JP6120878B2 - プラズマ推進機およびプラズマ推進力を生成するための方法 - Google Patents
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Description
予め定義された軸に沿って、推進燃料ガスを上記放電チャンバーに注入することが可能な注入ノズルを有する、少なくとも1つの注入手段とを備え、
上記注入ノズルは出口端を備え、
上記放電チャンバー内に存在する上記推進燃料ガスの電子を、ジャイロ磁気回転させることが可能な磁場生成機と、
上記放電チャンバー内に存在する推進燃料ガスに対して、少なくとも1つの電磁波であって、その電磁波の電場は右円偏光を有するとともに、その電磁波の周波数は、上記磁場生成機により磁化された上記推進燃料ガスの電子のジャイロ磁気共鳴の周波数である、fECRと同じである電磁波を生成することにより、照射可能な電磁波生成機とを備えるプラズマ推進機であって、
上記磁場生成機は、
一方において、磁場を生成することが可能であり、
その磁場は、上記注入ノズルの内部であって、上記注入ノズルの上記出口端での強度である第1局所的最大値を有し、
ECR表面として知られる等力表面を決定する力線を有し、
上記力線は、上記電磁波の上記影響の下での電子のサイクロトロン共鳴を可能とする強度と同じ強度を有し、
上記ECR表面は、上記注入ノズルの上記出口端を覆い、
このECR表面によって確定される容量が、上記電磁波の共鳴キャビティであり、
上記注入ノズルの内部での上記磁場の強度である第2局所的最大値を有し、
上記第2局所的最大値は、上記注入ノズルの内部での磁場の強度である局所的最小値によって、上記第1局所的最大値から分離されており、
他方においては、反磁性の推進力を生成するように、上記力線にノズルの形状を付与し、
上記注入手段は、
上記注入ノズルの上記出口の上記推進燃料ガスに対して上記電磁波を照射する電磁アンテナとして作動するように、導電性材料で形成されると共に、上記電磁波生成機に接続されており、
上記注入ノズルの内部において、上記磁場の強度が上記第2局所的最大値を達成することが可能となるように、上記注入手段は、磁気伝導材料で形成されており、
上記注入ノズルの下流端に、数ミリメータ以下の外部直径を有する注入チャネルを備えていることを特徴とするプラズマ推進機。
上記磁場生成機は、磁場源として、少なくとも1つの、予め定義された軸に対して同軸に配置され、第一磁極と第二磁極とを有する円環状永久磁石を備え、
上記第一磁極と一体となっている第一磁気要素と、上記第二磁極と一体となっている第二磁気要素とを備え、
上記第一磁極と第二磁極とは、上記予め定義された軸から、それぞれ、第一間隔と第二間隔とをあけて配置されており、
上記第二間隔は、上記第一間隔よりも長く、
上記第一磁極と第二磁極とは、上記推進燃料ガスの流れの方向について、それぞれ、注入ノズルの上流と下流とに配置されており、
上記力線は、上記注入ノズルと交差し、上記予め定義された軸と、10°から70°の間の角度を形成している。
上記放電チャンバーの上記内部空洞の上記予め定義された軸に沿った長さが、真空内での上記電磁波の半波長よりも5〜10倍短く、
上記放電チャンバーは、0.7平方センチメータから30平方センチメータの内部断面積を有しており、
中央の上記注入手段は、0.7平方ミリメータから3平方ミリメータの内部断面積を有している。
上記第1局所的最大値、上記局所的最小値、及び上記第2局所的最大値の磁場強度は、それぞれおよそ0.18テスラ、0.01テスラ、及び0.05テスラである。
上記電磁波が、上記予め定義された軸と平行な軸に沿って伝搬可能であり、
上記予め定義された軸において、上記磁場の勾配が、上記予め定義された軸と平行であり、
上記磁場の勾配は、上記推進燃料ガスが放出される方向によって定義される方向において、上流から下流に負である。
上記電磁波の強度を調整する装置と、上記推進燃料ガスのフローレートを制御する装置とを備え、
上記電磁波の強度は、第一操作モードでは、0.5ワットから300ワットの間、好ましくは、0.5ワットから30ワットの間である。
