JP3976425B2 - イオンエンジン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星等に搭載される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、人工衛星等の軌道制御、南北位置保持、主推進等に用いられている。このようなイオンエンジンのうち電子衝撃型イオンエンジンの主要部は、通常、図6に示すように構成されている。
【0003】
すなわち、図中、1は円筒状に形成された金属材製のシールドケースを示している。このシールドケース1の周壁には小孔2が複数形成されている。
【0004】
シールドケース1内には磁性材で形成された放電容器3が同心的に配置されている。この放電容器3の開口部は加速電極4によって蓋されている。加速電極4は、スクリーングリッド4aと加速グリッド4bとで構成されている。これらスクリーングリッド4aと加速グリッド4bには、イオンビーム通過孔5が同軸的に複数形成されている。
【0005】
放電容器3の底壁中央部には小径の開口部6が形成されており、この開口部6は筒体7を介してガス導入系8に通じている。そして、筒体7内に主陰極となるホローカソード9が配置されている。また、放電容器3の内壁面にはN極とS極とを交互に内側に位置させるように環状の磁石10が複数固定されている。
【0006】
加速電極4を構成しているスクリーングリッド4aと加速グリッド4bとは、それぞれ径方向の熱膨張を吸収するための電極支持機構12(スクリーングリッド4aの電極支持機構は図示せず)で支持されている。スクリーングリッド4aと加速グリッド4bとには、定格動作時に0.7mm程度のグリッド間隔を保つための曲率がつけられている。電位的にはスクリーングリッド4aが1kV程度で、加速グリッド4bが−300V程度に保持されている。
【0007】
ホローカソード9は、通常、図7に示すように構成されている。
【0008】
すなわち、電子源となるのは中心部に円柱状の空洞を持つカソードインサート13である。このカソードインサート13は、フランジ14に同軸的に突設された円筒状のカソードチューブ15に挿入されている。カソードチューブ15の先端部にはオリフィス板16が設けてあり、このオリフィス板16に対してカソードインサート13が支持筒17によって押し付けられている。なお、オリフィス板16の中心には0.5〜lmm程度のオリフィス18が設けられている。また、オリフィス板16の前面には、中心部に孔を有した円盤状のキーパ電極19が絶縁筒20に支持されて配置されている。カソードチューブ15の先端部外周にはヒータ21が装着してあり、その外側には熱シールド22が装着されている。なお、図7において、23,24はヒータ21に給電するための端子を示し、25はキーパ電極19を所定の電位に保つための端子を示している。
【0009】
このように構成されたホローカソード9は、フランジ14の周縁部が絶縁リング26を介して筒体7に固定され、またカソードインサート13がフランジ14を介してガス導入系8に通じている。
【0010】
このイオンエンジンでは、ホローカソード9のカソードインサート13に対して放電容器3が図示しない電圧印加系統によって陽極電位に保たれる。この状態で推進剤、例えばXe(キセノン)ガスがガス導入系8からホローカソード9内を通って放電容器3内に導入されると、カソードインサート13と放電容器3との間に放電が生起され、カソードインサート13から放出された1次電子が加速される。この1次電子がホローカソード9内のXeガスに衝突して電離プラズマが生成される。この電離プラズマから新たに2次電子が引き出され、1次電子と共に放電容器3内のXeガスに衝突し、別の電離プラズマが生成される。放電容器3内の電離プラズマは、磁石10の作るカスプ磁場によって放電容器3の内壁面から離れた領域に閉じ込められる。
【0011】
加速電極4は放電容器3内の電離プラズマからXe+ イオンを引き出し、1keV程度の運動エネルギを与えてイオンビーム通過孔5から宇宙空間に放出する。この放出に伴う反力が推力となる。なお、放出されたXe+ イオンビームと同じ量の電子eを中和器27が宇宙空間に放出して電気的に中和し、人工衛星等が帯電するのを防止する。ホローカソード9のヒータ21とキーパ電極19は、点火時にカソードインサート13から1次電子を放出させるのに用いられる。
【0012】
ところで、このようにして運転されるイオンエンジンにおいて、磁石10としては、通常、Sm−Co磁石が使用されている。この磁石は約250℃以上になると急激な経年変化(減磁)を示す。したがって、放電容器3内の電離プラズマを良好に閉じこめるには、磁石10を冷却して約250℃以下に保つ必要がある。
【0013】
このようなことから、従来のイオンエンジンでは、放電容器3の外表面に熱輻射率の高いアルミナ溶射層等の高熱輻射率層28を設け、この高熱輻射率層28からシールドケース1の小孔2を通して放射状に輻射熱を放射させて放電容器3を冷却し、これによって各磁石10の温度上昇を防止している。
【0014】
しかしながら、前記のように構成された従来のイオンエンジンにあっては、大型化するに当たって次のような問題があった。
