JPH11230024A - 液体金属イオンスラスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力効率及び推進剤利用効率を損なうことな
く推力可変とし、ジンバル機構を備えることなく推力ベ
クトルの方向変更を可能ならしめるイオンスラスタを得
る。 【解決手段】 イオン源のヒーター７を通電し、液体金
属貯蔵部２３を加熱することにより液体金属貯蔵部２３
に貯蔵された低融点金属２４が溶融して、液体化した金
属が貯蔵部封止蓋２５の供給孔から針状電極２６に供給
され、イオン引出用電源２７をオンして針状電極２６の
針先に高電界を発生することにより、上記液体化した金
属が電界蒸発し、イオン電流２１として引き出される液
体金属イオン源をマトリックス状に並べた液体金属イオ
ンスラスタに、上記個々の液体金属イオン源のヒーター
７を選択するスイッチ２２を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、宇宙航行体に搭
載して推力を発生する液体金属イオンスラスタに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図１５は宇宙航行体に搭載して推力を発
生する従来のイオンスラスタを示す図であり、図におい
て、１はイオンスラスタ、２はプラズマ生成室、３はガ
ス供給口、４はイオン化されるガス、５はヒーター用電
源、６は陰極、７はヒーター、８は電子、９は陰極点火
放電維持用電源、１０は陰極点火放電維持用電極、１１
はプラズマ生成室点火放電維持用電源、１２は陽極、１
３は磁石、１４はポールピース、１５は磁力線、１６は
プラズマ、１７はプラズマ生成室用電源、１８は加速グ
リッド用電源、１９は加速グリッド電極、２０はスクリ
ーングリッド電極、２１はイオン電流である。

【０００３】次に動作について、図１５を用いて説明す
る。まずプラズマ生成室２内にガス供給口３からキセノ
ン等のイオン化されるガス４を導入し、プラズマ生成室
２をガス雰囲気とする。次にヒーター用電源５をオン
し、陰極６をヒーター７で加熱し、電子８を放出させ
る。なお陰極には中空陰極を用いることが多い。その場
合には中空陰極にもイオン化されるガスを供給し、陰極
加熱と同時に陰極点火放電維持用電源９をオンし、陰極
点火放電維持用電極１０に高電圧を印加する。放電発生
と共にプラズマが生成し、陰極が点火する。点火後は陰
極中空部に生成したプラズマにより陰極加熱が行われる
ため、ヒーター７による加熱は停止する。なお陰極点火
放電維持用電源９は放電を誘起するために点火前は定電
圧モードで動作し、点火後はプラズマ密度を一定とする
ため定電流モードで動作させる。陰極が点火した後、プ
ラズマ生成室点火放電維持用電源１１をオンし、陽極１
２に高電圧を印加し、放電を発生させる。放電に係る電
子電流は陰極６から発生した電子８からなる。電子８は
磁石１３とポールピース１４によってプラズマ生成室２
に形成された磁力線１５に拘束され、いわゆるラーマー
運動をしながら、プラズマ生成室２内のガス密度とガス
−電子間の衝突断面積によって決まる平均自由行程程度
飛行するとガス粒子４と衝突し、プラズマ１６が生成す
る。なお衝突断面積は電子のエネルギーの関数である。
またプラズマ生成室点火放電維持用電源１１をプラズマ
生成前は定電圧モードで動作させ、プラズマ生成後は定
電流モードで動作させることは陰極点火放電維持用電源
９と同様である。また、プラズマ生成室２の構造が同じ
時、プラズマ密度はほぼガス密度、放電に係る電子のエ
ネルギー、電子密度の積で決まる。プラズマが生成した
後、プラズマ生成室用高圧電源１７をオンし、プラズマ
生成室２全体を１ｋＶ程度の正の高電位に浮かし、かつ
加速グリッド用高圧電源１８をオンし、加速グリッド電
極１９に負の高電位を印加する。この時プラズマ生成室
２と同電位のスクリーングリッド電極２０と加速グリッ
ド電極１９からなる引出系が形成する正電界によりプラ
ズマ１６からイオン電流２１が引き出される。推力はイ
オン電流が噴出することで発生し、その大きさはイオン
電流×（２×イオン質量／イオン電荷×引出電圧）^1/2
である。ここで引出電圧はスクリーングリッド電極２０
と加速グリッド電極１９に印加される電圧の差である。