一方には、上記電磁波生成機の上記出口に配置された循環器と、
他方には、プラズマ推進機の出口面として知られている上記出口開口によって定義される平面の下流に配置される導電性円筒型スリーブとを備えており、
上記導電性円筒型スリーブの直径は、上記電磁波の波長の4分の1と実質的に等しく、
上記導電性円筒型スリーブの長さは、上記電磁波の波長の4分の3と実質的に等しい。
上記軸と同軸である2つの注入手段を備え、
そのうちの1つは、上記ECR表面に対して、イオン化されるようにガスを供給し、
残る他方は、ガスのフローレート及びアークジェット操作を介して、上記推進力を増加させる。
磁場生成機を用いて、上記放電チャンバー内の推進燃料ガスの電子を、ジャイロ磁気回転させることが可能な磁場を生成する生成ステップと、
電磁波であって、
当該電磁波の電場は、右円偏光を有するとともに、
当該電磁波の周波数は、上記磁場生成機により磁化された上記推進燃料ガスの電子のジャイロ磁気共鳴の周波数である、fECRと同じである電磁波の少なくとも1つを、上記放電チャンバー内の上記推進燃料ガスに放出する放出ステップと、
上記推進燃料ガスをイオン化することによりプラズマを点火する点火ステップと、
電子のサイクロトロン共鳴により上記プラズマを維持する維持ステップとを有する、プラズマ推進機を用いて推進力を生成する方法であり、
上記プラズマの上記点火ステップは、磁性材料からなると共に、その注入ノズルの下流端において、外部直径が数ミリメータより小さい注入チャネルを備えている上記注入手段を用いてのマイクロ中空カソード放電によって行われ、
上記推進燃料ガスの上記注入ステップと上記電磁波の上記放出ステップとは、1つの同じ上記注入手段によって、上記放電チャンバーの同じ場所において実行され、
上記注入ノズルからの上記ガスの上記出口端において、上記電磁波を上記推進燃料ガスに放出し、放出の際、上記推進燃料ガスのイオン化レベルが最大化するように、上記注入手段は、導電材料により形成されると共に、磁場生成機に電気的に接続されており、
磁場の上記生成ステップは、
一方において、上記磁場は、
上記注入ノズルの内部、及び注入ノズルの上記出口端での強度である第1局所的最大値と、
上記電磁波の影響の下での電子のサイクロトロン共鳴を可能とする強度と同じ強度のECR表面として知られている等力表面を決定する力線とを有し、
上記ECR表面は、上記注入ノズルの上記出口端を覆い、
さらに、上記注入ノズルの内部での上記磁場の強度である第2局所的最大値を有し、
上記第2局所的最大値は、上記注入ノズルの内部での磁場の強度である局所的最小値によって、上記第1局所的最大値から分離されており、
他方においては、上記磁場は、上記力線に、反磁性の力を生成するように、ノズルの形状を付与し、
上記プラズマの上記維持ステップは、上記ECR表面によって定義付けられる容積において、上記電磁波の共鳴によって実現される電子のサイクロトロン共鳴によって行われる。これは、上記容積における高い屈折率を利用し、上記放電チャンバー、結果としてプラズマ推進機の長さを低減するためである。
上記プラズマ推進機は、
上記電磁波の強度を調整する装置と、
上記ガスのフローレートを制御する装置とをさらに備え、
上記推進燃料ガスを上記放電チャンバーに注入することが可能な周辺注入チャネルとをさらに備え、
上記周辺注入チャネルを介して、上記推進燃料ガスを上記放電チャンバーに注入する注入ステップと、
上記周辺注入チャネルを介して上記放電チャンバーに注入される上記推進燃料ガスのフローレートを調整する調整ステップと、
上記電磁波の強度を調節する調節ステップとを有する。
〔発明を実施するための形態〕
図1と関連して、本発明のプラズマ推進機2は、出口開口48に導く放電チャンバー6を支持する支持部4を備える。
−電磁波生成機38によるマイクロ波の放出ステップ100
−中央注入チャンネル10を介して、推進燃料ガスを放電チャンバー6に注入するステップ104
−プラズマの点火ステップ101
−ECRによってプラズマを維持するステップ103
−調整装置42によって、電磁波生成機38から放出された電磁波のパワーを調整するステップ102
