KR102635775B1 - 통합된 고체 추진제를 갖는 그리드 이온 스러스터 - Google Patents

통합된 고체 추진제를 갖는 그리드 이온 스러스터 Download PDF

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Abstract

본 발명은
- 챔버(10),
- 고체 추진제(PS)를 포함하는 저장조(20)로서, 상기 저장조는 챔버(10) 내에 하우징되고 적어도 하나의 오리피스(22)가 제공된 전도성 재킷(21)을 포함하는, 저장조(20);
- 챔버 내에 이온-전자 플라즈마를 형성하는 수단(30, 40)으로서, 이 수단은 저장조(20) 내의 고체 추진제를 승화시키고, 그 다음에 오리피스(22)를 통해 저장조(20)에서 나오는 승화된 추진제로부터 상기 챔버(10) 내에 상기 플라즈마를 발생시킬 수 있는, 이온-전자 플라즈마를 형성하는 수단(30, 40);
- 챔버(10)에서 플라즈마의 이온 및 전자를 추출하고 가속시키는 수단(50)으로서, 이는 챔버(10)의 일 단부(E)에 적어도 2개의 그리드(52', 51)를 포함하는, 이온 및 전자를 추출하고 가속시키는 수단(50); 및
- 이온과 전자의 플라즈마 주파수 사이에 포함된 무선주파수 신호를 발생시키고, 커패시터(53)와 직렬로 배치되고, 그 출력부 중 하나에 의해 그리고 이 커패시터(53)를 통해 그리드 중 하나(52')에 연결된 무선주파수 AC 전압 소스(30)로서, 다른 그리드(51)는 상기 전압 소스(30)의 다른 출력부에 연결되는, 무선주파수 AC 전압 소스(30)를 포함하고,
상기 추출하고 가속시키는 수단(50) 및 상기 전압 소스(30)는 챔버(10)의 출력부에서 이온-전자 빔(70)을 형성하는 것을 가능하게 하는 이온 스러스터(100)에 관한 것이다.

Description

통합된 고체 추진제를 갖는 그리드 이온 스러스터
본 발명은 통합된 고체 추진제를 포함하는 플라즈마 스러스터에 관한 것이다.
본 발명은 더 정확하게는 그리드를 가지며, 통합된 고체 추진제를 포함하는 이온 스러스터에 관한 것이다.
본 발명은 위성 또는 우주 탐사기에 적용될 수 있다.
보다 특히, 본 발명은 소형 위성에 적용될 수 있다. 통상적으로, 본 발명은 6kg 내지 100kg 의 무게를 가지며, 선택적으로 500kg까지의 범위를 가질 수 있는 위성에 대해 적용될 것이다. 특히 흥미로운 적용 사례는 기본 모듈(U)의 무게가 1kg 미만이고 치수가 10cm*10cm*10cm인 "CubeSat"과 관련된다. 본 발명에 따른 플라즈마 스러스터는 특히 모듈(1U) 또는 데미 모듈(1/2U)에 통합되고, 2(2U), 3(3U), 6(6U), 12(12U) 이상에 의한 여러 모듈의 스택에서 사용될 수 있다.
고체 추진제 플라즈마 스러스터는 이미 제안되었다.
플라즈마 챔버를 구현하는지 여부에 따라 두 가지 범주로 분류될 수 있다.
문헌 <Keidar & al., "Electric propulsion for small satellites", Plasma Phys. Control. Fusion, 57 (2015)>(D1)에, 모두 고체 추진제의 제거에 기초한, 고체 추진제로부터 플라즈마를 발생시키는 다양한 기술이 기재되어 있다. 고체 추진제는 외부 공간, 즉 위성 또는 우주 탐사기를 위한 공간에, 플라즈마 챔버가 없이 직접 제공된다.
제1 기술에 따르면, 전기 방전이 수행되는 애노드와 캐소드 사이에 Teflon(고체 추진제)이 배치된다. 이러한 전기 방전은 외부 공간에서 직접 이온 빔을 발생시키기 위해 Teflon의 제거, 이온화, 및 가속을 주로 전자기적으로 야기한다.
제2 기술에 따르면, 고체 추진제, 예를 들어 PVC 또는 Kapton®의 제거 및 이온화를 수행하는 데 레이저 빔이 사용된다. 이온의 가속은 일반적으로 전자기적으로 수행된다.
제3 기술에 따르면, 절연체가 모두 진공 상태에 있는 애노드와 캐소드 사이에 배치된다. 캐소드인 금속이 이온을 발생시키기 위해 제거 재료로서 사용된다. 가속은 전자기적으로 수행된다.
이 문헌에 설명된 기술은 비교적 컴팩트한 스러스터를 획득하는 것을 가능하게 한다. 실제로, 고체 추진제는 제거되고 이온화되며, 이온은 올인원 디바이스로 추진력을 확보하기 위해 가속된다.
그러나, 결과는 고체 추진제, 플라즈마, 및 이온 빔의 승화에 대한 별도의 제어가 없다는 것이다.
특히, 이온 빔은 고체 추진제의 제거 및 이온의 속도에 의해 유도된 플라즈마의 밀도를 제어하는 별도의 수단이 없기 때문에 다소 제어된다. 결과적으로, 스러스터의 추진력 및 특정 펄스는 별도로 제어될 수 없다.
우리는 일반적으로 플라즈마 챔버가 구현될 때 이러한 유형의 단점을 갖지 않는다.
문헌 <Polzin & al., "Iodine Hall Thruster Propellant Feed System for a CubeSat", American Institute of Aeronautics and Astronautics>(D2)은 홀 효과(Hall effect) 하에서 동작하는 스러스터를 위한 고체 추진제 공급 시스템을 제안한다.
이 공급 시스템은 플라즈마 챔버를 구현하는 임의의 스러스터에 사용될 수 있다.
실제로, 문헌 D2에서, 고체 추진제(여기서는 요오드(I2))가 저장조에 저장된다. 가열 수단이 저장조와 연관된다. 이 가열 수단은 저장조의 바깥에 있는 외부의 복사열을 수용할 수 있는 요소일 수 있다. 이와 같이, 저장조가 가열되는 경우, 이원자 요오드가 승화된다. 가스 상태의 이원자 요오드는 저장조에서 배출되어, 저장조에서 거리를 두고 위치된 챔버로 향하게 되고, 플라즈마를 형성하기 위해 이온화된다. 이온화는 여기서 홀 효과를 통해 수행된다. 플라즈마 챔버 내로 진입하는 가스의 유량은 저장조와 이 챔버 사이에 배치된 밸브에 의해 제어된다. 문헌 D1에 기술된 기술과 관련하여, 이원자 요오드의 승화 및 플라즈마의 특성의 보다 좋은 제어가 이와 같이 수행될 수 있다.
또한, 챔버에서 나오는 이온 빔의 특성은 따라서 고체 추진제를 승화시키고 플라즈마를 발생시키도록 구현된 수단과 별도로 이온을 추출하고 가속시키는 수단에 의해 제어될 수 있다.
따라서, 이 시스템은 문헌 D1에 기술된 것과 관련하여 많은 이점을 가지고 있다.
그러나, 문헌 D2에서, 이러한 공급 시스템의 존재는 플라즈마 스러스터를 컴팩트하게 하기 어렵고, 결과적으로 소형 위성, 특히 "CubeSat" 유형의 모듈에 대해서는 거의 고려되기 어렵다.
US 8 610 356(D3)에서, 플라즈마 챔버로부터 거리를 두고 위치된 저장조에 저장된 요오드(I2)와 같은 추진제를 사용하는 시스템이 또한 제안되었다. 저장조에서 나오는 이원자 요오드 가스의 유량 제어는 저장조의 출구에 설치되고 저장조 온도의 제어 루프에 연결된 온도 센서 및 압력 센서에 의해 수행된다.
여기서도, 시스템은 매우 컴팩트하지 않다.
문헌 D2 또는 문헌 D3에서 제안된 것과 동일한 유형의 시스템에서, 문헌 US 6 609 363(D4)을 언급할 수 있다.
