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技術 高熱負荷に適応する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタ

出願人 ソシエテ・ナシオナル・デテユード・エ・ドウ・コンストリユクシオン・ドウ・モトール・ダヴイアシオン、“エス.エヌ.ウ.セ.エム.アー.”
発明者 ドミニクバレンティアンジャン-ピエールブジェアエリククリンゲル
出願日 1999年8月24日 (21年2ヶ月経過) 出願番号 1999-237202
公開日 2000年3月7日 (20年8ヶ月経過) 公開番号 2000-073937
状態 特許登録済
技術分野 反動推進力発生装置
主要キーワード 外側ポール 軸コア 外側サポート 分配チャンバー 指状部分 固定突出 磁気スクリーン 熱スクリーン
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

解決手段

閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタが、磁気回路を使用し、イオン化及び加速のためのメインアニュラチャンネルに磁場を発生する。前記磁気回路は、ほぼ半径方向の第1外側ポール部材と、円錐形の第2外側ポール部材と、ほぼ半径方向の第1内側ポール部材と、円錐形の第2内側ポール部材と、第1及び第2の外側ポール部材を相互に連結する、外側コイルによって包囲された、複数の外側磁気コアと、第1内側コイルによって包囲され、第1内側ポール部材に接続される軸磁気コアと、外側コイルの上流側に配置された第2内側コイルとを有する。このスラスタは又、磁気回路に含まれる複数の半径方向のアームと、磁気回路と分離されていて、特に、コイルを冷却するように機能する構造ベースを有している。

概要

背景

図13に示す断面の構造を有する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタは、例えば、欧州特許第0541309号により公知である。

この種のスラスタは、カソード2と、アノードフォーミングガス分配マニホールド1と、内壁3a及び外壁3bにより形成されるアニュラ加速チャンネル放電チャンバー)3を有し、更に、外側ポール6と、内側ポール7と、中心コア12と、磁気ジャケット8と、内側コイル9と、外側コイル10とを有する磁気回路を有している。

アニュラ加速チャンネル3は、アニュラ加速チャンネル3内で、半径方向の磁場の勾配を増加させることが可能な内側磁気スクリーン4と外側磁気スクリーン5との間に位置している。このチャンネル3は、円筒状の金属部品17によって、外側ポール6へ接続されている。

熱的な観点から見ると、チャンネル3は、磁気スクリーン4、5だけではなく、軸及び中心コイルへの輻射を防止し、更に外部への輻射も防止する熱スクリーン13によっても包囲されている。従って、輻射によって冷却が行われる可能性があるのは、空間へ開放されているチャンネル3の下流端のみである。結果として、チャンネルの温度は、チャンネル3がその外側面を通じて輻射可能である場合よりも高くなる。

国際公開公報第94/02738は、閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタ20を開示している。この閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタ20では、加速チャンネル24は、図14のこの構造の半横断立面図に示すように、上流側でバッファーチャンバー又は緩衝チャンバー23に接続されている。

図14に示すプラズマスラスタは、保温材で製造された部品22によって形成され、その下流端25aで開放されているイオン化及び加速のためのアニュラメインチャンネル24と、少なくとも1つのホローカソード40と、メインチャンネル24と同心のアニュラアノード25とを有している。イオン化ガス供給手段26は、アニュラ分配マニホールド27を介して、アノード25の上流で開放されている。メインチャンネル24に磁場を発生させる手段31から33及び34から38は、メインチャンネル24に、チャンネル24の下流端25aで最大の誘導を生ずる勾配を有するほぼ半径方向の磁場を発生させるのに適している。これらの磁場発生手段は本質上、磁気シールドに包囲された外側コイル31と、外側及び内側のポール部材34、35と、第1軸コア33と、磁気シールドに包囲された第2軸コア32と、磁気ヨーク36とを有している。

緩衝チャンバー23は、空間へ自由に輻射可能であり、チャンネル24を冷却するように機能する。しかしながら、外側環状コイル31が、その最大の熱負荷を持つ部分で、チャンネル24の冷却を妨げる。更に、第1内側コイル33は、第2軸コイル32に接続された磁気スクリーンによって、利用可能となった容積に対して、非常に高いアンペア回数を提供しなければならない。これにより、温度は上昇し、非常に高温になる。

従来知られている閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタは、静止プラズマスラスタとも呼ばれ、本質的に、静止衛星制御に利用される。

従来知られている閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの構造的な特徴では、オペレーション中に熱の排出を最適化することは不可能である。結果として、閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタは、例えば、静止軌道への移動や惑星間の飛行のような飛行任務の主要な推進力を提供するほどの十分に高い出力レベルを有することは出来ない。特に、発生される出力に対する出力発生部を覆う面積の比は、大型のスラスタではより小さいので、従来の種類の大型のプラズマスラスタの温度は過度に上昇する、あるいは、熱流束を一定に保つのであれば、上記の従来の大型のプラズマスラスタの質量は、非常に大きくなる。

概要

高熱負荷適応する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの提供。

閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタが、磁気回路を使用し、イオン化及び加速のためのメインアニュラチャンネルに磁場を発生する。前記磁気回路は、ほぼ半径方向の第1外側ポール部材と、円錐形の第2外側ポール部材と、ほぼ半径方向の第1内側ポール部材と、円錐形の第2内側ポール部材と、第1及び第2の外側ポール部材を相互に連結する、外側コイルによって包囲された、複数の外側磁気コアと、第1内側コイルによって包囲され、第1内側ポール部材に接続される軸磁気コアと、外側コイルの上流側に配置された第2内側コイルとを有する。このスラスタは又、磁気回路に含まれる複数の半径方向のアームと、磁気回路と分離されていて、特に、コイルを冷却するように機能する構造ベースを有している。