−制御装置32によって、中央注入チャンネル10における推進燃料ガスのフローレートを調整するステップ106
有利な点としては、利用者が、推進燃料ガスの節約を望む場合には、放出ステップ100は、注入するステップ104よりも前に実行され、そして、利用者が、電力の節約を望む場合には、注入するステップ104が放出ステップ100よりも前に実行される。
−制御装置32によって、周辺注入チャンネル12における推進燃料ガスのフローレートを調整するステップ110、および
−アークジェット(arcjet)操作モードとして知られる第2操作モードを操作するため、調整装置42による、電磁波生成機38から放出された電磁波のパワーを調整するステップ
有利な点として、この操作モードでは、中央注入パイプの周辺にガスを注入することで、推進燃料ガスの軸方向における注入を完了することができる。これは、一般的に、推進機の強い推進力を伴う一時的な操作(ここでは、アークジェット操作モードとして知られる第2操作モードと称される)の間に使用される。この場合、放電チャンバー6の圧力上昇が、そこでの電気アークタイプのプラズマの点火を可能とする。この電気アークタイプは、ハイパワーのマイクロ波(100ワットより大きい)の注入の効果下で、非常に高密度で非常に高温である。これは、より大きな熱損失およびより低いエネルギー収率がなければ、プラズマ推進機をさらに大きな推進力(数百ミリニュートン程度)で操作することを可能とする。
ここで、meは電子の質量で、qeは電子の電荷で、fECRはジャイロ磁石共鳴周波数である。
Claims (11)
- 内部空洞(14)と出口開口(48)とを備える放電チャンバ(6)と、
予め定義された軸(A−A)に沿って、推進燃料ガスを上記放電チャンバ(6)に注入することが可能な注入ノズル(65)を有する、少なくとも1つの注入手段(10、12)とを備え、
上記注入ノズル(65)は出口端(165)を備え、
上記放電チャンバ(6)内に存在する上記推進燃料ガスの電子を、ジャイロ磁気回転させることが可能な磁場生成機(50、52、54、58)と、
上記放電チャンバ(6)内に存在する推進燃料ガスに対して、少なくとも1つの電磁波であって、その電磁波の電場は右円偏光を有するとともに、その電磁波の周波数は、上記磁場生成機(50、52、54、58)により磁化された上記推進燃料ガスの電子のジャイロ磁気共鳴の周波数である、fECRと同じである電磁波を生成することにより照射可能な電磁波生成機(38)とを備えるプラズマ推進機(2、120)であって、
上記磁場生成機(50、52、54、58)は、
一方において、磁場を生成することが可能であり、
その磁場は、上記注入ノズル(65)の内部であって、上記注入ノズル(65)の上記出口端(165)での強度である第1局所的最大値(A)を有し、
ECR表面として知られる等力表面を決定する力線(68)を有し、
上記力線(68)は、上記電磁波の影響の下での電子のサイクロトロン共鳴を可能とする強度と同じ強度を有し、
上記ECR表面は、上記注入ノズル(65)の上記出口端(165)を覆い、
このECR表面によって確定される容量が、上記電磁波の共鳴キャビティであり、
上記注入ノズル(65)の内部での上記磁場の強度である第2局所的最大値(C)を有し、
上記第2局所的最大値(C)は、上記注入ノズル(65)の内部での磁場の強度である局所的最小値(B)によって、上記第1局所的最大値(A)から分離されており、
他方においては、反磁性の推進力を生成するように、上記力線(68)にノズルの形状を付与し、
上記注入手段(10)は、
上記注入ノズル(65)の上記出口端(165)の上記推進燃料ガスに対して上記電磁波を照射する電磁アンテナ(39)として作動するように、導電性材料で形成されると共に、上記電磁波生成機(38)に接続されており、
上記注入ノズル(65)の内部において、上記磁場の強度が上記第2局所的最大値(C)を達成することが可能となるように、上記注入手段(10)は、磁気伝導材料で形成されており、