플라즈마 챔버 내의 통합된 추진제 플라즈마 스러스터는 US 7 059 111(D5)에서 이미 제안되어 있음에 유의한다. 홀 효과에 기초한 이 플라즈마 스러스터는 따라서 문헌 D2, 문헌 D3, 또는 문헌 D4에서 제안된 것보다 더 컴팩트할 수 있다. 또한, 문헌 D1과 관련하여, 추진제의 증발, 플라즈마, 및 이온 추출을 보다 잘 제어할 수 있다. 그러나, 추진제는 액체 상태로 저장되며, 저장조에서 나오는 가스의 유량을 제어하기 위해 추가 전극 시스템을 사용한다.
본 발명의 목적은 전술한 단점 중 적어도 하나를 극복하는 것이다.
이 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
- 챔버,
- 고체 추진제를 포함하는 저장조로서, 상기 저장조는 챔버 내에 하우징되고 적어도 하나의 오리피스가 제공된 전도성 재킷을 포함하는, 저장조;
- 챔버 내에 이온-전자 플라즈마를 형성하는 수단의 세트로서, 상기 세트는 저장조 내의 고체 추진제를 승화시켜 가스 상태의 추진제를 형성하고, 그 다음에 상기 적어도 하나의 오리피스를 통해 저장조에서 나오는 가스 상태의 추진제로부터 상기 챔버 내에 상기 플라즈마를 발생시킬 수 있는, 이온-전자 플라즈마를 형성하는 수단의 세트;
- 챔버에서 적어도 플라즈마의 이온을 추출하고 가속시키는 수단으로서, 상기 추출하고 가속시키는 수단은
Figure 112018025910134-pct00001
챔버의 일 단부에 위치된 그리드와 연관되는 챔버 내에 하우징된 전극으로서, 상기 전극은 그리드의 표면보다 큰 표면을 갖는, 전극, 또는
챔버의 일 단부에 위치된 적어도 2개의 그리드의 세트 중 어느 일방을 포함하는, 플라즈마의 이온을 추출하고 가속시키는 수단;
- 커패시터와 직렬로 배치되고 이온의 플라즈마 주파수와 전자의 플라즈마 주파수 사이의 무선주파수(radiofrequency)를 갖는 신호를 발생시키도록 구성된 무선주파수 DC 전압 소스 또는 AC 전압 소스로서, 상기 무선주파수 DC 또는 AC 전압 소스는 그 출력부 중 하나에 의해 챔버에서 적어도 플라즈마의 이온을 추출하고 가속시키는 수단에 연결되고, 보다 정확하게는
전극, 또는
상기 적어도 2개의 그리드의 세트의 그리드 중 하나의 그리드 중 어느 일방에 연결되는, 무선주파수 DC 전압 소스 또는 AC 전압 소스를 포함하고,
그리드는 전극과 연관되거나, 경우에 따라, 상기 적어도 2개의 그리드의 세트의 나머지 그리드는 기준 전위로 설정되거나 상기 무선주파수 AC 전압 소스의 출력부 중 나머지 하나에 연결되고;
상기 추출하고 가속시키는 수단 및 상기 무선주파수 DC 또는 AC 전압 소스는 챔버의 출력부에서 적어도 이온을 포함하는 빔을 형성할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 이온 스러스터를 제안한다.
스러스터는 또한 개별적으로 또는 조합하여 취해지는 다음 특징 중 적어도 하나를 포함할 수 있다:
- 챔버의 출력부에서 이온 빔 및 전자 빔을 형성하기 위해, 추출하고 가속시키는 수단에 연결된 전압 소스는 무선주파수 AC 전압 소스이고, 이온-전자 플라즈마를 형성하는 수단의 세트는 적어도 하나의 코일을 포함하고, 적어도 하나의 코일은 한편으로는 상기 적어도 하나의 코일의 방향으로 그리고 다른 한편으로는 추출하고 가속시키는 수단의 방향으로 상기 무선주파수 전압 소스에 의해 공급되는 신호를 관리하는 수단을 매개로 하여 이 동일한 무선주파수 AC 전압 소스에 의해 전력을 공급받는 적어도 하나의 코일을 포함한다;
- 이온-전자 플라즈마를 형성하는 수단의 세트는 추출하고 가속시키는 수단에 연결된 무선주파수 AC 또는 DC 전압 소스와 상이한 무선주파수 AC 전압 소스에 의해 전력을 공급받는 적어도 하나의 코일 또는, 마이크로파 AC 전압 소스에 의해 전력을 공급받는 적어도 하나의 마이크로파 안테나를 포함한다;
- 추출하고 가속시키는 수단에 연결된 전압 소스는 챔버의 출력부에서 이온 및 전자의 빔을 형성하기 위한 무선주파수 AC 전압 소스이다;
- 추출하고 가속시키는 수단은 챔버의 일 단부에 위치된 적어도 2개의 그리드의 세트이고, 이온 및 전자 빔의 전기적 중성은 추출하고 가속시키는 수단에 연결된 무선주파수 AC 전압 소스에서 나오는 양 및/또는 음의 전위의 인가 기간을 조정함으로써 적어도 부분적으로 획득된다;
- 추출하고 가속시키는 수단은 챔버의 일 단부에 위치된 적어도 2개의 그리드의 세트이고, 이온 및 전자 빔의 전기적 중성은 추출하고 가속시키는 수단에 연결된 무선주파수 AC 전압 소스에서 나오는 양 및/또는 음의 전위의 진폭을 조정함으로써 적어도 부분적으로 획득된다;
- 추출하고 가속시키는 수단에 연결된 전압 소스는 챔버의 출력부에서 이온 빔을 형성하기 위한 DC 전압 소스이고, 스러스터는 전기적 중성을 제공하기 위해 상기 이온 빔에 전자를 주입하는 수단을 더 포함한다;
- 저장조는 고체 추진제와 적어도 하나의 오리피스가 제공된 재킷 사이에 위치된 멤브레인을 포함하고, 상기 멤브레인은 적어도 하나의 오리피스를 포함하고, 멤브레인의 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스의 표면은 저장조의 재킷의 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스의 표면보다 크다;
- 상기 그리드 또는 각각의 그리드는 형상이 다음의 형상: 원형, 정사각형, 직사각형으로부터 선택되거나, 슬롯 형태, 특히 평행 슬롯 형태인 오리피스를 가진다;
- 상기 그리드 또는 각각의 그리드는 직경이 0.2mm 내지 10mm, 예를 들어 0.5mm 내지 2mm 인 원형 오리피스를 가진다;
- 챔버에서 추출하고 가속시키는 수단이 챔버의 단부에 위치된 적어도 2개의 그리드의 세트를 포함하는 경우, 두 그리드 사이의 거리는 0.2mm 내지 10mm, 예를 들어 0.5mm 내지 2mm 이다;
- 고체 추진제는 이원자 요오드, 다른 화학 성분과 혼합된 이원자 요오드, 페로센, 아다만탄, 또는 비소로부터 선택된다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 스러스터, 및 스러스터의 상기 DC 또는 AC 전압 소스 또는 각각의 DC 또는 AC 전압 소스에 연결된 에너지 소스, 예를 들어 배터리 또는 솔라 패널을 포함하는 위성에 관한 것이다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 스러스터, 및 스러스터의 상기 DC 또는 AC 전압 소스 또는 각각의 DC 또는 AC 전압 소스에 연결된 에너지 소스, 예를 들어 배터리 또는 솔라 패널을 포함하는 우주 탐사기에 관한 것이다.