目的

本発明の目的は、上述した欠点を取り除き、閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタにおけるオペレーションと熱の排出を最適化することを可能として、従来知られている閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの出力よりも大きな出力のプラズマスラスタを提供することである。

本発明の他の目的は、従来知られているプラズマスラスタに比べ、熱的及び構造的構成が改良された、閉鎖型電子ドリフトスラスタ新規な構成を提案することである。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
1件

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請求項1

高熱負荷適応する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタであって、該スラスタが、保温材で製造された部品(122)によって形成され、下流端(125a)で開放されている、イオン化及び加速のためのメインアニュラチャンネル(124)と、メインアニュラチャンネルの下流部分に隣接してメインアニュラチャンネル(124)の外側に配設される少なくとも1つのホローカソード(140)と、メインアニュラチャンネル(124)と同心で、開放された下流端(125a)から所定の距離に配設されるアニュラアノード(125)と、アニュラアノード(125)にイオン化ガスを供給するパイプ(126)及び分配マニホールド(127)と、メインアニュラチャンネル(124)に磁場を発生する磁気回路と、を有し、更に、前記磁気回路が、・ほぼ半径方向の第1外側ポール部材(134)と、・円錐形の第2外側ポール部材(311)と、・ほぼ半径方向の第1内側ポール部材(135)と、・円錐形の第2内側ポール部材(351)と、・第1及び第2の外側ポール部材(134、311)を相互に連結する、外側コイル(131)によって包囲された、複数の外側磁気コア(137)と、・第1内側コイル(133)によって包囲され、第1内側ポール部材(135)に接続される軸磁気コア(138)と、・外側コイル(131)の上流側に配置された第2内側コイル(132)と、を有することを特徴とするスラスタ。

請求項2

軸磁気コア(138)を円錐形状第2内側ポール部材(351)の上流部分へ接続する複数の半径方向のアーム(352)と、第1の半径方向のアーム(352)を延長し、前記複数の外側磁気コア及び円錐形状第2外側ポール部材(311)の上流部分へ接続される複数の第2の半径方向のアーム(136)とを有することを特徴とする請求項1に記載のプラズマスラスタ。

請求項3

第1の半径方向のアーム(352)の数及び第2の半径方向のアーム(136)の数が、外側磁気コア(137)の数と等しいことを特徴とする請求項2に記載のプラズマスラスタ。

請求項4

小さな隙間が、各々の第1の半径方向のアーム(352)と対応する第2の半径方向のアーム(136)との間に存在することを特徴とする請求項2又は3の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項5

前記メインアニュラチャンネル(124)が、上流部分において切頭円錐形状であり、下流部分において円筒形状である軸線を含む断面を有することと、アニュラアノード(125)が、円錐台状のテーパを有する軸線を含む断面を有することとを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項6

前記プラズマスラスタの機械的支持部を構成し、軸磁気コア(138)、第1及び第2の外側ポール部材(134、311)、第1及び第2の内側ポール部材(135、351)とは別体であって、熱伝導によって第1内側コイル(133)、第2内側コイル(132)、及び外側コイル(131)を冷却するように機能する、熱伝導性の良い材料で製造した構造ベース(175)を含むことを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項7

前記構造ベース(175)の側面が、輻射可能なコーティングに覆われていることを特徴とする請求項6に記載のプラズマスラスタ。

請求項8

前記メインアニュラチャンネル(124)を形成する部品(122)が、一体型ブロックで構成されるアニュラチャンネルを形成し、拡張スロット(164)を設けられた一体型の支持部(162)によってベース(175)へ接続され、ねじの係合によって前記一体型の支持部へ固定されることを特徴とする請求項6又は7に記載のプラズマスラスタ。

請求項9

前記アニュラメインチャンネル(124)が、それぞれが個々の支持部(162a、162b)を介してベース(175)へ接続される、断熱セラミック製の2つのリング状の部品(122a、122b)によって形成される下流端を有することと、前記アニュラメインチャンネル(124)の上流部分が、真空によって支持部(162)から電気的に絶縁されるアノード(125)の壁により形成されることとを特徴とする請求項6又は7に記載のプラズマスラスタ。

請求項10

前記断熱セラミック製の部品(122)の軸方向長さと前記チャンネル(124)の幅との比が、0.25から0.5の範囲であることと、前記アノード(125)の壁と前記断熱セラミック製の部品(122)の支持部(162)との間の距離が、0.8mmから5mmの範囲であることとを特徴とする請求項9に記載のプラズマスラスタ。

請求項11

前記アノード(125)が、前記ベース(175)に対して、中実コラム(114、151)及び柔軟なブレード(115)によって固定されていることを特徴とする請求項9又は10に記載のプラズマスラスタ。

請求項12

第2の半径方向のアーム(136)と、絶縁装置(300)に接続されるイオン化ガスの供給パイプ(126)と、アノード(125)にバイアスをかけるライン(145)と、外部コイル(131)と第1及び第2内側コイル(133、132)に電力を供給するワイヤーとを受承するために、凹部(751)が、前記ベース(175)に設けられることを特徴とする請求項2又は請求項6から11の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項13

前記メインアニュラチャンネル(124)の上流側に配置される超断熱材シート(130)を含み、超断熱材のシート(301)が、前記メインアニュラチャンネル(124)と前記第1内側コイル(133)との間にも配置されることを特徴とする請求項1から12の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項14

上流側の円錐形状第2内側ポール部材(351)の円錐頂点が、下流を向いていることを特徴とする請求項1から13の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項15

上流側の円錐形状第2内側ポール部材(351)の円錐の頂点が、上流を向いていることを特徴とする請求項1から13の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項16