【０００４】さて、従来のイオンスラスタでは推力の大
きさを変更するためにプラズマ生成室２内のプラズマ密
度を変化させたり、引出電圧を変化することで実施して
いた。イオン電流２１はプラズマ密度に比例するため、
プラズマ密度を制御することで、イオン電流２１すなわ
ち推力を制御できる。プラズマ密度を変化させるには、
放電に係る電子電流を増減することで電子密度を増減し
たり、ガス４の流量を変更してプラズマ生成室２のガス
密度を変化することで実施する。また引出電圧を変更す
ることでも推力を変更することができる。スクリーング
リッド電極２０及び加速グリッド電極１９の印加電圧を
変更すると、プラズマのイオン放出面に印加される電界
強度が変化するため、イオン電流すなわち推力を制御で
きる。また従来、推力ベクトルの方向を変更するために
は、イオンスラスタ１をジンバル機構に設置し、ジンバ
ルを機械的に動かしてイオンスラスタ１の向きを変更す
ることで実施してきた。それは従来のイオンスラスタ１
は一枚の電極に多数の孔を開けたイオン電流引出系を用
いており、推力ベクトルの方向が一方向であるためであ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところがこのように構
成されたイオンスラスタ１は推力を発生する際、プラズ
マからイオンを抽出するため、また一枚の電極に多数の
孔を開けたグリッド電極１９，２０でイオンを抽出する
ため、宇宙航行体の推進装置として利用するためには次
のような問題があった。宇宙航行体に搭載される推進装
置は推力が可変であることを要求されることが多い。そ
の時、プラズマ生成室２内のプラズマ密度を変化させた
り、グリッド電極１９，２０に印加する電圧を変化させ
たりして、イオン電流２１を制御する。ところが、低推
力に制御する時にガス流量一定で放電電流を低下すると
ガス利用効率が低下し、イオン電流発生に寄与しない無
駄なガス量が増加する。また、放電電流一定でガス流量
を低下するとイオン電流に対する放電電力が上昇、すな
わち、電力効率が悪化し、電力を有効利用することがで
きない。

【０００６】また、宇宙航行体は推力方向制御を必要と
する場合があるが、従来のイオンスラスタは単一のグリ
ッド電極を利用してイオン電流を引き出すため、引出方
向を制御することができない。そこで、イオンスラスタ
本体をジンバル等に設置し、イオンスラスタの向きを機
械的に変更する必要がある。このことはイオンスラスタ
以外にジンバル駆動機構、駆動用動力源、制御系等の追
加が必要となり、システムの複雑化を招く。

【０００７】この発明は上記のような課題を改善するた
めになされたものであり、電力効率やガス利用効率を低
下させずに推力を可変とし、ジンバル機構を利用するこ
と無しに推力ベクトル方向の変更を可能とするイオンス
ラスタを提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明による液体金
属イオンスラスタは、推力を可変にできるように、ま
た、推力ベクトルの方向を変更できるように、イオン化
する金属を貯蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封
止蓋と、貯蔵部封止蓋から突出した針状電極と、貯蔵部
に接したヒーターと、貯蔵部封止蓋と対向する位置に針
状電極に電界を形成する有孔電極を配したイオン源をマ
トリックス状に並べたイオン発生部と、ヒーターに電力
を供給する電源と、有孔電極に電圧を印加する電源と、
ヒーターとヒーター用電源を繋ぐ電気的経路の間にヒー
ターを選択するスイッチとを具備したものである。

【０００９】第２の発明による液体金属イオンスラスタ
は、推力を可変にできるように、また、推力ベクトルの
方向を変更できるように、イオン化する金属を貯蔵する
貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、貯蔵部封止
蓋から突出した針状電極と、貯蔵部に接したヒーター
と、貯蔵部封止蓋と対向する位置に針状電極に電界を形
成する有孔電極を配したイオン源をマトリックス状に並
べたイオン発生部と、ヒーターに電力を供給する電源
と、有孔電極及び貯蔵部封止蓋に電圧を印加しイオンを
引き出す電源と、貯蔵部封止蓋とイオン引出電源の正極
とを繋ぐ電気的経路の間に貯蔵部封止蓋を選択するスイ
ッチと、有孔電極とイオン引出電源の負極とを繋ぐ電気
的経路の間に有孔電極を選択するスイッチを具備したも
のである。

【００１０】第３の発明による液体金属イオンスラスタ
は、推力を可変にできるように、また、推力ベクトルの
方向を変更できるように、イオン化する金属を貯蔵する
貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、貯蔵部封止
蓋から突出した針状電極と、貯蔵部封止蓋と対向する位
置に針状電極に電界を形成する有孔電極を配したイオン
源をマトリックス状に並べたイオン発生部と、有孔電極
に電圧を印加する電源と、イオン発生部に電子ビームを
照射する電子偏向手段を有した電子発生手段を具備した
ものである。