이하의 설명을 읽고 첨부된 도면과 관련하여 고려되는 경우 본 발명은 더 잘 이해될 것이고, 그의 다른 목적, 이점, 및 특징이 더 명확하게 보일 것이며, 여기서:
- 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 스러스터의 개략도이다;
- 도 2는 도 1에 도시된 제1 실시예의 대안예의 개략도이다;
- 도 3은 도 1에 도시된 제1 실시예의 또 다른 대안예의 개략도이다;
- 도 4는 도 1에 도시된 제1 실시예의 또 다른 대안예의 개략도이다;
- 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 스러스터의 개략도이다;
- 도 6은 도 5에 도시된 제2 실시예에 대한 대안예의 개략도이다;
- 도 7은 도 5에 도시된 제2 실시예에 대한 또 다른 대안예의 개략도이다;
- 도 8은 도 5에 도시된 제2 실시예에 대한 또 다른 대안예의 개략도이다;
- 도 9는 도 8에 도시된 스러스터 플라즈마의 대안적인 실시예의 개략도이다;
- 도 10은 본 발명의 제3 실시예의 개략도이다;
- 도 11은 고려되는 실시예와 상관없이, 본 발명에 따른 플라즈마 스러스터에 사용될 수 있는 고체 추진제 저장조의 단면도이며, 그 환경은 플라즈마 챔버 내부에 장착되는 것을 가능하게 한다.
- 도 12는 도 9에 도시된 저장조의 분해도이다;
- 도 13은 고체 추진제로서 사용되는 이원자 요오드(I2)의 경우, 온도에 따라 이원자 요오드의 증기압의 변화를 제공하는 곡선이다;
- 도 14는 본 발명에 따른 플라즈마 스러스터를 포함하는 위성을 개략적으로 도시한다;
- 도 15는 본 발명에 따른 플라즈마 스러스터를 포함하는 우주 탐사기를 개략적으로 도시한다.
본 발명에 따른 이온 스러스터(100)의 제1 실시예가 도 1에 도시되어 있다.
스러스터(100)는 플라즈마 챔버(10) 및 챔버(10) 내에 하우징된 고체 추진제(PS)의 저장조(20)를 포함한다. 보다 정확하게는, 저장조(20)는 고체 추진제(PS)를 포함하는 전도성 재킷(21)을 포함하고, 이 재킷(21)에는 하나 또는 여러 개의 오리피스(22)가 제공된다. 챔버(10) 내의 고체 추진제의 저장조(20)를 하우징하는 것은 스러스터에 더 큰 컴팩트화를 제공한다.
스러스터(100)는 또한 무선주파수 AC 전압 소스(30) 및 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 의해 전력을 공급받는 하나 또는 여러 개의 코일(40)을 포함한다. 상기 코일 또는 각각의 코일(40)은 하나 또는 여러 개의 권선(들)을 가질 수 있다. 도 1에서, 여러 개의 권선을 포함하는 단일 코일(40)이 제공된다.
무선주파수 AC 전압 소스(30)에 의해 전력이 공급되는 코일(40)은 전도성(와전류)인 저장조(20)에 전류를 유도한다. 저장조에서 유도된 전류는 저장조(20)를 가열하는 줄 효과(Joule effect)를 일으킨다. 이와 같이 생성된 열은 열 전도 및/또는 열 방사를 통해 고체 추진제(PS)로 전달된다. 그 다음에, 고체 추진제(PS)의 가열은 고체 추진제를 승화시키는 것을 가능하게 하며, 추진제는 이와 같이 가스 상태가 된다. 그 다음에, 가스 상태의 추진제는 챔버(10)의 방향으로 저장조(20)의 오리피스 또는 오리피스(22)를 통과한다. 이 동일한 세트(30, 40)는 또한 챔버(10) 내에 있는 가스 상태의 추진제를 이온화함으로써 챔버(10) 내에 플라즈마를 발생시키는 것을 가능하게 한다. 이와 같이 형성된 플라즈마는 일반적으로 이온-전자 플라즈마일 것이다 (플라즈마 챔버는 또한 중성 종- 가스 상태의 추진제 -을 포함할 것인데, 이는 일반적으로 모든 가스가 이온화되어 플라즈마를 형성하지는 않기 때문임에 유의한다).
따라서, 동일한 무선주파수 AC 전압 소스(30)가 고체 추진제(PS)를 승화시키고 챔버(10) 내에 플라즈마를 생성하는 데 사용된다. 이 경우, 단일 코일(40)이 또한 이 목적으로 사용된다. 그러나, 여러 개의 코일, 예를 들어 고체 추진제(PS)를 승화시키기 위한 코일과 플라즈마를 생성하기 위한 코일을 제공하는 것이 고려될 수 있다. 여러 개의 코일(40)을 사용함으로써, 챔버(10)의 길이를 증가시키는 것이 가능하다.
보다 정확하게는, 챔버(10) 및 저장조(20)는 초기에 동일한 온도에 있다.
소스(30)가 구현되면, 코일 또는 코일(40)에 의해 가열된 저장조(20)의 온도가 증가한다. 고체 추진제(PS)의 온도도 증가하며, 추진제는 저장조의 재킷(21)과 열 접촉 상태가 된다.
이는 저장조(20) 내에서 고체 추진제(PS)의 승화를 야기하고, 후속하여 이 저장조 내의 온도(T1) 증가에 수반하여 저장조(20) 내의 가스 상태의 추진제의 압력(P1)의 증가를 야기한다.
그 다음에, 저장조(20)와 챔버(10) 사이의 압력 차의 효과에 따라, 가스 상태의 추진제는 챔버(10)의 방향으로 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스(22)를 통과한다.
온도 및 압력 조건이 챔버(10) 내에서 충분히 상당할 때, 소스(30) 및 코일 또는 코일(40)에 의해 형성된 유닛은 챔버(10) 내에 플라즈마를 발생시키는 것을 가능하게 한다. 이 단계에서, 고체 추진제(PS)는 그러면 플라즈마의 하전 입자에 의해보다 충분히 가열되고, 코일 또는 코일들은 플라즈마 내의 외피의 존재(표피 효과)에 의해서뿐만 아니라 플라즈마 내의 입자 자체의 전하의 존재에 의해 차폐된다.
플라즈마의 존재 시에 (동작 중의 스러스터), 저장조(20)에 연결된 열 교환기(미도시)의 존재에 의해 저장조(20)의 온도가 더 잘 제어될 수 있음에 유의한다.
하나 또는 여러 개의 오리피스(22)가 저장조(20) 상에 제공될 수 있으며, 이는 중요하지 않다. 오리피스의 전체 표면, 또는 여러 개의 오리피스가 제공된 경우 이러한 모든 오리피스의 표면만 중요하다. 이의 크기 결정은 사용되는 고체 추진제의 성질 및 플라즈마에 대한 원하는 동작 파라미터(온도, 압력)에 따라 달라질 것이다.
따라서, 이 크기 결정은 경우에 따라 수행될 것이다.
일반적으로, 본 발명에 따른 스러스터의 크기 결정은 다음의 단계를 포함할 것이다.
챔버(10)의 체적, 뿐만 아니라 이 챔버(10)에서 원하는 공칭 동작 압력(P2) 및 챔버(10)의 출력부에서 원하는 양이온의 질량 유량(m')이 먼저 정의된다. 이 데이터는 디지털 모델링에 의해 또는 일상적인 테스트를 통해 획득될 수 있다. 이 질량 유량(m')은 저장조(20)와 챔버(10) 사이에서 발견되는 질량 유량에 실질적으로 대응함에 유의한다.
그 다음에, 저장조(20)에 대한 원하는 온도(T1)가 선택된다.
이 온도(T1)가 고정됨에 따라, 가스 상태의 추진제의 대응하는 압력, 즉 저장조(20) 내의 이 가스의 압력(P1)이 알려질 수 있다 (이원자 요오드(I2)의 경우 도 13 참조).
이와 같이 P2, m', P1, 및 T1을 알면, 그로부터 오리피스의 표면(A), 또는 여러 개의 오리피스가 제공되는 경우, 모든 오리피스를 추론하는 것이 가능하다. 그러나, 유리하게는, 챔버(10) 내에서 가스 상태의 추진제의 보다 균일한 분포를 보장하기 위해 여러 개의 오리피스가 제공될 것이다.
그러나, 크기 결정의 예가 이하에 제공된다.