上記注入ノズル(65)の下流端に、3ミリメータと20ミリメータとの間の外部直径を有する注入チャネル(10)を備えていることを特徴とするプラズマ推進機。 - 上記磁場生成機(50、52、54、58)は、磁場源として、少なくとも1つの、予め定義された軸(A−A)に対して同軸に配置され、第一磁極(64)と第二磁極(66)とを有する円環状永久磁石(50)を備え、
上記第一磁極(64)と一体となっている第一磁気要素(52、54)と、上記第二磁極(66)と一体となっている第二磁気要素(58)とを備え、
上記第一磁極(64)と第二磁極(66)とは、上記予め定義された軸(A−A)から、それぞれ、第一間隔(D1)と第二間隔(D2)とをあけて配置されており、
上記第二間隔(D2)は、上記第一間隔(D1)よりも長く、
上記第一磁極(64)と第二磁極(66)とは、上記推進燃料ガスの流れの方向(F1)について、それぞれ、注入ノズル(65)の上流と下流とに配置されており、
上記力線(68)は、上記注入ノズル(65)と交差し、上記予め定義された軸(A−A)と、10°から70°の間の角度を形成していることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ推進機(2、120)。 - 上記放電チャンバ(6)の上記内部空洞(14)の上記予め定義された軸(A−A)に沿った長さが、真空内での上記電磁波の半波長よりも5〜10倍短く、
上記放電チャンバ(6)は、0.7平方センチメータから30平方センチメータの内部断面積を有しており、
中央の上記注入手段(10)は、0.7平方ミリメータから3平方ミリメータの内部断面積を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマ推進機(2、120)。 - 上記第1局所的最大値(A)、上記局所的最小値(B)、及び上記第2局所的最大値(C)の磁場強度は、それぞれおよそ0.18テスラ、0.01テスラ、及び0.05テスラであることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のプラズマ推進機(2、120)。
- 上記電磁波が、上記予め定義された軸(A−A)と平行な軸に沿って伝搬可能であり、
上記予め定義された軸(A−A)において、上記磁場の勾配が、上記予め定義された軸(A−A)と平行であり、
上記磁場の勾配は、上記推進燃料ガスが放出される方向によって定義される方向において、上流から下流に負であることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載のプラズマ推進機(2、120)。 - 上記電磁波の強度を調整する装置(42)と、上記推進燃料ガスのフローレートを制御する装置(32)とを備え、
上記電磁波の強度は、第一操作モードでは、0.5ワットから300ワットの間であることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載のプラズマ推進機(2、120)。 - 上記電磁波の強度は、第一操作モードでは、0.5ワットから30ワットの間であることを特徴とする請求項6に記載のプラズマ推進機(2、120)。
- 上記電磁波生成機(38)と上記注入チャネル(10)との間に配置された循環器(80)と、
上記放電チャンバ(6)の出口面(D−D)として知られている上記出口開口(48)によって定義される平面の下流に配置される導電性円筒型スリーブ(85)とを備えており、
上記導電性円筒型スリーブ(85)の直径は、上記電磁波の波長の4分の1と実質的に等しく、
上記導電性円筒型スリーブ(85)の長さは、上記電磁波の波長の4分の3と実質的に等しいことを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載のプラズマ推進機(120)。 - 上記軸(A−A)と同軸である2つの注入手段(10、12)を備え、
そのうちの1つは、上記ECR表面に対して、イオン化されるようにガスを供給し、