【００１１】第４の発明による液体金属イオンスラスタ
は、推力を可変にできるように、また、推力ベクトルの
方向を変更できるように、イオン化する金属を貯蔵する
貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、貯蔵部封止
蓋から突出した針状電極と、貯蔵部封止蓋と対向する位
置に針状電極に電界を形成する有孔電極を配したイオン
源をマトリックス状に並べたイオン発生部と、有孔電極
に電圧を印加する電源と、イオン発生部にレーザー光を
照射するレーザー偏向手段を有したレーザー発生手段を
具備したものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】実施の形態１ 図１はこの発明の実施の形態１による、イオン化する金
属を貯蔵する貯蔵部を独立にヒーター加熱し、イオン化
する金属を個々のイオン源の針状電極に供給することで
推力可変動作及び推力ベクトル方向変更動作が可能な液
体金属イオンスラスタの構成を示す図であり、図におい
て、１はイオンスラスタ、５はヒーター用電源、７はヒ
ーター、２１はイオン電流、２２はヒーター選択用スイ
ッチ、２３は液体金属貯蔵部、２５は供給孔を有する貯
蔵部封止蓋、２６は針状電極、２７はイオン引出用電
源、２８はイオン引出有孔電極である。また図２は液体
金属イオン源のイオン発生原理を説明する図であり、２
４は低融点金属である。また図３は最大推力発生時のヒ
ーター選択用スイッチの設定状態を説明する図である。
また図４は推力変更時及び推力ベクトル方向変更時のヒ
ーター選択用スイッチの設定状態を説明する図である。

【００１３】次に動作について図１〜４を用いて説明す
る。イオンスラスタ１はマトリックス状に配された多数
の液体金属イオン源から構成する。個々の液体金属イオ
ン源は液体金属貯蔵部２３、貯蔵部封止蓋２５、針状電
極２６、イオン引出有孔電極２８、ヒーター７から構成
する。ここで貯蔵部封止蓋２５とイオン引出有孔電極２
８はそれぞれの開孔が対向するように配置し、これらは
電気的に絶縁している。また針状電極２６は貯蔵部封止
蓋２５の供給孔から突出するように配置し、針状電極２
６とイオン引出有孔電極２８も電気的に絶縁している。
マトリックス状に配置された液体金属イオン源の全ての
イオン引出有孔電極２８は纏めてイオン引出用電源２７
の負極に接続され、全ての貯蔵部封止蓋２５は纏めてイ
オン引出用電源２７の正極に接続する。ヒーター選択ス
イッチ２２の構成は設定と共に後述する。イオンスラス
タ１の動作は次のようになる。まずヒーター用電源５を
オンし、ヒーター選択用スイッチ２２を所定の設定とす
る。この時イオンを発生する液体金属イオン源のヒータ
ー７のみに通電し、貯蔵部２３を加熱する。貯蔵部２３
に貯蔵された例えばインジウムやガリウム等の低融点金
属２４は熔融し、貯蔵部封止蓋２５の供給孔から針状電
極２６に供給される。ここでイオン引出用電源２７をオ
ンし、イオン引出有孔電極２８に負の高電圧、貯蔵部封
止蓋２５に正の高電圧を印加する。この時貯蔵部封止蓋
２５と針状電極２６は液体金属を介して同電位であるた
め、針状電極２６の針先に高電界が発生する。液体化し
た金属２４は静電力により針先方向に引かれる。一方、
液体化した金属には表面張力があり、元の形状を保とう
とする。静電力と表面張力とのバランスで、液体化した
金属は所謂テーラーコーンと呼ばれる円錐形状を形成す
る。この時、円錐の頂点部分は更に高電界となり、液体
化した金属は電界蒸発し、イオン電流２１として引き出
される。ここで引き出されるイオン電流は高々数μＡで
ある。例えばイオン電流を５μＡ、引出電圧を１ｋＶと
すると、イオンがインジウムであれば１８μＮに、ガリ
ウムであれば１４μＮに相当する。この程度の推力は従
来のイオンスラスタの数十〜数百ｍＮという推力と比較
すると小さいが、液体金属イオン源を数百個×数百個マ
トリックスに配置することで従来の推力と等価なものを
構成できる。

【００１４】次にイオンスラスタのヒーター選択用スイ
ッチ２２の設定を図３を用いて説明する。まずヒーター
選択用スイッチ２２の構成を説明する。ヒーター７には
例えば円盤状のカーボンヒーターを用いる。さてヒータ
ー７に通電する電気的経路はヒーター７に電流が流入す
る経路と電流が流出する経路がある。これら２系統の電
気的経路に別個に電流を切断するスイッチを配する。例
えばイオン源をＮ個×Ｎ個の液体金属イオン源のマトリ
ックスで形成する場合、電流流入経路に配されるスイッ
チ、電流流出経路に配されるスイッチは共にＮ個とな
る。これらＮ個の電流流入経路に配されるスイッチとＮ
個の電流流出経路に配されるスイッチをそれぞれ纏めて
ヒーター選択用スイッチ２２ａ，２２ｂとする。電流流
入経路のヒーター選択用スイッチはヒーター用電源５の
正極に接続され、電流流出経路のヒーター選択用スイッ
チはヒーター用電源５の負極に接続される。全イオン源
を動作させる場合、ヒーター選択用スイッチ２２ａ及び
２２ｂを全閉としておき、ヒーター用電源５をオンす
る。この時全てのイオン源のヒーター７に通電され貯蔵
部が加熱され、全ての針状電極にイオン化する金属が供
給される。次にイオン引出用電源２７をオンすると全て
の針状電極２６に高電界が印加され、イオン電流が引き
出される。この時がイオンスラスタの最大出力時であ
る。