그러면, 스러스터(100)가 정지되는 경우에 저장조(20)와 챔버(10) 사이에서 가스 상태의 추진제의 누출을 추정하는 것이 가능하다. 실제로, 이 경우에, 오리피스의 표면(A)은 P1, T1, 및 P2와 마찬가지로 알려져 있으며, 이는 m'(누설률)을 획득하는 것을 가능하게 한다. 실제로는, 정지되어 있는 경우, 사용 중에 저장조(20)로부터 챔버(10)로 통과하는 가스 상태의 추진제 유량과 관련하여 누출이 최소인 것으로 보인다. 이것이 본 발명의 체제 내에서는 오리피스 상의 밸브의 존재가 요구되지 않는 이유이다.
고체 추진제의 경우, 다음이 고려될 수 있다: 이원자 요오드(I2), 다른 화학 성분과 이원자 요오드(I2)의 혼합물, 아다만탄(조 화학식: C10H16), 또는 페로센(조 화학식: Fe(C5H5)2). 비소도 사용될 수 있지만, 그것의 독성은 그것의 고체 추진제로서의 사용을 덜 고려하게 한다.
유리하게는, 이원자 요오드(I2)가 고체 추진제로서 사용될 것이다.
이 추진제는 실제로 몇 가지 이점이 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 곡선은 이원자 요오드(I2)의 경우에, 온도(T)에 따른 이원자 요오드 가스의 압력(P)의 변화를 제공한다. 이 곡선은 다음의 공식
Log(P) = - 3512.8*(1/T) - 2,013*log(T) + 13.374 (F1)
에 의해 근사치가 계산될 수 있으며,
P는 Torr 단위의 압력이고;
T는 Kelvin 단위의 온도이다.
이 공식은 <"The Vapor Pressure Iodine", G.P. Baxter, C.H. Hickey, W.C. Holmes, J. Am. Chem. Soc., 1907, 29(2) pp. 12-136>에서 획득될 수 있다. 이 공식은 또한 <"The normal Vapor Pressure of Crystalline Iodine", L.J. Gillespie, & al., J. Am. Chem Soc., 1936, vol. 58(11), pp 2260-2263>에서 언급된다. 이 공식은 다양한 저자에 의해 실험적 검증의 대상이었다.
스러스터가 정지 모드에서 공칭 동작 모드로 전환하는 경우, 온도가 약 50K 증가하는 것으로 간주될 수 있다. 300K 내지 400K의 온도 범위에서, 이 도 13은 이원자 요오드 가스의 압력이 50K의 온도 증가에 대해 실질적으로 100배 증가함을 보여 준다.
또한, 스러스터가 정지 모드에 있는 경우, 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스(22)를 통한 요오드 가스의 누설은 매우 낮고, 스러스터(100)가 공칭 동작 상태에 있는 경우에 챔버(10)의 방향으로 오리피스 또는 오리피스(22)를 통과하는 이원자 요오드 가스의 양보다 약 100배 더 적다.
본 발명에 따른 스러스터의 공칭 동작 온도와 정지 시의 온도 간의 보다 실질적인 차이는 가스 상태의 추진제의 누설을 통한 상대적인 손실만을 감소시킬 것이다.
결과적으로, 이원자 요오드(I2)를 추진제로 사용하는 본 발명에 따른 스러스터(100)는 문헌 D2와는 반대로 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스를 위한 밸브를 구현할 필요가 없다. 이것은 스러스터의 설계를 많이 단순화되고 우수한 신뢰성을 제공한다. 가스 상태의 추진제의 유량 제어는 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 의해 코일(40)에 공급되는 전력을 매개로 하여, 그리고 선택적으로 전술한 바와 같이, 저장조(20)에 연결된 열 교환기의 존재에 의해 저장조(20)의 온도를 제어함으로써 행해진다. 따라서, 제어는 문헌 D3에서 수행되는 것과 상이하다.
또한, 스러스터(100)는 챔버(20)의 출력부에서 하전 입자의 빔(70)을 형성하기 위해 챔버(20)에서 플라즈마, 양이온, 및 전자의 하전 입자를 추출하고 가속시키는 수단(50)을 포함한다. 도 1에서,이 수단(50)은 챔버(10)의 일 단부(E)(출력부)에 위치된 그리드(51) 및 챔버(10) 내부에 하우징된 전극(52)을 포함하며, 이 전극(52)은 구성에 의해 그리드(51)의 표면보다 큰 표면을 갖는다. 특정 경우에, 전극(52)은 저장조(20)의 전도성인 벽 자체에 의해 형성될 수 있다.
전극(52)은 전기 절연체(58)에 의해 챔버의 벽으로부터 절연된다.
그리드(51)는 상이한 형상, 예를 들어 원형, 정사각형, 직사각형의, 또는 슬롯 형태, 특히 평행 슬롯 형태인 오리피스를 가질 수 있다. 특히, 원형 오리피스의 경우에, 오리피스의 직경은 0.2mm 내지 10mm, 예를 들어 0.5mm 내지 2mm일 수 있다.
이러한 추출 및 가속을 보장하기 위해, 수단(50)은 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 연결된다. 따라서, 무선주파수 AC 전압 소스(30)는 또한 챔버(10)에서 하전 입자를 추출하고 가속시키는 수단(50)의 제어를 제공한다. 이는 특히 스러스터(100)의 컴팩트화를 좀 더 증가시키는 것을 가능하게 하기 때문에 특히 흥미롭다. 또한, 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 의한 추출하고 가속시키는 수단(50)의 이러한 제어는 특히 문헌 D1에 제안된 기술과는 대조적으로 하전 입자의 빔(70)을 더 잘 제어하는 것을 가능하게 한다. 최종적으로, 이러한 제어는 또한 이를 위한 어떠한 종류의 외부 디바이스도 구현하지 않으면서 챔버(10)의 출력부에서 매우 양호한 전기적 중성을 갖는 빔을 획득하는 것을 가능하게 한다. 다시 말해, 따라서, 플라즈마의 하전 입자를 추출하고 가속시키는 수단(50) 및 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 의해 형성된 유닛은 또한 챔버(10)의 출력부에서 빔(70)의 중화를 획득하는 것을 가능하게 한다. 스러스터(10)의 컴팩트화는 이와 같이 증가되며, 이는 소형 위성(<500kg), 특히 마이크로 위성(10kg-100kg), 또는 나노 위성(10kg-100kg), 예를 들어 "CubeSat" 유형에 있어서 이 스러스터(100)의 사용에 특히 유리하다.
이러한 효과를 위해, 그리드(51)는 상기 무선주파수 전압 소스(30)에 의해 공급되는 신호를 관리하는 수단(60)을 매개로 하여 무선주파수 전압 소스(30)에 연결되고, 전극(52)은 커패시터(53) 및 상기 무선주파수 전압 소스(30)에 의해 공급되는 신호를 관리하는 수단(60)을 매개로 하여 직렬로 무선주파수 전압 소스(30)에 연결된다. 그리드(51)는 또한 기준 전위(55), 예를 들어 접지로 설정된다. 마찬가지로, 수단(60)에 연결되지 않은 무선주파수 AC 전압 소스(30)의 출력부도 예에 따르면 접지인 동일한 기준 전위(55)로 설정된다.
실제로는, 우주 분야에서의 적용에 있어서, 기준 전위는 스러스터(100)가 장착된 우주 탐사기 또는 위성의 기준 전위일 수 있다.
따라서, 상기 무선주파수 전압 소스(30)에 의해 공급되는 신호를 관리하는 수단(60)은 한편으로는 상기 코일 또는 각각의 코일(40)의 방향으로, 그리고 다른 한편으로는 챔버(10)에서 이온 및 전자를 추출하고 가속시키는 수단(50)의 방향으로 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 의해 공급되는 신호를 송신하는 것을 가능하게 하는 수단(60)을 형성한다.
소스(30)(RF - radiofrequencies)는 ωpi≤ωRF≤ωpe이도록 펄스(ωRF)를 정의하기 위해 조정되며, 여기서:
ωpe = 는 전자의 플라즈마 펄스이고, ωpi = 는 양이온의 플라즈마 펄스이며;
e0은 전자의 전하이고,
ε0은 진공의 유전율이고,
np는 플라즈마 밀도이고,
m i 는 이온의 질량이고,
m e 는 전자의 질량이다.
m i >> m e 라는 사실 때문에 ωpi<<ωpe임에 유의한다.