【0015】
すなわち、放電容器3は通常、厚さlmm程度の鉄材で構成される。大型化する場合でも放電容器3の重量増加を抑えるために、やはり放電容器3の壁厚を1mm程度に抑える必要がある。一方、大型化すると、放電容器3内及びホローカソード9内で発生する熱量が増加する。この結果、放電容器3の内面に取りつけられている各磁石10に侵入する熱量も増加する。このように多量の熱が各磁石10に侵入したとき、この侵入熱を放電容器3の薄い壁内を通して熱伝導で一様に拡散させることは困難となる。このため、各磁石10の温度が場所によって大きく異なったものとなる。
【0016】
各磁石10に侵入する熱の主な熱源は、放電容器3内に生成されている電離プラズマとホローカソード9内に生成されている電離プラズマとである。このうち、放電容器3内に生成されている電離プラズマから各磁石10に流れ込む熱量はほぼ均等である。しかし、ホローカソード9内の電離プラズマから流れ込んでくる熱量は、ホローカソード9に近い磁石ほど大きくなる。特に、ホローカソード9の周囲に配置されている磁石10aの温度が残りの磁石10に較べて極めて高くなり、約250℃以下にするのが極めて困難であった。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来のイオンエンジンにあっては、大型化を図ろうとすると、特にホローカソードの近くに配置されている磁石への熱侵入が大きくなり、これら磁石が許容温度を超えてしまい、大型化するのが困難であった。
【0018】
そこで本発明は、特にホローカソード内の電離プラズマから放電容器内の磁石へ侵入する熱量を効果的に抑制でき、もって大型化の実現に寄与できるイオンエンジンを提供することを目的としている。
【0019】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、放電容器と、この放電容器に取り付けられ、陽極としての前記放電容器に対して主陰極となるホローカソードと、前記放電容器の内部へ作動ガスを導入するガス導入系と、前記ホローカソードと前記放電容器との間に電圧を印加し、前記ガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させて前記ホローカソード内及び前記放電容器内にプラズマを生成させる手段と、前記放電容器に取り付けられて前記放電容器内のプラズマを磁場の作用で前記放電容器の壁から離れた領域に保持する複数の磁石と、前記放電容器内のプラズマからイオンを取り出し、加速して前記放電容器の外部へ送り出す複数のグリッド板からなる加速電極とを備えたイオンエンジンにおいて、前記ホローカソードと前記放電容器との間に設けられ、前記ホローカソードで発生した熱の一部を前記放電容器の方向以外の方向に輻射して前記ホローカソードから前記放電容器へ移動する熱量を抑制する熱移動抑制手段を備えていることを特徴としている。 なお、前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部又はほぼ全部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、この熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に形成された高熱輻射率面部とを備えていてもよい。
【0020】
また、前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、この熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に形成された高熱輻射率面部と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の内部に位置している部分に形成された低熱輻射率面部とを備えていてもよい。
【0021】
また、前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、この熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に設けられた高熱輻射率面部と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の内部に位置している部分に形成された低熱輻射率面部と、前記放電容器の内面側で少なくとも前記熱遮蔽筒体に近接している前記磁石の外面を覆うように設けられた熱遮蔽層とを備えていてもよい。
【0022】
さらに、各熱移動抑制手段は、前記放電容器と前記熱遮蔽筒体との間に介挿された複数枚の網状体等からなる熱絶縁材を含んでいてもよい。
【0023】
前記ホローカソード内の電離プラズマから流出してくる熱量は、熱遮蔽筒体に伝わり、この熱遮蔽筒体の外表面で、放電容器の外部に位置している部分に設けられた高熱輻射率面部を介して輻射でシールドケースに伝えられる。そして、シールドケースに伝えられた熱量は、輻射で宇宙空間へ放射される。このとき、シールドケースの表面にも高熱輻射率層を設けていれば一層効果的である。
【0024】