残る他方は、ガスのフローレート及びアークジェット操作を介して、上記推進力を増加させることを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載のプラズマ推進機(2、120)。 - 注入ノズル(65)と呼ばれる出口端を有する、少なくとも1つの注入手段(10、12)を用いて、内部空洞(14)と出口開口(48)とを備える放電チャンバ(6)に対して、予め定義された軸(A−A)に沿って、推進燃料ガスを注入する注入ステップ(104)と、
磁場生成機(50、52、54、58)を用いて、上記放電チャンバ(6)内の推進燃料ガスの電子を、ジャイロ磁気回転させることが可能な磁場(63)を生成する生成ステップ(90)と、
電磁波であって、
当該電磁波の電場は、右円偏光を有するとともに、
当該電磁波の周波数は、上記磁場生成機(50、52、54、58)により磁化された上記推進燃料ガスの電子のジャイロ磁気共鳴の周波数である、fECRと同じである電磁波の少なくとも1つを、上記放電チャンバ(6)内の上記推進燃料ガスに放出(100)する放出ステップ(100)と、
上記推進燃料ガスをイオン化することによりプラズマを点火する点火ステップ(101)と、
電子のサイクロトロン共鳴により上記プラズマを維持する維持ステップ(103)とを有する、プラズマ推進機(2、120)を用いて推進力を生成する方法であり、
上記プラズマの上記点火ステップ(101)は、磁性材料からなると共に、その注入ノズル(65)の下流端において、外部直径が3ミリメータと20ミリメータとの間の注入チャネル(10)を備えている上記注入手段(10)を用いてのマイクロ中空カソード放電によって行われ、
上記推進燃料ガスの上記注入ステップ(104)と上記電磁波の上記放出ステップ(100)とは、1つの同じ上記注入手段(10、12)によって、上記放電チャンバの同じ場所において実行され、
上記注入ノズル(65)からの上記出口端(165)において、上記電磁波を上記推進燃料ガスに放出し、放出の際、上記推進燃料ガスのイオン化レベルが最大化するように、上記注入手段(10、12)は、導電材料により形成されると共に、磁場生成機(50、52、54、58)に電気的に接続されており、
磁場の上記生成ステップ(90)は、
一方において、上記磁場は、
上記注入ノズル(65)の内部、及び注入ノズル(65)の上記出口端(165)での強度である第1局所的最大値(A)と、
上記電磁波の影響の下での電子のサイクロトロン共鳴を可能とする強度と同じ強度のECR表面として知られている等力表面を決定する力線(68)とを有し、
上記ECR表面は、上記注入ノズル(65)の上記出口端(165)を覆い、
さらに、上記注入ノズル(65)の内部での上記磁場の強度である第2局所的最大値(C)を有し、
上記第2局所的最大値(C)は、上記注入ノズル(65)の内部での磁場の強度である局所的最小値(B)によって、上記第1局所的最大値(A)から分離されており、
他方においては、上記磁場は、上記力線に、反磁性の力を生成するように、ノズルの形状を付与し、
上記プラズマの上記維持ステップ(103)は、上記ECR表面によって定義付けられる容積において、上記電磁波の共鳴によって実現される電子のサイクロトロン共鳴によって行われることを特徴とするプラズマ推進機(2、120)を用いて推進力を生成する方法。 - 上記プラズマ推進機(2、120)は、
上記電磁波の強度を調整する装置(42)と、
上記推進燃料ガスのフローレートを制御する装置(32)とをさらに備え、
上記推進燃料ガスを上記放電チャンバ(6)に注入することが可能な周辺注入チャネル(12)とをさらに備え、
上記周辺注入チャネル(12)を介して、上記推進燃料ガスを上記放電チャンバ(6)に注入する注入ステップ(108)と、
上記周辺注入チャネル(12)を介して上記放電チャンバ(6)に注入される上記推進燃料ガスのフローレートを調整する調整ステップ(110)と、
上記電磁波の強度を調節する調節ステップ(112)とを有することを特徴とする請求項10に記載のプラズマ推進機(2、120)を用いて推進力を生成する方法。
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