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

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 Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
本発明は、プラズマ推進機および上記プラズマ推進機によりプラズマ推進力を生成するための方法に関する。
人工衛星は、一般的に、軌道補正または姿勢補正の目的を実行するため、補助エンジンまたは推進機（thruster）を使用する。同様に、太陽系を探査する目的の宇宙探査用ロケットは推進機を有し、この推進機は、宇宙探査用ロケットが非常に精度高く惑星の周りに位置することや、さらには、そこから材料のサンプルを得るために小惑星に着陸することを可能にする。
一般的には、これらの推進機は化学推進機または推進燃料推進機として知られており、これらの推進機は、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ２）や過酸化水素（酸素で処理された水）などの液体推進燃料を用いることにより、最大で数ニュートンの推進力を提供する。これらの推進燃料の分解中に、化学的エネルギーは熱に変換され、そして、ノズル内の熱いガスの膨張中に推進力となる。このような化学推進機の主な欠点は、これら一定の比推力(specific impulse)が制限されることであり、これらを動かすためには、衛星全体質量の半分を占める推進燃料が必要で、これらの高い推進燃料の消費は衛星のサービス寿命を制限する。
宇宙空間のミッションにおいて、さらに遠くに行くおよびより長く持続させることを可能にするため、近年、プラズマ推進機の出現が見られるようになっている。プラズマ推進機は、より大きい一定の比推力を提供し、衛星のサービス寿命のみでなく、衛星の推進システムの質量に対する有効荷重の質量を著しく増加させるという化学推進機より有利な点を有している。後述するプラズマ推進機の欠点は、点火の信頼性不足、特に、推進燃料のガス圧が低い時における、ある成分のイオン衝撃に起因する制限されたサービス寿命、そして、例えば、小型衛星においてその使用上の小型化の制限がある。化学推進機のエネルギー収率よりは良好であるが、もし、プラズマ推進機のエネルギー収率が向上されれば、さらに遠くに行くまたはより長く持続させるというミッションを描けるようになることに注目されたい。
プラズマ推進機は、プラズマ点火モードか、ノズルの出口に向けてプラズマを加速するモードかによって、異なる方式に分類され得る点が考慮される。これらの二つの基準は比較的互いに独立的であり、互いに同程度に重要である。実際、上記点火モードは、上記推進燃料ガスのイオン化の完全性およびこの点火の信頼性を決定し、したがって、プラズマ推進機の信頼性を決定し、そして、上記プラズマ推進機のプラズマ放電チャンバーのサイズ、必要空間、重さおよびエネルギー収率を決定できる。プラズマを加速するモードに関しては、プラズマを加速するモードは、推力、一定の比推力およびエネルギー収率を決定し、そして、プラズマ推進機の必要空間、重さおよびサービス寿命を決定できる。
プラズマ点火モードが分類基準によって考慮された場合、プラズマ推進機の第１カテゴリは、ＵＳ特許出願5，640，843に開示されているようなアークジェット推進機として知られる推進機である。これら推進機の原理は、推進燃料ガスの噴射中に、電気アークによってプラズマが点火することにある。このカテゴリの推進機の利点は、全てが他と同じでありながら、他のタイプのプラズマ推進機より高い推進力を提供することにあるが、以下のような大きな欠点を有する。このカテゴリの推進機は、他のプラズマ推進機と比較して低い一定の比推力を有し、大電流を消費し、イオンおよび電子による電極および放電チャンバーの内壁での衝撃に起因する制限されたサービス寿命を有する。この衝撃は、数千度から数万度程度の桁の温度に到り、余分熱は空間に放出される必要があり、これは、低いエネルギー収率を招く。さらに、推進燃料ガスの部分圧が低い際のプラズマの点火は、信頼性を欠く。
この同一分類基準によるプラズマ推進機の第２カテゴリは、これらのプラズマを、イオン化される推進燃料ガスを含む放電チャンバー内において、電磁波、多くの場合にはマイクロ波の共鳴によって単独で点火するプラズマ推進機である。このカテゴリの推進機の大きな欠点は、上記電磁気エネルギーのわずかな部分のみが上記プラズマによって吸収されるため、比較的低いエネルギー収率となることである。さらに、特に、推進燃料ガスのフローレートが高い際には、推進燃料ガスのイオン化が完全となることはめったになく、そして、推進燃料ガスの部分圧が低い際のプラズマの点火は信頼性を欠く。
この同一分類基準によるプラズマ推進機の第３カテゴリは、プラズマの磁化自由電子（magnetized free electrons）のジャイロ磁石共鳴（gyromagnetic resonance）または、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance;電子サイクロトロン共鳴）を用いたプラズマ推進機である。プラズマに対しての磁場の印加は、プラズマの自由電子に一方向および同様に定められた方向において、ある周波数および同様に定められた周波数でスピンを引き起こすため、上記プラズマはそこで理論的には点火され得る。そして、電磁波、このような磁化電子と同じスピードおよび同じ方向で回転する電場の総合的な吸収により、１に等しいエネルギー収率が維持され得る。実際問題として、このエネルギー収率を最大化するため、放電チャンバーの長さは、実質上、真空における電磁波の半波長（the half-wavelength）の整数に等しくするが、これは、上記放電チャンバー、そして上記推進機の小型化を困難にする。