일반적으로, 소스(30)에 의해 제공되는 신호의 주파수는 챔버(10) 내에 플라즈마의 형성에 사용되는 추진제에 따라, 그리고 이온의 플라즈마 주파수와 전자의 플라즈마 주파수 사이가 되도록, 수MHz 내지 수백MHz 일 수 있다. 13.56MHz의 주파수가 일반적으로 적합하지만 다음의 주파수: 1MHz, 2MHz ,또는 다시 4MHz의 주파수도 고려될 수 있다.
빔(70)의 전기적 중성은 추출하고 가속시키는 시스템(50)의 용량성 성질에 의해 제공되고, 커패시터(53)의 존재로 인해 평균적으로 시간이 지남에 따라 추출되는 전자와 같은 수만큼의 양이온이 있다.
이 체제에서, 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 의해 생성된 신호의 형태는 임의적일 수 있다. 그러나, 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 의해 전극(52)에 공급되는 신호는 직사각형 또는 정현파인 것이 제공될 수 있다.
제1 실시예에 의한 플라즈마(이온 및 전자)의 하전 입자의 추출 및 가속을 위한 동작 원리는 다음과 같다.
구성에 의하면, 전극(52)은 챔버(10)의 출력부에 위치된 그리드(51)의 표면보다 큰 표면을 가지며 일반적으로 명백하게 크다.
일반적으로, 그리드(51)보다 큰 표면을 갖는 전극(52)에 전압 RF의 인가는 한편으로는 전극(52)과 플라즈마 사이의 계면 상에, 그리고 다른 한편으로는 그리드(51)와 플라즈마 사이의 계면 상에 추가적인 위상 차이를 발생시켜 전위 RF의 차이를 추가하는 효과를 갖는다. 이 총 전위의 차이는 외장(sheath)에 걸쳐 분산된다. 외장은 한편으로는 그리드(51) 또는 전극(52)과 다른 한편으로는 플라즈마 사이에 형성된 공간이며, 여기서 양이온의 밀도는 전자의 밀도보다 높다. 이 외장은 전극(52)에 인가된 가변적인 신호 RF로 인해 가변적인 두께를 갖는다.
실제로는 그러나, 전극(52)에 신호 RF의 인가의 대부분의 효과는 그리드(51)의 외장에 위치된다 (전극-그리드 시스템은 2개의 비대칭 벽을 갖는 커패시터로 볼 수 있는데, 이 경우 전위의 차이는 가장 낮은 커패시턴스를 갖는 부분에 적용되므로 가장 낮은 표면에 적용된다).
소스 RF(30)와 직렬인 커패시터(53)의 존재 시에, 신호 RF의 인가는 주로 그리드(51)의 외장 상의 커패시터(53)의 충전으로 인해 전압 RF를 일정한 DC 전압으로 변환시키는 효과를 갖는다.
그리드(51)의 외장에서의 이 일정한 DC 전압은 양이온이 (연속적으로) 일정하게 추출되고 가속됨을 의미한다. 실제로, DC 전위의 이러한 차이는 플라즈마 전위를 양으로 만드는 효과를 갖는다. 결과적으로, 플라즈마의 양이온은 (기준 전위에서) 그리드(51)의 방향으로 일정하게 가속되고 따라서 이 그리드(51)에 의해 챔버(10)로부터 추출된다. 양이온의 에너지는 이러한 DC 전위의 차이(평균 에너지)에 대응한다.
전압 RF의 변화는 플라즈마와 그리드(51) 사이의 전위 RF + DC의 차이를 변화시키는 것을 가능하게 한다. 그리드(51)의 외장에서, 이는 이 외장의 두께의 변경을 초래한다. 이 두께가 신호 RF의 주파수에 의해 주어진 규칙적인 간격으로 시간의 경과에 대해 발생하는 임계 값보다 작아지는 경우, 그리드(51)와 플라즈마 사이의 전위 차이는 값 0에 근접하며(따라서, 플라즈마 전위는 기준 전위에 근접함), 이는 전자를 추출하는 것을 가능하게 한다.
실제로, 전자가 가속되고 추출될 수 있는 플라즈마 전위(= 임계 전위)는 차일드의 법칙(Child's law)에 의해 주어지며, 이는 이 임계 전위를 이 외장이 사라질 수 있는("외장 붕괴") 외장의 임계 두께와 관련시킨다.
플라즈마 전위가 임계 전위보다 낮은 한, 전자 및 이온의 가속 및 동시 추출이 있다.
챔버(10) 플라즈마의 출력부에서 양이온 및 전자의 빔(70)의 양호한 전기적 중성이 이와 같이 획득될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 실시예에 대한 대안적인 실시예를 도시한다.
동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1에 도시된 스러스터와 관련하여 도 2에 도시된 스러스터와의 차이점은 챔버(10) 내부에 하우징된 전극(52)은 저지되고 그리드(52')가 챔버(10)의 단부(E)(출력부)에 추가된다는 사실에 있다.
다시 말해, 플라즈마의 하전 입자를 추출하고 가속시키는 수단(50)은 챔버(10)의 일 단부(E)(출력부)에 위치된 적어도 2개의 그리드(51, 52') 세트를 포함하고, 적어도 2개의 그리드(51, 52') 세트 중 적어도 하나(51)는 상기 무선주파수 전압 소스(30)에 의해 공급되는 신호를 관리하는 수단(60)을 매개로 하여 무선주파수 전압 소스(30)에 연결되고, 적어도 2개의 그리드(51, 52') 세트 중 적어도 다른 하나(52')는 커패시터(53) 및 상기 무선주파수 전압 소스(30)에 의해 공급되는 신호를 관리하는 수단(60)을 매개로 하여 직렬로 무선주파수 전압 소스(30)에 연결된다.
도 2에서 무선주파수 전압 소스(30)에 대한 그리드(52')의 연결은 도 1에서 이 소스(30)에 대한 전극(52)의 연결과 동일하다.
각각의 그리드(51, 52')는 상이한 형상, 예를 들어 원형, 정사각형, 직사각형의, 또는 슬롯 형태, 특히 평행 슬롯 형태인 오리피스를 가질 수 있다. 특히, 원형 오리피스의 경우에, 오리피스의 직경은 0.2mm 내지 10mm, 예를 들어 0.5mm 내지 2mm일 수 있다.
또한, 2개의 그리드(52', 51) 사이의 거리는 0.2mm 내지 10mm, 예를 들어 0.5mm 내지 2mm일 수 있다 (정확한 선택은 전압 DC 및 플라즈마의 밀도에 달려 있다).
이 대안예에서, 양이온 및 전자의 추출 및 가속 동작은 다음과 같다.
소스(30)를 매개로 하여 전압 RF가 인가되는 경우, 커패시터(53)가 충전된다. 그러면, 커패시터(53)의 충전은 커패시터(53)의 단자에서 직류 전압 DC를 생성한다. 그러면, 소스(30) 및 커패시터(53)에 의해 형성된 유닛의 단자에서 전압 RF + DC가 획득된다. 그러면, 전압(RF+DC)의 일정한 부분이 2개의 그리드(52 ', 51) 사이의 전계를 정의하는 것을 가능하게 하며, 오직 신호 RF의 평균 값만이 0이 된다. 따라서, 이 값 DC는 2개의 그리드(51, 52')를 통해 양이온을 연속적으로 추출하고 가속시키는 것을 가능하게 한다.
또한, 이 전압 RF가 인가되는 경우, 플라즈마는 플라즈마와 접촉하는 그리드(52') 상에 주어진 전위, 즉 RF + DC를 따른다. 다른 그리드(51)(기준 전위(55), 예를 들어 접지)에 있어서, 다른 그리드도 플라즈마와 접촉하지만, 전자가 양이온으로 추출되는 짧은 시간 간격 동안에만, 즉 전압 RF + DC가 외장이 사라지는 임계 값보다 낮은 경우에만 접촉된다. 이 임계 값은 차일드의 법칙에 의해 정의된다.
챔버(10)의 출력부에서의 빔(70)의 전기적 중성이 이와 같이 보증된다.