このように、ホローカソード内の電離プラズマから流出してくる熱が、放電容器側に伝わるのを抑制できるので、放電容器内に設けられている磁石、特にホローカソードの近くに配設されている磁石が許容値以上に温度上昇するのを防止でき、結局、大型のイオンエンジンの設計が可能となる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら発明の実施形態を説明する。
【0026】
図1には本発明の第1の実施形態に係るイオンエンジンを一部切欠した斜視図が示されている。なお、この図では図6と同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【0027】
この例に係るイオンエンジンが従来のものと異なる点は、ホローカソード9と放電容器3との間に、ホローカソード9で発生した熱の一部を放電容器3の方向以外の方向に輻射してホローカソード9から放電容器3へ移動する熱量を抑制する熱移動抑制手段31を設けたことにある。
【0028】
熱移動抑制手段31は、図2に示すように、一端側にホローカソード9のフランジ14aが位置するように、内部にホローカソード9を同心的に収容固定した例えば金属製の熱遮蔽筒体32と、この熱遮蔽筒体32の外周面で、例えば軸方向の中間位置に設けられて筒体7の開口端部への接続に供されるフランジ33と、熱遮蔽筒体32の外周面で、フランジ33より図中下側、つまり放電容器3より外に位置する部分に形成された高熱輻射率面部34とで構成されている。
【0029】
高熱輻射率面部34は、熱遮蔽筒体32の外周面への高熱輻射率材のコーテイング(アルミナ溶射等)あるいは外周面への高熱輻射率処理によって形成されている。
【0030】
このような構成であると、次のようにしてホローカソード9から放電容器3へ移動する熱量が抑制される。
【0031】
すなわち、主陰極であるホローカソード9の熱源である電離プラズマは、カソードインサート13内の先端数mmの範囲で形成される。この電離プラズマから発生した熱の大部分は、カソードインサート13から支持筒17及びカソードチューブ15を介してフランジ14aに伝わり、このフランジ14aから熱遮蔽筒体32の図2中下端部に伝わる。
【0032】
熱遮蔽筒体32の外周面で、図2中下端部からフランジ33までの部分、つまり放電容器3の外に位置している部分には高熱輻射率面部34が形成されている。このため、熱遮蔽筒体32に伝わった熱の大部分は、高熱輻射率面部34から放電容器3の方向以外の方向、この例ではシールドケース1に向けて輻射され、このシールドケース1から宇宙空間に放射される。
【0033】
したがって、ホローカソード9から放電容器3へ移動する熱量を抑えることができ、この結果、磁石10の温度、特にホローカソード9に近い部分に設けられている磁石10aの温度を許容値以下に抑えることができる。
【0034】
なお、シールドケース1の表面にも高熱輻射率層を設けておけば一層効果的である。
【0035】
図3には本発明の第2の実施形態に係るイオンエンジンの要部だけが示されている。この図では図2と同一機能部分が同一符号で示されている。したがつて、重複する部分の説明は省略する。
【0036】
この例に係るイオンエンジンでは、熱遮蔽筒体32の外周面で放電容器3の外部に位置する部分に前記例と同様の高熱輻射率面部34を設け、外周面で放電容器3の内部に位置する部分に鏡面仕上げ等によって形成された低熱輻射率面部35を設けてなる熱移動抑制手段31aを用いている。
【0037】
このような構成であると、先の例と同様の効果が得られることは勿論のこと、低熱輻射率面部35の存在が有効に作用し、熱遮蔽筒体32の外周面で放電容器3の内部に位置する部分から輻射で放電容器3に伝わる熱量も十分に小さい値に抑えることが可能となる。
【0038】
図4には本発明の第3の実施形態に係るイオンエンジンの要部だけが示されている。この図では図3と同一機能部分が同一符号で示されている。したがつて、重複する部分の説明は省略する。
【0039】
この例に係るイオンエンジンでは、熱遮蔽筒体32の外周面で放電容器3の外部に位置する部分に前記各例と同様の高熱輻射率面部34を設け、外周面で放電容器3の内部に位置する部分に図3に示す例と同様に鏡面仕上げ等によって形成された低熱輻射率面部35を設け、さらに放電容器3の内面側で少なくとも熱遮蔽筒体32に近接している磁石10aの外面を覆うように熱遮蔽層36を設けてなる熱移動抑制手段31bを用いている。
【0040】
このような構成であると、図3に示す例と同様の効果が得られることは勿論のこと、少なくとも熱遮蔽筒体32に近接している磁石10aへ輻射で侵入する熱量を大幅に少なくすることができる。
【0041】
なお、本発明は上述した例に限定されるものではなく、例えば上述した熱移動抑制手段に加えて、図5に示すように、筒体7とフランジ33との間に、複数の金網等からなる熱絶縁材37を介在させて、フランジ33側から筒体7側へ熱伝導で伝わる熱量を抑えるようにしてもよい。また、上述した各例では熱遮蔽筒体32の外周面で軸方向の中間位置に取り付け用のフランジ33を設けているが、熱遮蔽筒体32の外周面でフランジ14aから最も離れた位置、すなわち図2中上端部にフランジ33を設けることによって、熱遮蔽筒体32の外周面のほぼ全域に高熱輻射率面部34を設けるようにしてもよい。