第1内側コイル(133)と、円錐形状第2内側ポール部材(351)と、第2内側コイル(132)とを支持する共通支持部(332)を含み、これら第1内側コイル(133)と、円錐形状第2内側ポール部材(351)と、第2内側コイル(132)とが、前記共通支持部(332)へ、ろう付けによって、又は拡散溶接によって固定されることと、前記共通支持部(332)が、熱伝導性のシートをベース(175)と共通支持部との間に挟んで、ねじ手段によって前記ベースに取り付けられることとを特徴とする請求項6から12の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項17

前記第1内側コイル(133)が、共通支持部(332)の内側部分に接続されると共に前記磁気コア(138)の凹部(381)に配置されるヒートパイプ(433)によって冷却されることを特徴とする請求項16に記載のプラズマスラスタ。

請求項18

前記第1内側コイル(133)が、共通支持部(332)の上流部分に接続されると共に前記第2内側ポール部材(351)に形成された開口部を通る複数のヒートパイプ(433a、433b)によって冷却されることを特徴とする請求項16に記載のプラズマスラスタ。

請求項19

前記円錐形状第2外側ポール部材(311)が、開口部を有していることを特徴とする請求項1から18の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項20

前記第1及び第2の外側ポール部材(134、311)が、開口部を有する非磁性の構造リンク部材(341)によって機械的に接続されることを特徴とする請求項19に記載のプラズマスラスタ。

請求項21

前記外側コイル(131)の外側磁気コア(137)が、外側磁気コア(137)の軸線が、第1及び第2の外側ポール部材(134、311)の円錐の母線によって形成される角度の二等分線に対しほぼ垂直であるように、スラスタの軸線に対して、角度βで傾斜していることを特徴とする請求項1から20の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項22

前記アニュラアノード(125)が、内部バッフル(271)を備えると共に2つのアニュラダイアフラム(273)を形成するためにメインチャンネル(124)の壁と協働する平坦下流プレート(272)を有するマニホールドと、下流方向へのガス漏洩を制限するためにメインチャンネル(124)の壁に取り付けられるリアプレート(274)と、イオン化ガスをメインチャンネル(124)へ注入するための穴部(120)を備えた円筒状の壁とを含んでいることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項23

前記ベース(175)が、側面を陽極処理されている軽合金で製造されていることを特徴とする請求項6から12の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項24

前記ベース(175)が、銅のデポジット下流面をコーティングされたカーボンカーボン複合材料で製造されていることを特徴とする請求項6から12の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項25

前記外側コイル(131)と、前記第1及び第2の内側コイル(133、132)とが、無機絶縁遮蔽ワイヤーで製造されることと、前記コイル(131、133、132)に巻かれているワイヤーが、高い熱伝導性を有するろう付け金属によって結合されることとを特徴とする請求項1から24の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項26

前記外側コイル(131)と、前記第1及び第2の内側コイル(133、132)とが、直列に接続され、カソード(140)と、アノード−カソード放電のための電力源陰極とへ電気的に接続されることを特徴とする請求項1から25の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項27

円錐形状第2外側ポール部材(311)が、25°から60°の範囲の円錐母線角を有することを特徴とする請求項1から26の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

請求項28

円錐形状第2内側ポール部材(351)が、スラスタの軸線に対して、15°から45°の範囲の円錐母線角を有することを特徴とする請求項1から27の何れか一項に記載のプラズマスラスタ。

技術分野

0001

本発明は、高熱負荷適応する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタに関し、より詳細には、保温材で製造された部品によって形成され、その下流端開放されているイオン化及び加速のためのメインアニュラチャンネルと、メインアニュラチャンネルの下流部分に隣接してメインアニュラチャンネルの外側に配設される少なくとも1つのホローカソードと、メインアニュラチャンネルと同心で、開放された下流端から所定の距離に配設されるアニュラアノードと、アニュラアノードにイオン化ガスを供給するパイプ及び分配マニホールドと、メインアニュラチャンネルに磁場を発生する磁気回路とを有するプラズマスラスタに関する。

背景技術

0002

図13に示す断面の構造を有する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタは、例えば、欧州特許第0541309号により公知である。

0003

この種のスラスタは、カソード2と、アノードフォーミングガス分配マニホールド1と、内壁3a及び外壁3bにより形成されるアニュラ加速チャンネル放電チャンバー)3を有し、更に、外側ポール6と、内側ポール7と、中心コア12と、磁気ジャケット8と、内側コイル9と、外側コイル10とを有する磁気回路を有している。

0004

アニュラ加速チャンネル3は、アニュラ加速チャンネル3内で、半径方向の磁場の勾配を増加させることが可能な内側磁気スクリーン4と外側磁気スクリーン5との間に位置している。このチャンネル3は、円筒状の金属部品17によって、外側ポール6へ接続されている。

0005

熱的な観点から見ると、チャンネル3は、磁気スクリーン4、5だけではなく、軸及び中心コイルへの輻射を防止し、更に外部への輻射も防止する熱スクリーン13によっても包囲されている。従って、輻射によって冷却が行われる可能性があるのは、空間へ開放されているチャンネル3の下流端のみである。結果として、チャンネルの温度は、チャンネル3がその外側面を通じて輻射可能である場合よりも高くなる。

0006

国際公開公報第94/02738は、閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタ20を開示している。この閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタ20では、加速チャンネル24は、図14のこの構造の半横断立面図に示すように、上流側でバッファーチャンバー又は緩衝チャンバー23に接続されている。