또한, 도 2의 실시예에 있어서, 이온 및 전자의 빔(70)의 전기적 중성은 무선주파수 AC 전압 소스(30)에서 나오는 양 및/또는 음의 전위의 인가 지속 시간을 조정함으로써 적어도 부분적으로 획득될 수 있음에 유의한다. 이온 및 전자의 빔(70)의 이러한 전기적 중성은 또한 무선주파수 AC 전압 소스(30)에서 나오는 양 및/또는 음의 전위의 진폭을 조정함으로써 적어도 부분적으로 획득될 수 있다.
이 대안예는 도 1에 도시되어 있고, 챔버(10)의 단부(E)에 있는 그리드(51), 및 양이온의 궤도의 더 나은 제어를 제공하기 위해 그리드(51)보다 큰 표면을 갖는 챔버에 하우징된 전극(52)을 구현하는 실시예와 관련하여 흥미롭다. 이는 전위 DC(직류)의 차이가 도 1의 제1 실시예의 경우에서의 플라즈마와 그리드(51) 사이의 외장(전술한 내용 참조) 상에서가 아니라, 직렬인 무선주파수 AC 전압 소스(30) 및 커패시터(53)의 액션 하에서 2개의 그리드(52', 51) 사이에서 발생된다는 사실과 관련된다.
따라서, 도 2에 도시된 대안적인 실시예로, 도 1에 도시된 제1 실시예의 경우에서 일어나는 것과 관련하여, 더 많은 양이온이 이 그리드(52')의 벽에 접촉하지 않으면서 그리드(52')의 오리피스를 통과한다는 것이 보장된다.
또한, 그리드(52')의 오리피스를 통과하는 양이온은 또한 이들 이온의 관점에서 오직 그리드(52')의 오리피스를 통해서만 볼 수 있는 그리드(51)의 벽과 접촉하지 않는다. 결과적으로, 이 대안적인 실시예에 따른 그리드(52', 51)의 수명은 도 1의 제1 실시예의 그리드(51)의 수명과 관련하여 개선된다.
따라서, 결과적인 스러스터(100)의 수명이 개선된다.
마지막으로, 양이온이 적어도 2개의 그리드(51, 52') 세트에 의해 포커싱될 수 있기 때문에 효율이 개선되며, 중성 종의 흐름은 이들 중성 종에 대한 투명성이 증가한다는 사실 때문에 감소된다.
도 3은 그리드(51)가 2개의 단부에 의해 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 연결되는, 도 1의 제1 실시예의 또 다른 대안예를 도시한다.
나머지는 모두 동일하며 동일한 방식으로 동작한다.
도 4는 그리드(51)가 2개의 단부에 의해 무선주파수 AC 전압 소스에 연결되는, 도 2에 도시된 대안예에 대한 대안적인 실시예를 도시한다.
나머지는 모두 동일하며 동일한 방식으로 동작한다.
따라서, 도 3 및 도 4에 도시된 대안예는 그리드(51)에 대한 기준 전위의 구현을 수반하지 않는다. 우주 분야에서, 이러한 연결은 한편으로는 스러스터(100)가 장착된 우주 탐사기 또는 위성의 외부 전도성 부분과 다른 한편으로는 엄밀히 말하면 하전 입자를 추출하고 가속시키는 수단(50) 사이에서 순환하는 기생 전류의 부재를 보장한다.
도 5는 본 발명에 따른 이온 스러스터의 제2 실시예를 도시한다.
이는 도 1에 도시된 제1 실시예에 대한 대안예이며, 제1 무선주파수 AC 전압 소스(30)가 챔버(10)에서 플라즈마의 하전 입자의 추출 및 가속을 관리하도록 제공되고, 제1 무선주파수 AC 전압 소스(30)와 별도인 제2 AC 전압 소스(30')가 제공된다.
나머지는 동일하며 동일한 방식으로 동작한다.
이 경우에, 도 1 내지 도 4에 제안된 바와 같이 단일 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 의해 공급되는 신호를 관리하는 수단(60)은 더 이상 관심 대상이 아니다.
이 대안예는 더 많은 유연성을 가능하게 한다.
실제로, 플라즈마에서 하전 입자의 추출 및 가속을 위해 사용된 소스(30)가 주파수가 이온의 플라즈마 주파수와 전자의 플라즈마 주파수 사이에 있는 무선주파수 AC 전압 소스에 남아 있으면, 소스(30')는 상이한 신호를 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 소스(30')는 (예를 들어, 금속 재료로 제조된) 전도성 저장조(20)의 재킷(21)을 가열하고, 고체 추진제를 증발시키고, 그 다음에 챔버(10) 내에 플라즈마를 발생시키기 위해 하나 또는 여러 개의 코일(40)과 연관되고, 그 주파수가 소스(30)의 동작 주파수와는 상이한 무선주파수 AC 전압 신호를 발생시킬 수 있다. 소스(30')의 동작 주파수는 특히 소스(30)의 동작 주파수보다 높을 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 소스(30')는 하나 또는 여러 개의 마이크로파 안테나(40)와 연관된 마이크로파에 대응하는 주파수의 AC 전압 신호를 발생시킬 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 제2 실시예에 대한 대안예를 도시한다.
도 5에 도시되고 도 1에 도시된 스러스터(100)와의 차이점은 챔버(10) 내부에 하우징된 전극(52)은 저지되고 그리드(52')가 챔버(10)의 단부(E)(출력부)에 추가된다는 사실에 있다.
나머지는 동일하며 동일한 방식으로 동작한다.
다시 말해, 도 6에 도시된 대안예와 도 5의 제2 실시예 사이의 차이점은 도 2에 도시된 대안예와 도 1의 제1 실시예 사이에 대해 전술한 것과 동일하다.
도 7은 그리드(51)가 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 연결되는 도 5의 제2 실시예의 또 다른 대안예를 도시한다.
나머지는 모두 동일하며 동일한 방식으로 동작한다.
도 8은 그리드(51)가 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 연결되는, 도 6에 도시된 대안예에 대한 대안적인 실시예를 도시한다.
나머지는 모두 동일하며 동일한 방식으로 동작한다.
따라서, 도 7 및 도 8에 도시된 대안예는 그리드(51)에 대한 기준 전위(55)의 구현을 수반하지 않는다. 전술한 바와 같이, 우주 분야에서, 이러한 연결은 한편으로는 스러스터(100)가 장착된 우주 탐사기 또는 위성의 외부 전도성 부분과 다른 한편으로는 엄밀히 말하면 하전 입자를 추출하고 가속시키는 수단(50) 사이에서 순환하는 기생 전류의 부재를 보장한다.
도 9는 도 8에 도시된 스러스터(100)에 대한 대안적인 실시예를 도시한다.
이러한 대안적인 실시예는 저장조(20)가 가스 상태의 추진제를 플라즈마 챔버(10)에 주입하기 위한 2개의 스테이지(E1, E2)를 포함한다는 사실에 의해 도 8에 도시된 것과 상이하다.
실제로, 도 8에서, 그리고 도 1 내지 도 7 모두의 다른 곳에서, 저장조(20)는 벽이 하나 또는 여러 개의 오리피스(22)와 함께 제공되는 재킷(21)을 포함하며, 따라서 단일 스테이지를 갖는 저장조를 형성한다.
이와 대조적으로, 도 9에 도시된 대안예에서는, 저장조는 또한 적어도 하나의 오리피스(22")를 포함하고 저장조를 2개의 스테이지(E1, E2)로 분리하는 멤브레인(22')을 포함한다. 더 정확하게는, 저장조(20)는 고체 추진제(PS)와 적어도 하나의 오리피스(22)가 제공된 재킷(21) 사이에 위치된 멤브레인(22')을 포함하고, 상기 멤브레인(22')은 적어도 하나의 오리피스(22")를 포함하고, 멤브레인(22')의 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스(22")의 표면은 저장조(20)의 재킷(21)의 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스(22)의 표면보다 크다.