【００１５】次にイオンスラスタを構成するイオン源を
選択的に動作させる場合のヒーター選択用スイッチの設
定を図４を用いて説明する。この時が推力可変動作、推
力ベクトルの方向変更時である。例えば、７ａのヒータ
ーを有する１つのイオン源のみ動作させる場合を説明す
る。ヒーター選択用スイッチ２２ａのイ及び２２ｂのロ
のみ閉とし、その他のスイッチは開としておき、ヒータ
ー用電源５をオンする。この時イオン源７ａのヒーター
のみ通電されイオン化される金属が針状電極２６に供給
される。次に引出電源２７をオンし、針状電極２６に高
電界を印加すると７ａのヒーターを有するイオン源のみ
からイオン電流が引き出される。こうした選択動作はヒ
ーター選択用スイッチ２２の設定により任意の数のイオ
ン源に対して可能であり、任意の位置に配されたイオン
源に対しても可能である。

【００１６】実施の形態２ 図５はこの発明の実施の形態２による、イオン引出有孔
電極に独立に電圧を印加することで推力可変動作及び推
力ベクトルの方向変更動作が可能な液体金属イオンスラ
スタの構成を示す図であり、図において、１はイオンス
ラスタ、５はヒーター用電源、７はヒーター、２１はイ
オン電流、２３は液体金属貯蔵部、２５は供給孔を有す
る貯蔵部封止蓋、２６は針状電極、２７はイオン引出用
電源、２８はイオン引出有孔電極、２９は針状電極選択
スイッチ、３０は引出電極選択スイッチである。また図
６は最大推力発生時の針状電極選択スイッチ及び引出電
極選択スイッチの設定状態を説明する図である。また図
７は推力変更時、推力ベクトルの方向変更時の針状電極
選択スイッチ及び引出電極選択スイッチの設定状態を説
明する図である。

【００１７】次に動作について図５〜７を用いて説明す
る。まずイオンスラスタを構成する液体金属イオン源を
全て動作させる場合を図５及び図６を用いて説明する。
イオンスラスタ１を構成する液体金属イオン源の構成は
実施の形態１と同じである。マトリックス状に配置され
た液体金属イオン源の全てのヒーター７の電流流入経路
は纏めてヒーター用電源５の正極に接続し、全ての電流
流出経路は纏めてヒーター用電源５の負極に接続する。
針状電極選択用スイッチ２９と引出電極選択スイッチ３
０の構成は次のようになる。液体金属イオン源の貯蔵部
封止蓋２５を行方向に電気的経路で繋ぎ、液体金属イオ
ン源のイオン引出有孔電極２８を列方向に電気的経路で
繋ぐ。例えばイオン源をＮ個×Ｎ個の液体金属イオン源
のマトリックスで形成する場合、貯蔵部封止蓋に係る電
気的経路はＮ本、イオン引出有孔電極に係る電気的経路
はＮ本となる。Ｎ×２本の電気的経路は正極、負極を選
択するスイッチを介してイオン引出用電源２７に接続す
る。なお針状電極２６は液体金属を介して貯蔵部封止蓋
２５と同電位となる。針状電極２６に係る電気的経路の
正極／負極選択スイッチを纏めて針状電極選択スイッチ
２９を構成し、イオン引出有孔電極２８に係る電気的経
路の正極／負極選択スイッチを纏めて引出電極選択スイ
ッチ３０を構成する。イオンスラスタ１の動作は次のよ
うになる。まずヒーター用電源５をオンし、ヒーター７
に通電、液体金属貯蔵部２３を加熱し、イオン化される
金属を溶融し、貯蔵部封止蓋２５の供給孔から針状電極
２６に供給しておく。次に引出用電源２７をオンし、イ
オン引出有孔電極２８に高電圧を印加することで針状電
極２６の先端に高電界を発生させる。この時針状電極選
択スイッチ２９をイオン引出用電源２７の正極に繋ぎ、
引出電極選択スイッチ３０を引出用電源２７の負極に繋
ぐ。この時全ての針状電極２６に高電界が印加され、イ
オン電流が引き出される。この時が本スラスタの最大出
力時である。