0007

図14に示すプラズマスラスタは、保温材で製造された部品22によって形成され、その下流端25aで開放されているイオン化及び加速のためのアニュラメインチャンネル24と、少なくとも1つのホローカソード40と、メインチャンネル24と同心のアニュラアノード25とを有している。イオン化ガス供給手段26は、アニュラ分配マニホールド27を介して、アノード25の上流で開放されている。メインチャンネル24に磁場を発生させる手段31から33及び34から38は、メインチャンネル24に、チャンネル24の下流端25aで最大の誘導を生ずる勾配を有するほぼ半径方向の磁場を発生させるのに適している。これらの磁場発生手段は本質上、磁気シールドに包囲された外側コイル31と、外側及び内側のポール部材34、35と、第1軸コア33と、磁気シールドに包囲された第2軸コア32と、磁気ヨーク36とを有している。

0008

緩衝チャンバー23は、空間へ自由に輻射可能であり、チャンネル24を冷却するように機能する。しかしながら、外側環状コイル31が、その最大の熱負荷を持つ部分で、チャンネル24の冷却を妨げる。更に、第1内側コイル33は、第2軸コイル32に接続された磁気スクリーンによって、利用可能となった容積に対して、非常に高いアンペア回数を提供しなければならない。これにより、温度は上昇し、非常に高温になる。

0009

従来知られている閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタは、静止プラズマスラスタとも呼ばれ、本質的に、静止衛星制御に利用される。

0010

従来知られている閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの構造的な特徴では、オペレーション中に熱の排出を最適化することは不可能である。結果として、閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタは、例えば、静止軌道への移動や惑星間の飛行のような飛行任務の主要な推進力を提供するほどの十分に高い出力レベルを有することは出来ない。特に、発生される出力に対する出力発生部を覆う面積の比は、大型のスラスタではより小さいので、従来の種類の大型のプラズマスラスタの温度は過度に上昇する、あるいは、熱流束を一定に保つのであれば、上記の従来の大型のプラズマスラスタの質量は、非常に大きくなる。

発明が解決しようとする課題

0011

本発明の目的は、上述した欠点を取り除き、閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタにおけるオペレーションと熱の排出を最適化することを可能として、従来知られている閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの出力よりも大きな出力のプラズマスラスタを提供することである。

0012

本発明の他の目的は、従来知られているプラズマスラスタに比べ、熱的及び構造的構成が改良された、閉鎖型電子ドリフトスラスタ新規な構成を提案することである。

課題を解決するための手段

0013

これらの目的は、高熱負荷に適応する閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタによって達成される。このスラスタは、保温材で製造された部品によって形成され、下流端が開放されているイオン化及び加速のためのメインアニュラチャンネルと、メインアニュラチャンネルの下流部分に隣接してメインアニュラチャンネルの外側に配設される少なくとも1つのホローカソードと、メインアニュラチャンネルと同心で、開放された下流端から所定の距離に配設されるアニュラアノードと、アニュラアノードにイオン化ガスを供給するパイプ及び分配マニホールドと、メインアニュラチャンネルに磁場を発生する磁気回路とを有している。

0014

更に、このスラスタは、
・ほぼ半径方向の第1外側ポール部材
円錐形の第2外側ポール部材
・ほぼ半径方向の第1内側ポール部材
・円錐形の第2内側ポール部材
・第1及び第2の外側ポール部材を相互に連結する、外側コイルによって包囲された、複数の外側磁気コア
・第1内側コイルによって包囲され、第1内側ポール部材に接続される軸磁気コア
・外側コイルの上流側に配置された第2内側コイルを有する磁気回路で特徴付けられる。

0015

第1及び第2の外側ポール部材を相互に連結する複数の外側磁気コアの存在により、セラミックチャンネルの内壁から来る輻射の大部分が、第1及び第2の外側ポール部材の間を通ることを可能にする。第2外側ポール部材の円錐形状は、外側コイルのために利用可能な容積を増加すること及び輻射が起こり得る立体角を大きくすることを可能にする。第2内側ポール部材の円錐形状は又、磁束を導いて、第2内側コイルのためのシールド機能を果たすようにすると共に、第1内側コイルに利用可能な容積を増加させる。

0016

好ましくは、プラズマスラスタは、円錐形の第2内側ポール部材の上流部分へ軸磁気コアを接続する複数の半径方向のアームと、第1の半径方向のアームを延長し、前記複数の外側磁気コア及び円錐形の第2外側ポール部材の上流部分へ接続される複数の第2の半径方向のアームとを有している。

0017

第1の半径方向のアームの数及び第2の半径方向のアームの数は、外側磁気コアの数と等しい。

0018

各々の第1の半径方向のアームと対応する第2の半径方向のアームとの間には、小さな隙間を残し、第2内側コイルの作用を増すようにする。

0019

本発明の重要な態様では、プラズマスラスタは、熱伝導性の良い材料で製造した構造ベースを含み、この構造ベースは、スラスタの機械的支持部を構成し、軸磁気コア、第1及び第2の外側ポール部材、第1及び第2の内側ポール部材とは別体であり、熱伝導により第1内側コイル、第2内側コイル、及び外側コイルを冷却するように機能する。

0020

好ましくは、構造ベースの側面には、輻射可能なコーティングが施される。

0021

好ましくは、メインアニュラチャンネルは、上流部分において切頭円錐形状であり、下流部分において円筒形状である軸線を含む断面を有し、アニュラアノードは、円錐台状のテーパを有する軸線を含む断面を有する。

0022

1つの形態によると、メインアニュラチャンネルを形成する部品は、一体型ブロックで構成されるアニュラチャンネルを形成し、拡張スロットを設けられた一体型の支持部によってベースへ接続され、ねじの係合によって一体型の支持部へ固定される。

0023

他の実施形態では、アニュラメインチャンネルは、それぞれが個々の支持部を介してベースへ接続される断熱セラミック製の2つのリング状の部品によって形成される下流端を有し、アニュラメインチャンネルの上流部分は、支持部から真空によって電気的に絶縁されるアノードの壁により形成される。個々の支持部は同軸である。

