接続している様子を示してい
る。その他の構成は図１又は図３と同じである。

【００２７】これまでの説明では加速電極の分割数を２
とした場合を述べたが、分割数が３以上の場合も可能で
あり、加速電極とアクセル電源の個数が増加しそれらの
結線も増加するが、分割数が多い程イオンビームの加速
方向の制御ならびにイオンインピンジメント電流の検出
がきめ細かになる。

【００２８】また、図３に示す例にてアクセルグリッド
９の移動をイオンビーム方向に対し垂直に動かすことと
したものであるが、アクセルグリッド９の移動をイオン
ビームに沿う方向にも移動することにより、静電レンズ
の焦点位置が変わりイオンビームの挙動を更にきめ細か
に制御することができる。

【００２９】なお、グリッドがアクセルとスクリーンの
２枚の外、更に外側にディセルグリッドを追加し、グラ
ンド電位に置いてアクセルグリッド下流の電界形状を整
えイオンビームの発散を防ぐ構造のものにも、本発明を
適用することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、イ
オンエンジンのイオン加速部におけるホールアライメン
トの狂いが生じたとしてもイオンインピンジメント電流
の検出と電位制御により静電的にイオンビームを開口部
中央に絞り込むことができ、イオンの衝突を防止できて
イオンエンジンの性能向上と長寿命化が図れ、更にイオ
ンエンジンを固定した状態のままにてイオンインピンジ
メント電流の増加なく、イオンビーム加速方向を制御し
つつアクセルグリッドを移動させることにより、推力発
生方向を変えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】イオンエンジンの実施の形態例を示す構造図。

【図２】アクセルグリッドの一例の構造図。

【図３】他の実施の形態例の構成図。

【図４】アクセルグリッドの他の例の構成図。

【図５】従来例の構成図。

【符号の説明】

１ 放電室 ２ 中和器 ３ 推進剤貯蔵供給系 ４ プラズマ生成電源 ５ スクリーン電源 ６ アクセル電源 ７ エンジン制御器 ８ スクリーングリッド ９ アクセルグリッド １０ プラズマ １１ イオンビーム ６１ アクセル電源 ６２ アクセル電源 ７１ バルブ制御回路 ７２ 電源制御回路 ７３ 電流比較回路 ７４ アクセルグリッド位置制御回路 ９１ 加速電極 ９２ 加速電極 ９３ 絶縁体 ９４ 開口部 １００ 微小位置制御装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電室内に生成されたプラズマ中のイオ
   ンを抽出するスクリーングリッドとこのスクリーングリ
   ッドとの間で電位差を有するアクセルグリッドとを有す
   るイオンエンジンにおいて、前記アクセルグリッドの開
   口部周囲に加速電極を分割して備え、この分割した加速
   電極それぞれを別々のアクセル電源に接続したことを特
   徴とするイオンエンジン。
2. 【請求項２】 前記スクリーングリッドに接続されたス
   クリーン電源と前記分割した加速電極それぞれに接続さ
   れた別々のアクセル電源とを制御する電源制御回路と、
   前記別々のアクセル電源の各イオンインピンジメント電
   流を検出する電流検出回路とを備え、更に前記イオンイ
   ンピンジメント電流の差にて前記電源制御回路を制御す
   る機能を有するエンジン制御器を有することを特徴とす
   る請求項１記載のイオンエンジン。
3. 【請求項３】 前記アクセルグリッドには微小位置制御
   装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載のイオン
   エンジン。
4. 【請求項４】 前記アクセルグリッドに備えられた微小
   位置制御装置と、前記電源制御回路との少なくとも一方
   を、前記電流検出回路によって検出したイオニンピンジ
   メント電流の差に基づき制御することを特徴とする請求
   項２記載のイオンエンジン。