이 대안예는 특히 플라즈마 챔버(10)에서 원하는 동작 압력(P2)을 획득하기 위해 저장조(20)의 재킷(21) 상의 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스(22)의 크기 결정을 고려하여, 너무 작은 오리피스를 정의하게 되는 경우에 관심을 가지고 있다. 이러한 오리피스는 그러면 기술적으로 생산 가능하지 않을 수 있다. 이러한 오리피스는 또한 기술적으로는 생산 가능할지라도 고체 추진제의 티끌 및 보다 일반적으로 불순물의 티끌이 사용 중에 오리피스(22)를 막지 않는 것을 보장하기에 너무 작을 수 있다.
이 경우에, 멤브레인(22')의 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스(22")는 저장조(20)의 재킷(21) 상에 제조된 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스(22)보다 큰 크기로 결정되며, 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스(22)는 플라즈마 챔버(10)에서 원하는 동작 압력(P2)을 획득하도록 크기가 유지된다.
물론, 이중 스테이지를 갖는 저장조(20)가 도 1 내지 도 7의 관점에서 설명된 모든 실시예에 대해 고려될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 이온 스러스터의 제3 실시예를 도시한다.
이 도면은 도 8의 실시예(그리드(52' 및 51') 양자 모두가 전압 소스에 연결됨)에 대한 대안예이다. 그러나, 이는 도 6(그리드(52')는 소스에 연결되고 그리드(51)는 접지에 연결됨), 도 7(전극(52) 및 그리드(51) 양자 모두가 전압 소스에 연결됨), 도 5(전극(52)은 소스에 연결되고 그리드(51)는 접지에 연결됨), 및 도 9의 대안예로서도 적용된다.
여기서 도시된 스러스터(100)는 챔버(10) 플라즈마의 출력부에서 양이온 빔(70')을 형성하는 것을 가능하게 한다. 이를 위해, 무선주파수 AC 전압 소스(30)는 직류 전압 소스(DC)(30")로 대체된다. 빔(70')의 전기적 중성을 보장하기 위해, 챔버(10) 외부에 있는 디바이스(80, 81)에 의해 전자가 빔(70')으로 주입된다. 이 디바이스는 전자 발생기(81)에 전원을 공급하는 전력 소스(80)을 포함한다. 전자 발생기(81)를 빠져 나가는 전자 빔(70")은 전기적 중성을 보장하기 위해 양이온 빔(70')으로 지향된다.
도 11 및 도 12는 도 1, 도 3, 도 5, 또는 도 7의 실시예에 따른 스러스터(100)에 대한 플라즈마 챔버(10) 및 그 환경에 대해 고려될 수 있는 설계를 도시한다.
이들 도면에서, 플라즈마 챔버(10), 재킷(21)을 가진 저장조(20), 및 오리피스(22)가 인식된다. 저장조(20)는 또한 전극(52)으로서 사용된다. 이 경우, 저장조(20)의 대칭축(AX)에 대해 균등하게 분포된 3개의 오리피스(22)가 도시되어 있다. 재킷(21)은 전도성 재료, 예를 들어 금속(예를 들어, 알루미늄, 아연, 또는 금으로 덮인 금속 재료) 또는 금속 합금(예를 들어, 스테인레스 강 또는 황동)으로 제조된다. 따라서, 와전류 및 후속하여 줄 효과(Joule effect)가 AC 전압 소스(30, 30'), 및 코일(40), 또는 이 경우에 따르면 마이크로파 안테나(40)의 액션 하에 저장조(20)의 재킷(21)에 생성될 수 있다. 저장조(20)의 재킷(21)과 고체 추진제(PS) 사이의 열 전달은 열 전도 및/또는 열 방사를 통해 수행될 수 있다.
챔버(10)는 챔버(10)(세로축(AX))를 따라 연장되는 로드(202, 204, 205)를 매개로 하여 함께 장착된 2개의 링(201, 202) 사이에 끼워져 있다. 챔버(10)는 유전체 재료, 예를 들어 세라믹으로 제조된다. 링 및 로드의 고정은 볼트/너트(미도시)로 수행될 수 있다. 링은 금속 재료, 예를 들어 알루미늄으로 제조될 수 있다. 로드는 예를 들어 세라믹 또는 금속 재료로 제조된다.
링(201, 203) 및 로드(202, 204, 205)에 의해 이와 같이 형성된 유닛은 스러스터, 예를 들어 위성 또는 우주 탐사기를 수용하도록 의도된 시스템(도 11 및 도 12에 미도시) 상에서 링 중 하나의 링(203)을 사이에 끼워 놓는 추가 부분(207, 207')을 매개로 하여 챔버(10) 및 그 환경을 고정시킬 수 있게 한다.
크기 결정의 예
도 1에 도시된 것에 따른 이온 스러스터(100)가 테스트되었다.
플라즈마 챔버(10) 및 그 환경은 도 11 및 도 12를 사용하여 설명된 것과 일치한다. 재료는 최대 허용 온도 300℃에서 선택되었다.
사용된 고체 추진제(PS)는 이원자 요오드(I2, 건조 중량 약 50g)이다.
이원자 요오드 가스를 저장조(20)로부터 플라즈마 챔버(10)로 통과시키기 위해 저장조(20)의 전도성 재킷(21) 상에 여러 개의 오리피스(22)가 제공되었다 (저장조(2)는 단일 스테이지를 가짐).
저장조(20)에 대한 기준 온도(T1)는 60℃로 설정되었다. 이는 무선주파수 AC 전압 소스(30)에서 10W의 전력으로 획득될 수 있다. 소스(30)에 의해 공급되는 신호의 주파수는 이온의 플라즈마 주파수와 전자의 플라즈마 주파수 사이, 여기서는 13.56MHz가 되도록 선택된다.
그 다음에, 저장조(20) 내의 이원자 요오드 가스의 압력(P1)은 도 13에 의해 알려지며 (I2인 경우; 대응하는 공식 F1 참조), 이는 P1과 T1사이의 관계를 제공한다. 이 경우에, P1은 10Torr(약 1330Pa)이다.
최적의 효율을 획득하기 위해, 챔버(10) 내의 압력(P2)은 그러면 7Pa 내지 15Pa에 있어야 하며, 이방성 요오드 가스의 질량 유량(m')은 저장조(20)와 챔버(10) 사이에서 15sccm(1,8.10-6kg.s-1) 미만이어야 한다.
그러면, 오리피스(원형)의 등가 직경은 약 50미크론이라고 추정될 수 있다. 오리피스가 독특한 경우, 50미크론의 직경을 가질 것이다. 수행된 테스트의 경우인 여러 개의 오리피스가 제공되는 경우, 이 오리피스의 표면을 결정하고 이 표면을 여러 개의 오리피스에 걸쳐 분배하여 오리피스 각각의 직경을 획득하는 것이 적합하며, 직경은 유리하게는 동일할 것이다.
그러나, 상기에서 제공된 수치 값에 대응하는 몇 개의 추가의 크기 결정 요소를 제공하기 위해, 표면(A)의 오리피스(22)의 경우에 다음의 점이 주목될 수 있다.
오리피스(22)를 통한 체적 유량은 관계식
(R1)
에 의해 추정될 수 있으며, 여기서:
P1은 저장조(20) 내의 압력이고;
P2는 챔버(10) 내의 압력이고;
v는 이원자 요오드 가스의 분자 평균 속도이며, 관계식
(R2)
에 의해 결정되며, 여기서:
T1은 저장조(20) 내의 온도이고;
k는 볼츠만 상수(Boltzmann constant)(k 1.38·10-23J·K- 1)이고;
m은 이원자 요오드 가스의 하나의 분자의 중량(m(I 2 ) 4.25·10-25kg)이다.
오리피스(22)를 통한 이원자 요오드 가스의 질량 유량(m')은 그러면 관계식:
(R3)
에 의해서 획득되고, 여기서:
M은 요오드의 몰 중량(I2의 경우, M 254u)이고;
R은 가스의 몰 상수(R 8.31J/mol·K)이다.
관계식(R1) 및 관계식(R3)을 조합함으로써, 오리피스(22)의 표면(A)이 관계식
(R4)
에 의해 추론된다.
그 다음에 오리피스(22)는 치수가 정해진다.