0024

例えば、断熱セラミック製の部品の軸方向長さとチャンネルの幅との比は、0.25から0.5の範囲にあり、アノードの壁と断熱セラミック製の部品の支持部との間の距離は、0.8mmから5mmの範囲にある。

0025

アノードは、ベースに対して、中実コラム及び柔軟なブレードによって固定されている。

0026

第2の半径方向のアームと、絶縁装置に接続されるイオン化ガスの供給パイプと、アノードにバイアスをかけるラインと、外部コイルと第1及び第2内側コイルに電力を供給するワイヤーとを受承するために、凹部をベースに設けることが可能である。

0027

構造ベースが存在するために、磁気回路は、ほぼ磁束を導く機能を果たすことが可能であると共に、例えば、側面が陽極処理された軽合金、又は銅のデポジット下流面がコーティングされたカーボンカーボン複合材料等の熱伝導性の良い材料で製造された剛体のベースが、伝導によってコイルを冷却し、輻射によって損失熱を排出し、更に、スラスタの構造的強度を提供するように同時に機能する。

0028

プラズマスラスタは、メインアニュラチャンネルの上流側に配置される超断熱材シートを含んでおり、これらの超断熱材のシートは、メインアニュラチャンネルと第1内側コイルとの間にも配置される。

0029

第1の構成例では、上流側の円錐形状第2内側ポール部材の円錐頂点は、下流を向いている。

0030

他の構成例では、上流側の円錐形状第2内側ポール部材の円錐の頂点は、上流を向いている。

0031

本発明の他の形態によると、プラズマスラスタは、第1内側コイル、円錐形状第2内側ポール部材、及び第2内側コイルを支持する共通支持部を含んでおり、これら第1内側コイル、円錐形状第2内側ポール部材、及び第2内側コイルは、この共通支持部へ、ろう付けによって、又は拡散溶接によって固定される。そして、前記共通支持部は、熱伝導性のシートをベースと共通支持部との間に挟んで、ねじ手段によってベースへ取り付けられる。

0032

特定の実施形態においては、最大の熱負荷を持つ第1内側コイルを冷却する効果を改善するため、第1内側コイルは、共通支持部の内側部分に接続されると共に磁気コアの凹部に配置されるヒートパイプによって冷却される。

0033

他の形態においては、第1内側コイルは、共通支持部の上流部分に接続されると共に第2内側ポール部材に形成された開口部を通る複数のヒートパイプによって冷却される。

0034

好ましくは、円錐形状第2外側ポール部材は、開口部を有している。

0035

第1及び第2の外側ポール部材は、開口部を有する非磁性の構造リンク部材によって、機械的に接続される。

0036

他の実施形態においては、外側コイルの外側磁気コアは、外側磁気コアの軸線が、第1及び第2の外側ポール部材の円錐の母線によって形成される角度の二等分線に対しほぼ垂直であるように、スラスタの軸線に対して、角度βで傾斜している。

0037

更に他の形態によると、アニュラアノードは、内部バッフルを備えると共に2つのアニュラダイアフラムを形成するためにメインチャンネルの壁と協働する平坦下流プレートを有するマニホールドと、下流方向へのガス漏洩を制限するためにメインチャンネルの壁に取り付けられるリアプレートと、イオン化ガスをメインチャンネルへ注入するための穴部を備えた円筒状の壁とを含んでいる。

発明を実施するための最良の形態

0038

まず、本発明の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの第1の例を示す図1、2を参照する。

0039

図1、2の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタは、保温壁122によって形成されるイオン化と加速のためのメインアニュラチャンネル124を有している。チャンネル124は、その下流端125aにおいて開放されており、軸線を含む断面では、上流部分において切頭円錐形状であり、下流部分において円筒形状である。

0040

ホローカソード140は、メインチャンネル124の外側に配置され、スラスタの軸線X′Xに対して、好ましくは、角度αを成している。αは15°から45°の範囲である。

0041

軸線を含む断面において、アニュラアノード125は、下流方向が開放されている円錐台状のテーパを有する断面形状を有する。

0042

アノード125は、プラズマと接触する表面積を増加するスロットを有することが可能である。イオン化ガス分配マニホールド127から供給されるイオン化ガスを注入する穴部120が、アノード125の壁を通して形成される。マニホールド127へは、パイプ126によってイオン化ガスが供給される。

0043

以下でアノード125の特定の例について、図4、5を参照して説明する。

0044

アノード125とカソード140との間の放電は、磁気回路によって決定される磁場分布によって制御される。

0045

磁気回路は、ほぼ半径方向の第1外側ポール部材134を有している。この外側ポール部材134は、平面状、又は、出口平面S(図1)に対して、僅かに+15°から−15°の範囲の角度e1 を形成する円錐状であっても良い。

0046

第1外側ポール部材134は、外側コイル131で包囲された複数の磁気コア137によって、僅かに円錐形状である可能性のある第1外側ポール部材134よりもはっきりした円錐形状である第2外側ポール部材311に接続されている。第2外側ポール部材311の円錐母線角e2 は、25°から60°の範囲とされる。第2外側ポール部材311は、好ましくは、半径方向の大きさを縮小するように、外側コイル131に合うように開口され、チャンネル124の壁122を構成するセラミックからの輻射による冷却効果を改善するようにコイル間において開口される。