【００１８】次に液体金属イオン源集合体を選択的に動
作させる時を図５及び図７を用いて説明する。この時が
推力可変動作、推力ベクトルの方向変更時である。まず
ヒーター電源５をオンし、ヒーター７に通電、液体金属
貯蔵部２３を加熱し、イオン化される金属を溶融し、溶
融した金属が貯蔵部封止蓋２５の供給孔から針状電極２
６に供給するのは最大出力時動作と同様である。例え
ば、２８ａのイオン引出有孔電極を有するイオン源のみ
動作させる場合を説明する。針状電極選択スイッチ２９
のイのみをイオン引出用電源２７の正極に繋ぎ、その他
のスイッチをイオン引出用電源２７の負極に繋ぎ、また
引出電極選択スイッチ３０のロのみをイオン引出用電源
２７の負極に繋ぎ、その他のスイッチをイオン引出用電
源２７の正極に繋ぐ。この時イオン引出用電源２７をオ
ンすると、イオン引出有孔電極２８ａを有するイオン源
の針状電極２６にのみ正の高電界が印加されイオン電流
が引き出される。その他のイオン源には負の高電界が印
加されるためイオン電流は引き出されない。こうした選
択動作は任意の数のイオン源に対して可能であり、また
任意の位置に配されたイオン源に対しても可能であるこ
とは言う迄もない。

【００１９】実施の形態３ 図８はこの発明の実施の形態３による、イオン化する金
属を貯蔵する貯蔵部を電子ビームによって独立に加熱す
ることで推力可変動作及び推力ベクトルの方向変更動作
が可能な液体金属イオンスラスタの構成を示す図であ
り、図において、１はイオンスラスタ、２１はイオン電
流、３１は電子ビーム発生装置、３２は電子ビーム用陰
極、３３は引出加速レンズ、３４は収束レンズ、３５は
偏向レンズ、３６は電子ビームである。また図９はイオ
ンスラスタの拡大図であり、１はイオンスラスタ、２１
はイオン電流、２３は液体金属貯蔵部、２５は貯蔵部封
止蓋、２６は針状電極、２７はイオン引出用電源、２８
はイオン引出有孔電極である。また図１０は偏向レンズ
を静電偏向レンズで構成した例である。また図１１は最
大推力発生時の静電偏向レンズ駆動電圧、推力変更時及
び推力ベクトルの方向変更時の静電偏向レンズ駆動電圧
の例を示す図である。

【００２０】次に動作について図８〜１１を用いて説明
する。図９でイオンスラスタ１は図１の実施の形態１か
らヒーター用電源５、ヒーター７及びヒーター選択用ス
イッチ２２を除いたものである。図８で収束レンズ３４
は電界収束レンズで構成しても電磁収束レンズで構成し
ても良い。また、偏向レンズ３５も静電偏向レンズ、電
磁偏向レンズ何れで構成しても良い。収束レンズ３４に
は電子ビーム収束に必要な電場もしくは磁場を形成する
ため、電界収束レンズの場合は所定の電圧を、電磁収束
レンズの場合は所定の電流を印加する。また偏向レンズ
３５の動作の一例として静電偏向レンズで構成した場合
の動作は次のようになる。この時偏向レンズは図１０に
示すように例えば対向する２組の電極板３５ａ，３５ｂ
から構成される。さて、電子ビームの偏向距離は偏向板
の長さ×偏向板中心からイオンスラスタ迄の距離×偏向
板に印加する電圧／（２×偏向板間隔×加速電圧）で表
される。従って偏向板３５ａ，３５ｂに印加する電圧を
変更することで偏向距離を変更することができ、任意の
位置のイオン源に電子ビームを照射、加熱することがで
きる。例えばイオンスラスタ１の全イオン源を加熱する
ため、図１１（Ａ）のように電子ビームを走査する時横
方向偏向板３５ａには図１１（ａ）に示す周期的な駆動
電圧波形を印加し、縦方向偏向板３５ｂには横方向偏向
板駆動電圧に同期して図１１（ｂ）に示す周期的な駆動
電圧波形を印加する。ここで電圧ＶＸ，ＶＹはそれぞれ
横方向偏向距離最大、縦方向偏向距離最大となる位置に
あるイオン源に電子ビームを照射するために必要な電圧
である。なお偏向距離は偏向板３５ａ，３５ｂに電圧を
印加しない時、電子ビームが照射する位置を基準とす
る。また、イオン源を選択的に動作させる場合には偏向
レンズ３５の偏向動作を所望のイオン源の貯蔵部のみ走
査するようにしておく。例えば図１１（Ｂ）に示す横方
向位置Ｘ１からＸ２、縦方向位置Ｙ１からＹ２の範囲に
あるイオン源を動作させるためには横方向偏向板、縦方
向偏向板にそれぞれ図１１（ｃ）、図１１（ｄ）の駆動
電圧を印加する。ここで電圧ＶＸ１，ＶＸ２，ＶＹ１，
ＶＹ２はそれぞれ横方向偏向距離Ｘ１の位置、横方向偏
向距離Ｘ２の位置、縦方向偏向距離Ｙ１の位置、横方向
偏向距離Ｙ２の位置にあるイオン源に電子ビームを照射
するために必要な印加電圧である。