관계식(R4)에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(10) 내의 온도(T2)는 개입하지 않는다. 이 온도(T2)를 고려하여 보다 정확한 모델링이 획득될 수 있다. 이 크기 결정에 관한 보다 일반적인 데이터는 <A User Guide To Vacuum Technology, third ed., Johan F. O'Hanlon (John Wiley & Sons Inc., 2003)>를 참조하면 된다.
오리피스(22)의 표면(A)이 치수가 정해지면, 스러스터(100)가 정지된 경우에 이원자 요오드 가스의 누설에 대한 질량 유량 m'leak(kg/s)은 관계식
(R5)
에 의해 결정될 수 있고, 여기서:
T 0 는 스러스터(100)가 정지된 경우의 온도이고;
P 0 는 스러스터가 정지된 경우에 저장조(20) 내의 가스의 압력이며, 이 압력은 온도(T 0 )에서 공식(F1)(도 13 참조)에 의해 제공되고;
v 0 는 T 1 을 T 0 으로 대체하여 관계식(R2)를 사용하여 획득된다.
예의 끝.
플라즈마 챔버(10)를 마주하는 저장조(20)의 재킷의 일면 상에 있는, 첨부된 도면에 도시된 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스의 위치는 상이할 수 있다. 특히, 저장조(20)의 대향면 상에 상기 오리피스 또는 각각의 오리피스를 배치하는 것을 고려하는 것이 전적으로 가능하다.
마지막으로, 본 발명에 따른 스러스터(100)는 특히 위성(S) 또는 우주 탐사기(SP)에 사용될 수 있다.
이와 같이, 도 14는 본 발명에 따른 스러스터(100), 및 스러스터(100)의 에너지 소스(SE), 예를 들어 상기 또는 각각의 DC(30") 또는 AC(30, 30') 전압 소스(본 경우에 따르면 무선주파수 또는 마이크로파)에 연결된 배터리 또는 솔라 패널을 포함하는 위성(S)을 개략적으로 도시한다.
도 15는 본 발명에 따른 스러스터(100), 및 스러스터(100)의 에너지 소스(SE), 예를 들어 상기 또는 각각의 DC(30") 또는 AC(30, 30') 전압 소스(본 경우에 따르면 무선주파수 또는 마이크로파)에 연결된 배터리 또는 솔라 패널을 포함하는 우주 탐사기(SS)을 개략적으로 도시한다.

Claims (14)

  1. 이온 스러스터(100)로서,
    챔버(10),
    고체 추진제(PS)를 포함하는 저장조(20) ― 상기 저장조(20)는 상기 챔버(10) 내에 하우징되고 적어도 하나의 오리피스(22)가 제공된 전도성 재킷(21)을 포함함 ―;
    적어도 하나의 코일 또는 적어도 하나의 안테나 ― 상기 적어도 하나의 코일 또는 적어도 하나의 안테나는 상기 저장조(20) 내의 상기 고체 추진제를 승화시켜 가스 상태의 추진제를 형성하고, 추진제는 저장조(20)로부터 상기 적어도 하나의 오리피스(22)를 통해 상기 챔버에 진입하며, 상기 적어도 하나의 코일 또는 적어도 하나의 마이크로파 안테나는 상기 챔버 내의 상기 가스 상태의 추진제로부터 상기 챔버(10) 내에 플라즈마를 발생시키며, 상기 플라즈마는 이온 및 전자를 포함함 ―;
    커패시터(53)와 직렬로 배치되고 상기 이온의 플라즈마 주파수와 상기 전자의 플라즈마 주파수 사이의 무선주파수를 갖는 신호를 발생시키도록 구성된 무선주파수 AC 전압 소스(30), 또는 DC 전압 소스(30")를 포함하는 전압 소스;
    상기 이온을 추출하고 가속시키는 수단을 포함하되, 상기 이온을 추출하고 가속시키는 수단은 상기 챔버의 출구 단부에 위치된 제1 그리드(51)를 포함하고, 상기 챔버의 출구 단부에 위치된 제2 그리드 또는 전극(52)을 포함하며, 상기 제1 그리드는 상기 전압 소스의 제1 전압 출력에 연결되고,
    (i) 제2 그리드는 기준 전위(55)에 연결되거나,
    (ii) 제2 그리드는 상기 전압 소스의 제2 출력에 연결되거나, 또는
    (iii) 상기 전극이 기준 전위에 연결되거나 상기 전극이 전압 소스의 제2 출력에 연결되고,
    상기 이온을 추출하고 가속시키는 수단은, 상기 출구 단부에서 적어도 상기 이온을 포함하는 빔(70, 70')을 형성하도록 적어도 상기 이온을 추출하고 가속시키는, 이온 스러스터(100).
  2. 제1항에 있어서,
    Figure 112023117240015-pct00021
    상기 전압 소스는 커패시터와 직렬로 배치된 상기 무선주파수 AC 전압 소스(30)이고,
    상기 적어도 하나의 코일(40)은 상기 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 의해 전력을 공급받고, 상기 이온을 추출하고 가속시키는 수단(50)은 커패시터와 직렬로 배치된 상기 무선주파수 AC 전압 소스(30)에 의해 전력을 공급받는, 이온 스러스터(100).
  3. 제1항에 있어서,
    또다른 무선주파수 AC 전압 소스(30')가 적어도 하나의 코일(40)에 전력을 공급하거나, 마이크로파 무선주파수 AC 전압 소스(30')가 적어도 하나의 마이크로파 안테나에 전력을 공급하는, 이온 스러스터(100).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전압 소스는 상기 무선주파수 AC 전압 소스(30)이고, 상기 빔(70)은 전자를 더 포함하는, 이온 스러스터(100).
  5. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 이온을 추출하고 가속시키는 수단(50)이 상기 제1 그리드 및 제2 그리드를 포함하는 경우, 상기 빔(70)의 전기적 중성은 상기 무선주파수 AC 전압 소스(30)에서 나오는 양 및/또는 음의 전위의 지속시간을 조정함으로써 적어도 부분적으로 획득되는, 이온 스러스터(100).
  6. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 이온을 추출하고 가속시키는 수단(50)이 상기 제1 그리드 및 제2 그리드를 포함하는 경우, 상기 빔(70)의 전기적 중성은 상기 무선주파수 AC 전압 소스(30)에서 나오는 양 및/또는 음의 전위의 진폭을 조정함으로써 적어도 부분적으로 획득되는, 이온 스러스터(100).
  7. 제3항에 있어서,
    상기 이온 스러스터(100)는 전기적 중성을 제공하기 위해 상기 빔(70')에 전자를 주입하기 위한 전자 발생기를 더 포함하는, 이온 스러스터(100).
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장조(20)는 상기 고체 추진제(PS)와 상기 재킷(21) 사이에 위치된 멤브레인(22')을 포함하고, 상기 멤브레인(22')은 적어도 하나의 구멍(22")을 포함하며, 상기 적어도 하나의 구멍의 표면적은 상기 적어도 하나의 오리피스(22)의 표면적보다 큰, 이온 스러스터(100).
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    원형, 정사각형, 직사각형, 또는 슬롯 형태인 구멍을 더 포함하되, 상기 제1 그리드가 상기 구멍을 포함하거나 또는 상기 제1 그리드와 제2 그리드가 상기 구멍을 포함하는, 이온 스러스터(100).
  10. 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍은 직경이 0.2mm 내지 10mm 인 원형 오리피스인, 이온 스러스터(100).
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버(10)에서 추출하고 가속시키는 수단(50)이 상기 제1 그리드 및 제2 그리드를 포함하는 경우, 2개의 그리드(52', 51) 사이의 거리는 0.2mm 내지 10mm 인, 이온 스러스터(100).
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 추진제(PS)는 이원자 요오드, 다른 화학 성분과 혼합된 이원자 요오드, 페로센, 아다만탄, 또는 비소로부터 선택되는, 이온 스러스터(100).
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 이온 스러스터(100), 및 상기 전압 소스에 연결된 에너지 소스(SE)를 포함하는 위성(S).
  14. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 이온 스러스터(100), 및 상기 전압 소스에 연결된 에너지 소스(SE)를 포함하는 우주 탐사기(SS).
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