0047

ほぼ半径方向の第1内側ポール部材135は、平面状、又は、出口平面Sに対して、僅かに+15°から−15°の範囲の角度i1 を形成する円錐状であっても良い。

0048

第1内側ポール部材135は、第1内側コイル133によって包囲された中央軸磁気コア138から延設されている。軸磁気コア138は、それ自身、スラスタの上流部分において、第2内側ポール部材351へ接続される複数の半径方向のアーム352によって延長される。この第2内側ポール部材351は、上流側にあり、スラスタの軸線X′Xに対して、15°から45°の範囲の円錐母線角i2 を呈する円錐形状である。図1、2の実施形態では、第2内側ポール部材351の円錐の頂点は、下流方向を向いている。本明細書の説明では、「下流方向」とは、出口平面S及びチャンネル124の開放端125aに近接する領域に向かうことを意味し、「上流方向」とは、アノード125及びイオン化ガス供給マニホールド127が取付けられるアニュラチャンネル124の閉鎖部分へ向かって行く、出口平面Sから遠い方の領域に向かうことを意味する。

0049

第2内側磁気コイル132は、第2内側ポール部材351の上流部分の外側に配置される。第2内側コイル132の磁場は、半径方向のアーム352と整列して配置される半径方向のアーム136によって、及び第2外側ポール部材311及び第2内側ポール部材351によって導かれる。第2内側コイル132の作用を完全なものとするために、例えば、幅が約1mmから4mmの小さな隙間を半径方向のアーム352と半径方向のアーム136の間に残すことが可能である。

0050

軸磁気コア138は、半径方向のアーム352と整列して配置される複数の磁気アーム136によって、外側磁気コア137へ接続される。半径方向のアーム352の数と半径方向のアーム136の数とは、外側磁気コア137に配置される外側コイル131の数に等しい。

0051

本発明の重要な態様によると、コイル133、131及び132は、熱伝導材製の構造ベース175を介して、熱伝導によって直接的に冷却され、前記ベース175は又、スラスタの機械的支持部として機能する。ベース175は、好ましくは、その側面に、損失熱の空間への輻射を改善するために、輻射可能なコーティングを施される。

0052

ベース175は、軽合金で製造することが可能で、輻射率を増加させるように、その側面を陽極処理される。

0053

ベース175は又、例えば銅等の金属のデポジットで下流面がコーティングされたカーボン−カーボン複合材料で製造することが可能で、側面の輻射率を最大にし、チャンネルのセラミックからの輻射に曝される下流面の吸収率を最小化するようにする。

0054

構造的支持部、及び伝導によってコイル131、133、132を冷却する手段の両方として作用する強度の高いベース175の存在により、磁気回路を可能な限り軽量化することが可能となる。

0055

図1、2の例では、磁気回路は4つの外側コイル131を有し、この内の2つが図2に示されている。しかしながら、外側コイル131の数が、4つでない場合も可能である。

0056

外側コイル131と、接続された外側磁気コア137とは、磁場を発生させ、その一部が下流及び上流の外側ポール部材134、311によって導かれる。残りの磁場は、軸磁気コア138の廻りグループ化したアーム136によって集められ、軸磁気コア138自体には、下流内側ポール部材135と、第1軸コイル133と、上流側の円錐形状第2内側ポール部材351と、第2コイル132とが設けられる。

0057

コイル132によって供給される磁束は、ポール部材351、コア138、半径方向のアーム136、ポール部材311によって導かれ、コイル132は、特別な磁気シールドを必要としない。

0058

図7を参照すると、コイル133、ポール部材351、及びコイル132が、共通支持部332と共に組立体を構成することがわかる。この組立体は、機械的観点及び熱的観点の両方から一体型ブロックと見なされ、この一体型ブロックの組立体は、ベース175を介し、熱伝導によって、効果的に冷却される。

0059

コイル133、ポール部材351、及びコイル132は、ろう付け又は拡散溶接によって、共通支持部332へ固定される。支持部332自体は、ねじによって、ベース175へ取付けられる。伝導シートが、ベース175とサポート332との間に挿入され、ベース175とサポート332との間の接触面での熱抵抗を減少させる。ポール部材の内側の穴部に軸磁気コア138が挿入され、2つの内側コイル133、132及びポール部材351が、コア138に共に取付け可能であるようにする。

0060

従来のプラズマスラスタでは、アニュラチャンネル124を形成するセラミック材料の構造122は、外側ポール部材に対して、金属製の支持部によって保持される。

0061

本発明では、図1、2及び図6の例に示すように、チャンネル124を形成するセラミック材料の構造122は、スラスタの後部(即ち、上流端)へ、金属製の支持部162によって固定され、支持部が部品122の下流部分からの輻射の障害物を構成しないようにし、部品122が自由に空間へ輻射するようにする。

0062

窒化ホウ素をベースとした幾つかのセラミックは、金属へのろう付けが困難である。この問題は、機械的締結法を利用すれば解決される。

0063

例えば、セラミック材料製の部品122と支持部162との両方に、断面が半円形ねじ山を設けることが可能である。次いで、2つの部品122、162の間に、ワイヤー163を介挿して、この2つの部品122、162を結合することが可能である。上記の配置により、従来は磁気回路のエレメントに取付けられていたセラミック部品122を、支持部162に取付けることが可能になる。

0064

金属製の支持部162には、弾力的な締付けを提供すると共に、金属とセラミックとの間の異なる膨張率に対応することを可能とする指状部分を形成する、リブ165と、ノッチ164を設けることが可能である。

0065

又、支持部の固定突出部を逆にして、つまり、円筒状の支持部162の内側の方に向けて、アノードにバイアスを掛けるためのワイヤー142と、イオン化ガスをマニホールド127に供給するためのパイプ126とを通す開口部を有し、セラミック部品122が支持部162へねじで取付けられるマウントを使用することも可能である。