【００２１】イオンスラスタ１の全イオン源を動作させ
る場合の動作は次のようになる。まず電子ビーム発生装
置３１の電子ビーム用陰極３２を加熱し、熱電子がエミ
ッションできる温度とする。また収束レンズ３４には所
定の電圧もしくは電流を印加し、偏向レンズ３５の偏向
動作はイオンスラスタ１の全てのイオン源を走査するよ
うに設定しておく。ここで引出加速レンズ３３に所定の
電圧を印加すると、電子ビーム用陰極３２から電子ビー
ム３６が引き出される。電子ビーム３６は収束レンズ３
４により加速収束され、偏向レンズ３５により全てのイ
オン源貯蔵部２３を加熱するように走査される。電子ビ
ーム照射により、液体金属貯蔵部２３が加熱され、イオ
ン化する金属を溶融し、貯蔵部封止蓋２５の供給孔から
全ての針状電極２６に供給される。次に引出用電源２７
をオンしイオン引出有孔電極２８に電圧を印加すると全
ての針状電極２６に高電界が印加され、イオン電流２１
が引き出される。また、イオン源を選択的に動作させる
場合には偏向レンズ３５の偏向動作を所望のイオン源の
貯蔵部のみ走査するようにしておく。電子ビーム３６は
全イオン源を動作させる場合と同様に、加速収束し、偏
向レンズを経てイオンスラスタに到達する。この時電子
ビームが照射され、液体金属貯蔵部２３が加熱されたイ
オン源のみからイオン電流が引き出される。こうした選
択動作は任意の数のイオン源に対して可能であり、任意
の位置に配されたイオン源に対しても可能である。

【００２２】実施の形態４ 図１２はこの発明の実施の形態４による、イオン化する
金属を貯蔵する貯蔵部をレーザー光によって独立に加熱
することで推力可変動作が可能な液体金属イオンスラス
タの構成を示す図であり、図において、１はイオンスラ
スタ、３７はレーザー発生手段、３８はレーザー光偏向
手段、３９はレーザー発振器、４０はレーザー光、４１
は収束レンズである。また図１３はレーザー光偏向手段
を回転駆動反射鏡で構成した例である。また図１４は最
大推力発生時の反射鏡駆動角度、推力変更時及び推力ベ
クトルの方向変更時の反射鏡駆動角度の例を示す図であ
る。

【００２３】次に動作について図９及び図１２〜１４を
用いて説明する。レーザー光偏向手段３８は例えば図１
３に示すように独立に回転駆動することで直交する２軸
にレーザー光を照射できる２枚の反射鏡３８ａ，３８ｂ
で構成する。それぞれの反射鏡の最大回転角度は各軸の
最大偏向距離に位置するイオン源にレーザー光を照射す
るために必要な角度である。イオンスラスタ１の全イオ
ン源を加熱する場合、図１４（ａ）に示す周期的な回転
角度で横方向偏向反射鏡３８ａを回転駆動し、図１４
（ｂ）に示す周期的な回転角度で縦方向偏向反射鏡３８
ｂを回転駆動する。ここで角度Ａｘ，Ａｙはそれぞれ横
方向偏向距離最大、縦方向偏向距離最大となる位置にあ
るイオン源にレーザー光を照射するために必要な角度で
ある。なお偏向距離は反射鏡３８ａ，３８ｂが共に角度
０の時、レーザー光が照射する位置を基準とする。ま
た、イオン源を選択的に動作させる場合にはレーザー偏
向手段３８の偏向動作を所望のイオン源の貯蔵部のみ走
査するようにしておく。例えば横方向位置ｘ１からｘ
２、縦方向位置ｙ１からｙ２の範囲にあるイオン源を動
作させるためには図１４（ｃ）の角度で横方向偏向反射
鏡、図１４（ｄ）の縦方向偏向反射鏡を駆動する。ここ
で電圧ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＹ１，ＡＹ２はそれぞれ横方
向偏向距離Ｘ１の位置、横方向偏向距離Ｘ２の位置、縦
方向偏向距離Ｙ１の位置、縦方向偏向距離Ｙ２の位置に
あるイオン源にレーザー光を照射するために必要な角度
である。

【００２４】イオンスラスタ１の全イオン源を動作させ
る場合の動作は次のようになる。レーザー発生手段３７
を構成するレーザー偏向手段３８の偏向動作はイオンス
ラスタ１の全てのイオン源を走査するようにしておく。
レーザー発振器３９から引き出されたレーザー光４０は
収束レンズ４１により収束、レーザー偏向手段３８によ
り偏向され、全てのイオン源の貯蔵部２３を加熱するよ
うに走査される。レーザー光照射により、貯蔵部２３は
加熱され、イオン化される金属を溶融し、針状電極２６
に供給される。次にイオン引出用電源２７をオンしイオ
ン引出有孔電極２８に電圧を印加すると全ての針状電極
２６に高電界が印加され、イオン電流が引き出される。
また、イオン源を選択的に動作させる場合にはレーザー
偏向手段３７の偏向動作を所望のイオン源の貯蔵部のみ
走査するようにしておく。この時はレーザー光が照射さ
れ、貯蔵部が加熱されたイオン源のみからイオン電流が
引き出される。こうした選択動作は任意の数のイオン源
に対して可能であり、任意の位置に配されたイオン源に
対しても可能である。