【0042】
また、上述した各例では推進剤としてXeガスを使用しているが、Xeガスに限定されるものではない。また、ガス導入系は主陰極と中和器を経由する2系統を採用しているが、この系統数に限定さるものではない。また、加速電極も2枚のグリッド板を軸方向バネで支持する方式を採用しているが、この枚数及び支持方式に限定されるものではない。また、上述した各例は本発明をリングカスプ磁場型のイオンエンジンに適用したものであるが、リングカスプ磁場型以外のイオンエンジンにも同様に適用できる。さらに、本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【0043】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、特にホローカソード側から放電容器内に侵入する熱量を効果的に抑制でき、大型化の実現に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るイオンエンジンを一部切欠して示す斜視図
【図2】同イオンエンジンに組み込まれたホローカソード及びその傍を取り出して示す断面図
【図3】本発明の第2の実施形態に係るイオンエンジンに組み込まれたホローカソード及びその近傍を取り出して示す断面図
【図4】本発明の第3の実施形態に係るイオンエンジンに組み込まれたホローカソード及びその近傍を取り出して示す断面図
【図5】放電容器と熱遮蔽筒体との結合部分に介挿される断熱構造を説明するための図
【図6】従来のイオンエンジンを一部切欠して示す斜視図
【図7】同イオンエンジンに組み込まれたホローカソード及びその近傍を取り出して示す断面図
【符号の説明】
1…シールドケース
2…小孔
3…放電容器
4…加速電極
5…イオンビーム通過孔
7…筒体
8…ガス導入系
9…ホローカソード
10…磁石
13…カソードインサート
14…フランジ
15…カソードチューブ
16…オリフィス板
19…キーパ電極
23,24,25…端子
31,31a,31b…熱移動抑制手段
32…熱遮蔽筒体
33…フランジ
34…高熱輻射率面部
35…低熱輻射率面部
36…熱遮蔽層
37…熱絶縁材
Claims (5)
- 放電容器と、前記放電容器に取り付けられ、陽極としての前記放電容器に対して主陰極となるホローカソードと、前記放電容器の内部へ作動ガスを導入するガス導入系と、前記ホローカソードと前記放電容器との間に電圧を印加し、前記ガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させて前記ホローカソード内及び前記放電容器内にプラズマを生成させる手段と、前記放電容器に取り付けられて前記放電容器内のプラズマを磁場の作用で前記放電容器の壁から離れた領域に保持する複数の磁石と、前記放電容器内のプラズマからイオンを取り出し、加速して前記放電容器の外部へ送り出す複数のグリッド板からなる加速電極とを備えたイオンエンジンにおいて、前記ホローカソードと前記放電容器との間に設けられ、前記ホローカソードで発生した熱の一部を前記放電容器の方向以外の方向に輻射して前記ホローカソードから前記放電容器に向けて移動する熱量を抑制する熱移動抑制手段を具備してなることを特徴とするイオンエンジン。
- 前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部又はほぼ全部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に形成された高熱輻射率面部とを備えていることを特徴とする請求項1に記載のイオンエンジン。
- 前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に形成された高熱輻射率面部と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の内部に位置している部分に形成された低熱輻射率面部とを備えていることを特徴とする請求項1に記載のイオンエンジン。
- 前記熱移動抑制手段は、内部に前記ホローカソードを収容するとともに外周面の一部が前記放電容器の外部に位置するように前記放電容器に固定された熱遮蔽筒体と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の外部に位置している部分に設けられた高熱輻射率面部と、前記熱遮蔽筒体の外周面で前記放電容器の内部に位置している部分に形成された低熱輻射率面部と、前記放電容器の内面側で少なくとも前記熱遮蔽筒体に近接している前記磁石の外面を覆うように設けられた熱遮蔽層とを備えていることを特徴とする請求項1に記載のイオンエンジン。
- 前記熱移動抑制手段は、前記放電容器と前記熱遮蔽筒体との間に介挿された複数枚の網状体からなる熱絶縁材を含んでいることを特徴とする請求項2,3,4の何れか1項に記載のイオンエンジン。
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