0066

図11は、チャンネル124の他の実施形態を示している。

0067

高いスラストを発生する、つまり、直径の大きなスラスタについては、アニュラチャンネル124を形成するセラミック部品を一体型で製造することは困難である。このため、セラミック材料製の部品122は、2つの別々のリング122aと122bに分けられ、別々の支持部162aと162bに取付けられる。

0068

リング状のセラミック支持部122aと122bの長さのチャンネル124の幅に対する比は、一般には、0.25から0.5の範囲とされる。チャンネル124の残りの部分は、アノード125の壁によって形成される。アノード125と2つの支持部162a、162bとの間の電気絶縁は、真空によりもたらされる。アノード125の壁と支持部162a、162bとの間の距離は、0.8mmから5mmの範囲であり、小さな隙間を構成する。

0069

図11に示すアノード125は、例えば、剛体のベース175に固定された151のような絶縁装置によって支持され、この剛体のベース175は、例えば151のような絶縁装置のための自然の静電スクリーンを構成する。絶縁装置151は、柔軟なブレード115aが延設され、絶縁装置を膨張率の差により生ずる力から保護する。

0070

大直径のプラズマスラスタに関しては、上流の内側ポール部材351を、頂点が下流ではなく上流に向いた円錐形状とすることも又、有利である。下流部分においてコイル133の直径が大きいということが、底辺の大きな台形形状の場合に比べて上流部分においてコイルが小さいということを補い、又、別々のリング122a、122bと連結されるリング支持部162a、162bを組込むことをより容易にする。

0071

一方、直径のさほど大きくないプラズマスラスタに関しては、上流の内側ポール部材351を、頂点が下流に向いた円錐形状とすることにより、台形形状の断面のコイル133とベース175(図1)との間の接触面積を増加させることが可能となり、又、どのように磁場が分布されるかを決定するポール部材351、135の端部111、112の位置に影響を受けることなく、下流の内側コイル133のための大きな容積を保持することが可能となることがわかる。

0072

外側ポール部材134、311の間に配置される磁気コア137に取付けられる外側コイル131(例えば、3から8個あっても良い)の使用により、アニュラチャンネル124の外側壁からの輻射の大部分を放出することが可能となる。第2外側ポール部材311の円錐形状は、外側コイル131のために利用可能な容積を増加させることと、輻射が起こる立体角を増加させることを可能にする。円錐形状外側ポール部材311には又、好ましくは、セラミック部品122の見える部分を増加する開口部が設けられて、非常にコンパクトで、大きなオープンスペースを有する磁気回路を得られるようにし、それによって、輻射がチャンネル124の全側面から起こることが可能になる。

0073

既に述べたように、ベース175は、本質的に構造上の機能を果たしている。この剛体ベース175は、高い共振周波数を有している。ポール部材についても同じことが要求される。残念ながら、上流の外側ポール部材311に開口部を設けると、その共振周波数は比較的低くなる。同様に、下流の外側ポール部材134がほぼ平坦な形状の場合にも、共振振動数はあまり高くない。この問題を解決するために、2つのポール部材311、134の間に、ほぼ円錐状の非磁性リンク部材341(図9)を配置することが可能である。輻射が起こることを可能とするために、部材341自体には、多くの開口部がなければならないが、部材341を構成している格子状のエレメントが、引張及び圧縮に作用するので、共振周波数は損なわれない。

0074

図10に示した他の実施形態では、外側コイルのために利用可能な容積は、ポール部材134、311の形状と外側コイルのために利用可能な容積との間の関係により、コイルの軸線を傾斜させることによって改善される。例えば、外側コイル131が、スラスタの軸線X′Xと角度βを形成する場合には、外側コイル131の軸線が、2つのポール部材134、311の円錐の母線によって形成される角度uの二等分線に対してほぼ垂直であるようすると、外側コイル131をより大きな容積とし、ベース175の大きさを縮小することが可能である。図10に示すように、ここでは図をわかり易くするために、チャンネル124と、コイル133、132と、ポール部材351とが省略されているが、傾斜した外側コイル131の使用と開口部を有する円錐形状外側ポール部材311とを組合せることは可能である。

0075

上述したように、ベース175は、共通支持部332、コイル133、132、及び図2に示すように好ましくはノッチが設けられているポール部材351の熱伝導によって、冷却効果において重要な役割を果たす。

0076

しかしながら、最大の熱負荷を持つコイル133の冷却は、一つ以上のヒートパイプを使用することにより改善可能である。図8には、軸磁気コア138の凹部381に適合されたヒートパイプ433が示されているが、これらは接触していない。ヒートパイプ433は、支持部332を一定温度に維持するように、コイル133の共通支持部332の内面溶接、又はろう付けすることが可能である。

0077

図3は、コイル133のための支持部の上流部分へ接続され、上流の内側ポール部材351に形成された開口部を通る複数のヒートパイプ433a、433bによって冷却されるコイル133を示している。

0078

図1、2を再び参照すると、アニュラチャンネル124の上流側に配置されたスクリーン130を形成する超断熱材料のシートと、チャンネル124と第1内側コイル133の間に配置されるスクリーンを形成する超断熱材料のシート301とが示されている。このように、超断熱スクリーン130、301は、チャンネル124によって、内側コイル133、132及びベース175に向かって輻射される熱流束の大部分を遮断する。対照的に、チャンネル124を形成する部品122は、ポール部材134、311の間の立体角を通して、空間に自由に輻射する。

0079

図11の実施形態では、静電スクリーン302は、アノード125の上流側に配置され、超断熱材料130のシートを適所に保持すると共に、パッシェンの法則が(真空による絶縁について)成立することを確実にする。更に、外側サポート162aの外面には、セラミックの部品122a、122bの冷却を促す輻射可能なコーティングを施すことが可能である。