【００２５】

【発明の効果】第１の発明によれば、針状電極と液体金
属貯蔵部とヒーターと供給孔を有する貯蔵部蓋とイオン
引出有孔電極からなるイオン源を多数並べたイオン発生
部と、ヒーター用電源と、イオン引出用電源と、ヒータ
ー選択用スイッチを具備することにより、任意の数およ
び任意の位置のイオン源からイオンビームを発生するこ
とが可能となり、電力効率及び推進剤利用効率を低下さ
せることなく、推力を可変にできる効果がある。また、
推力発生部の向きを変更する機構を設けなくても推力ベ
クトルの方向を変更できる効果がある。

【００２６】第２の発明によれば、針状電極と液体金属
貯蔵部とヒーターと供給孔を有する貯蔵部封止蓋とイオ
ン引出有孔電極からなるイオン源を多数並べたイオン発
生部と、ヒーター用電源と、引出用電源と、針状電極選
択スイッチと、引出電極選択スイッチを具備することに
より、任意の数および任意の位置のイオン源からイオン
ビームを発生することが可能となり、電力効率及び推進
剤利用効率を低下させることなく、推力を可変にできる
効果がある。また、推力発生部の向きを変更する機構を
設けなくても推力ベクトルの方向を変更できる効果があ
る。

【００２７】第３の発明によれば、針状電極と液体金属
貯蔵部と供給孔を有する貯蔵部封止蓋とイオン引出有孔
電極からなるイオン源を多数並べたイオン発生部と、引
出用電源と、電子ビーム偏向手段を有する電子ビーム発
生手段を具備することにより、任意の数および任意の位
置のイオン源からイオンビームを発生することが可能と
なり、電力効率及び推進剤利用効率を低下させることな
く、推力を可変にできる効果がある。また、推力発生部
の向きを変更する機構を設けなくても推力ベクトルの方
向を変更できる効果がある。

【００２８】第４の発明によれば、針状電極と液体金属
貯蔵部と供給孔を有する貯蔵部封止蓋とイオン引出有孔
電極からなるイオン源を多数並べたイオン発生部と、引
出用電源と、レーザー偏向手段を有するレーザー発生手
段を具備することにより、任意の数および任意の位置の
イオン源からイオンビームを発生することが可能とな
り、電力効率及び推進剤利用効率を低下させることな
く、推力を可変にできる効果がある。また、推力発生部
の向きを変更する機構を設けなくても推力ベクトルの方
向を変更できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１を示す液体金属イオ
ンスラスタの構成例を示す図である。

【図２】 この発明の実施の形態１を示す液体金属イオ
ンスラスタの動作原理を説明する図である。

【図３】 この発明の実施の形態１を示す液体金属イオ
ンスラスタの最大推力発生時のヒーター選択スイッチの
設定状態を説明する図である。

【図４】 この発明の実施の形態１を示す液体金属イオ
ンスラスタの推力変更時及び推力ベクトルの方向変更時
のヒーター選択スイッチの設定状態を説明する図であ
る。

【図５】 この発明の実施の形態２を示す液体金属イオ
ンスラスタの構成例を示す図である。

【図６】 この発明の実施の形態２を示す液体金属イオ
ンスラスタの最大推力発生時の針状電極選択スイッチ、
引出電極選択スイッチの設定状態を説明する図である。

【図７】 この発明の実施の形態２を示す液体金属イオ
ンスラスタの推力変更時及び推力ベクトルの方向変更時
の針状電極選択スイッチ、引出電極選択スイッチの設定
状態を説明する図である。

【図８】 この発明の実施の形態３を示す液体金属イオ
ンスラスタの構成例を示す図である。

【図９】 この発明の実施の形態３を示す液体金属イオ
ンスラスタ部を示す図である。

【図１０】 この発明の実施の形態３を示す液体金属イ
オンスラスタの偏向レンズを静電偏向レンズで構成した
液体金属スラスタの構成例を示す図である。

【図１１】 この発明の実施の形態３を示す液体金属イ
オンスラスタの最大推力発生時の静電偏向レンズ駆動電
圧例、推力変更時及び推力ベクトルの方向変更時の静電
偏向レンズ駆動電圧例を示す図である。