0080

図12は、上流の第2内側ポール部材351の円錐が、上流を向いている本発明のプラズマスラスタの特定の実施形態を示す。この配置は、より詳細には、直径の大きなスラスタに適するが、図12に示すような一体型のセラミック材料の部品122によって形成される加速チャンネル124や、図11を参照して上述したような2つの別々のセラミック材料の部品122a、122bによって形成される加速チャンネル124についても同様に適しており、使用可能である。図12では、種々のエレメントが、先に図を参照して、説明したエレメントと機能的に同等であり、これらについては、特に図1、2と同じ参照番号を付してある。これらについては再度説明しない。

0081

図12でわかるように、凹部又はミル加工部分751が、ベース175に形成され、第2の半径方向アーム136と、アノード125にバイアスをかけるライン145と、外側コイル131と第1及び第2の内側コイル133、132に電力を供給するワイヤー313、323、333とを受承する(図7及び図12)。凹部が又、ベース175に形成され、イオン化ガスを供給する、絶縁装置300が設けられたパイプ126を受承するようにすることも可能である(例を図4に示す)。

0082

好ましくは、外側コイル131と、第1及び第2の内側コイル133、132は、無機絶縁遮蔽ワイヤーで製造される。コイル131、132、133に巻かれているワイヤーは、高い熱伝導性を有するろう付け金属によって固定される。

0083

外側コイル131と、第1及び第2の内側コイル133、132とは、直列に接続され、カソード140と、アノード−カソード放電のための電力源陰極とへ電気的に接続される。

0084

従来技術の実施形態では、例えば図14に示す実施形態のように、アニュラバファーチャンバー23は、半径方向の大きさについて、メインアニュラチャンネル24より大きく、アニュラアノード25が位置している領域を越えて、メインアニュラチャンネルから上流へ延設されている。

0085

図1に示す本発明の実施形態では、軸線を含む断面が上流部分で切頭円錐形状であり、下流部分で円筒形状であるメインアニュラチャンネル124を使用することによって、よりコンパクトな配置が可能である。この場合、アニュラアノード125は、軸線を含む断面において、円錐台状のテーパを有する断面形状を有する。

0086

局所的にガス濃度を増加することによって、つまり、上流部分でのガスの流れの断面積を増加するのではなく減少することによって、緩衝チャンバー作用がメインチャンネル124において得られることが観察されている。

0087

図4に、アニュラアノード125の1つの実施形態を示す。アノード125の剛体部分116に形成される一連環状スロット117は、汚染を防止することを可能にする。イオン化ガスは、剛体のパイプ126を通って、注入穴部120によって環状スロット117と連通している分配チャンバー127に導入される。絶縁装置300は、電気結線145によってアノード−カソード放電のための電力源の陽極へ接続されるアノード125とパイプ126との間に配置される。

0088

アノード125とセラミック材料製のチャンネル124を形成する部品122との間の異なる膨張率の問題を解決可能であることが又、好ましい。

0089

3つの円形コラムに固定される剛体のアノードについては、短いコラムで得られる高い固有振動数と長いコラムを必要とする高い許容熱動力応力との間で許容可能な妥協点見出すことが可能である。

0090

1つの解決法図4に示されている。アノード125は、円形断面の中実コラム114と、柔軟なブレードを形成するために薄くなっている2つのコラム115との両方によって支持され、異なる熱膨張の観点から満足のいく結果が達成される。

0091

図5は、加速チャンネル124の切頭円錐形状部分に位置するアノード125の他の実施形態を示す。この場合では、アニュラアノード125は、内部バッフル271を備えると共に2つのアニュラダイアフラム273を形成するためにメインチャンネル124の壁と協働する下流平面プレート272を含むマニホールド127を有している。後部プレート274が、メインチャンネル124の壁122に取付けられ、上流方向へのガスの漏洩を制限する。穴部120を有する円筒状の壁が、イオン化ガスを、メインチャンネル124へ注入することを可能とする。

図面の簡単な説明

0092

図1本発明の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの第1の特定の実施形態の半横断面図である。
図2図1のプラズマスラスタの斜視部分外皮切断図である。
図3ヒートパイプを取付けられた本発明のプラズマスラスタの中央部分の斜視図である。
図4本発明のプラズマスラスタへの組込みに適したアノードの斜視横断面図である。
図5本発明のプラズマスラスタへの組込みに適した単純構造の他のアノードの斜視部分半横断面図である。
図6本発明のプラズマスラスタの特定の実施形態のアニュラチャンネル支持部の半断面立面図である。
図7本発明のプラズマスラスタの中央部分の分解図である。
図8本発明のプラズマスラスタの第1内側コイルに接続されたヒートパイプを示す断面図である。
図9本発明のプラズマスラスタの磁気回路の外側ポール部材間構造補強を示す斜視図である。
図10本発明の他の実施形態であって、傾斜した外側コイルを取付けられたプラズマスラスタの特定の実施形態を示す部分略示図である。
図11本発明のプラズマスラスタの特定の実施形態の加速チャンネルの本体の一部を形成するアノードを示す部分半横断面図である。
図12本発明の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの他の特定の実施形態の半横断面図である。
図13第1の従来技術の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの半横断面図である。
図14第2の従来技術の閉鎖型電子ドリフトプラズマスラスタの半横断面立面図である。

--

0093

122…メインアニュラチャンネルを構成する保温材で製造された部品
124…メインアニュラチャンネル
125…アニュラアノード
125a…下流端
126…パイプ
127…マニホールド
131…外側コイル
132…第2内側コイル
133…第1内側コイル
134…第1外側ポール部材
135…第1内側ポール部材
137…外側磁気コア
138…軸磁気コア
140…ホローカソード
311…第2外側ポール部材
351…第2内側ポール部材

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