【図１２】 この発明の実施の形態４を示す液体金属イ
オンスラスタの構成例を示す図である。

【図１３】 この発明の実施の形態４を示す液体金属イ
オンスラスタのレーザー光偏向手段を反射鏡で構成した
液体金属スラスタの構成例を示す図である。

【図１４】 この発明の実施の形態４を示す液体金属イ
オンスラスタの最大推力発生時の反射鏡駆動角度、推力
変更時及び推力ベクトルの方向変更時の反射鏡駆動角度
の例を示す図である。

【図１５】 従来のイオンスラスタの構成例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ イオンスラスタ ２ プラズマ生成室 ３ ガス供給口 ４ イオン化されるガス ５ ヒーター用電源 ６ 陰極 ７ ヒーター ８ 電子 ９ 陰極点火放電維持用電源 １０ 陰極点火放電維持用電極 １１ プラズマ生成室点火放電維持用電源 １２ 陽極 １３ 磁石 １４ ポールピース １５ 磁力線 １６ プラズマ １７ プラズマ生成室用電源 １８ 加速グリッド電源 １９ 加速グリッド電極 ２０ スクリーングリッド電極 ２１ イオン電流 ２２ ヒーター選択用スイッチ ２３ 液体金属貯蔵部 ２４ 低融点金属 ２５ 貯蔵部封止蓋 ２６ 針状電極 ２７ イオン引出用電源 ２８ イオン引出有孔電極 ２９ 針状電極選択スイッチ ３０ 引出電極選択スイッチ ３１ 電子ビーム発生装置 ３２ 電子ビーム用陰極 ３３ 引出加速レンズ ３４ 収束レンズ ３５ 偏向レンズ ３６ 電子ビーム ３７ レーザー発生手段 ３８ レーザー光偏向手段 ３９ レーザー発振器 ４０ レーザー光 ４１ 収束レンズ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 宇宙航行体に搭載して推力を発生する液
   体金属イオンスラスタにおいて、イオン化する金属を貯
   蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、上記
   貯蔵部封止蓋から突出した針状電極と、上記貯蔵部に接
   したヒーターと、上記貯蔵部封止蓋と対向する位置に上
   記針状電極に電界を形成する有孔電極を配したイオン源
   をマトリックス状に並べたイオン発生部と、上記ヒータ
   ーに電力を供給する電源と、上記有孔電極に電圧を印加
   しイオンを引き出す電源と、上記ヒーターと上記ヒータ
   ー用電源を繋ぐ電気的経路の間に上記複数のイオン源の
   うち任意のイオン源に対応する上記ヒーターを選択する
   スイッチとを具備したことを特徴とする液体金属イオン
   スラスタ。
2. 【請求項２】 宇宙航行体に搭載して推力を発生する液
   体金属イオンスラスタにおいて、イオン化する金属を貯
   蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、上記
   貯蔵部封止蓋から突出した針状電極と、上記貯蔵部に接
   したヒーターと、上記貯蔵部封止蓋と対向する位置に上
   記針状電極に電界を形成する有孔電極を配したイオン源
   をマトリックス状に並べたイオン発生部と、上記ヒータ
   ーに電力を供給する電源と、上記有孔電極及び上記貯蔵
   部封止蓋に電圧を印加しイオンを引き出す電源と、上記
   貯蔵部封止蓋と上記イオン引出電源の正極とを繋ぐ電気
   的経路の間に上記貯蔵部封止蓋を選択するスイッチと、
   上記有孔電極と上記イオン引出電源の負極とを繋ぐ電気
   的経路の間に上記有孔電極を選択するスイッチとを具備
   したことを特徴とする液体金属イオンスラスタ。
3. 【請求項３】 宇宙航行体に搭載して推力を発生する液
   体金属イオンスラスタにおいて、イオン化する金属を貯
   蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、上記
   貯蔵部封止蓋から突出した針状電極と、上記貯蔵部封止
   蓋と対向する位置に上記針状電極に電界を形成する有孔
   電極を配したイオン源をマトリックス状に並べたイオン
   発生部と、上記有孔電極に電圧を印加する電源と、上記
   イオン発生部に電子ビームを照射する電子偏向手段を有
   した電子発生手段とを具備したことを特徴とする液体金
   属イオンスラスタ。
4. 【請求項４】 宇宙航行体に搭載して推力を発生する液
   体金属イオンスラスタにおいて、イオン化する金属を貯
   蔵する貯蔵部と、供給孔を有する貯蔵部封止蓋と、上記
   貯蔵部封止蓋から突出した針状電極と、上記貯蔵部封止
   蓋と対向する位置に上記針状電極に電界を形成する有孔
   電極を配したイオン源をマトリックス状に並べたイオン
   発生部と、上記有孔電極に電圧を印加する電源と、上記
   イオン発生部にレーザー光を照射するレーザー偏向手段
   を有したレーザー発生手段とを具備したことを特徴とす
   るイオンスラスタ。