実際、ＥＣＲ状態を有したままで、電磁波（ＥＭ wave）の共鳴周波数を増加させ得るためには、相関的に磁場の強度を増加させる必要があり、これは、最初のうちは、パワーフルな電磁気コイルの使用を前提とするが、これらコイルの必要空間および重さは上記推進機の小型化の目的とは正反対となる。この小型化の問題は、上記放電チャンバーに放出する複数のソース、すなわち、推進燃料ガスソース、電磁波ソースおよび磁場ソースによってさらに複雑になる。ＥＰ特許０ ５０５ ３２７は、このような推進機について記載している。例えば、集積回路の生産などの異なる技術分野でもＥＣＲプラズマソースを使用する。ＵＳ特許出願２００５ ０ ２８７は、マイクロエレクトロニクスにおいて、イオン注入のため、電磁気コイルを備えたＥＣＲイオンソースについて記載している。電磁気コイルの使用は、著しい重さおよび要求空間の増加を招き、ジュール効果による損失のため比較的低いエネルギー収率であるので、宇宙用の推進機としての使用には不向きである。さらに、特に、推進燃料ガスのフローレートが高い際には、推進燃料ガスのイオン化が完全に行われることは殆どない。そして、推進燃料ガスの部分圧が低い際には、プラズマの点火は信頼性を欠く。最後に、このような推進機は、イオンポンプ効果（ion pump effect）として知られる上流に向かう寄生プラズマ噴射（parasitic plasma jets）の存在に苦しめられる。
これらのプラズマがどのような方法で点火されても、プラズマ推進機は、ノズル内においてプラズマを加速するモードである第２の基準によって分類され得る。
この第２の基準によれば、第１群は、上記ノズルの出口へ向かう上記プラズマを加速する力の静電性質によって特徴付けられる静電気として知られるプラズマ推進機群である。この群は、順に、加速グリッド推進機（accelerator grid thruster）、ホール効果推進機（Hall effect thruster）および場効果推進機（field effect thruster）の３つのカテゴリに分類され得る。
加速グリッド推進機のカテゴリは、放電チャンバーからのイオンが電気的に分極されたグリッドシステムによって加速されるという事実によって特徴付けられる。噴出されたプラズマは電気的に中性ではないことに注目されたい。加速グリッド推進機は、以下の欠点を有する。加速グリッド推進機は、効力およびサービス寿命を制限する。上記加速グリッドを通過する陽イオンビームは、加速グリッドを腐食し、これら推進機のサービス寿命を制限する。また、噴出されたイオンは噴出された電子と再結合し、人口衛星上に適合するソーラーパネル上に不明確な材料の付着物を生成する。上記放電チャンバーは大きい体積を有する必要があり、上記放電チャンバーの壁面および上記加速グリッドにおけるプラズマのリークによって、エネルギー収率は比較的低い。そして、上記推進機は、２次電子による上記グリッド内のイオン密度の限界により制限される。加速グリッド推進機の例は、特許出願ＪＰ０１ ３１０ １７９、ＵＳ２００４/１６１５７９ Ａ１、特許ＵＳ７，４００，０９６ Ｂ１、ＭＯＲＲＩＳＯＮ Ｎ．Ａの文献（“Ｈｉｇｈ ｒａｔｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔａ−Ｃ：Ｈ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｗａｖｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ”，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ＴＨＩＮ ＳＯＬＩＤ ＦＩＬＭＳ，ＥＬＳＥＶＩＥＲ−ＳＥＱＵＯＩＡＳ．Ａ． ＬＡＵＳＡＮＮＥ， ＣＨ， ｖｏｌ．３３７，ｎｏ．１−２，１１ Ｊａｎｕａｒｙ １９９９ ｐａｇｅｓ ７１−７３，ＸＰ００４１９７０９９， ＩＳＳＮ： ００４０−６０９０， ＤＯＩ： １０．１０１６／Ｓ００４０−６０９０ （９８） ０１１８７−０）およびＮＩＳＨＩＹＡＭＡ Ｋの文献（“Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ａｎ ＥＣＲ Ｘｅｎｏｎ ｉｏｎ ｔｈｒｕｓｔｅｒ”，ＳＵＲＦＡＣＥ ＡＮＤ ＣＯＡＴＩＮＧＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， ＥＬＳＥＶＩＥＲ，ＡＭＳＴＥＲＤＡＭ，ＮＬ，ｖｏｌ．２０２，ｎｏ．２２−２３，３０ Ａｕｇｕｓｔ ２００８ （２００８−０８−３０），ｐａｇｅｓ５２６２−５２６５，ＸＰ０２５８７５５１０，ＩＳＳＮ：０２５７−８９７２，ＤＯＩ：１０．１０１６／Ｊ ＳＵＲＦＣＯＡＴ．２００８．０６．０６９．）に挙げられている。
ホール効果推進機のカテゴリは、円筒形状のアノードおよび陰荷電プラズマによって特徴付けられる。ホール効果推進機は、交差した磁場および電場における荷電粒子の漂流を用いる。これらの欠点は、一方では、連続的な電場の存在は分極された電極を必要とすることと、他方では、プラズマ密度に関する限界である。プラズマ密度は、これら電極周囲の外被の形成と関連し、イオン化された媒体に容易に浸透する超高周波数場とは異なり、上記プラズマへの連続的な電場の浸透を妨害する。このゆえに、超高周波（ＵＨＦ）放電の利点がある。このような推進機については、文献ＵＳ２００６/２９０２８７に記載されている。
場効果推進機のカテゴリは金属液体のイオン化、加速、そして、その電気的な中性化によって、特徴付けられる。
この第２の基準によれば、第２群は電磁気として知られるプラズマ推進機群である。この群は、パルス誘導推進機（pulsed inductive thrusters）、磁気プラズマダイナミック推進機（magneto plasma dynamic thrusters）、無電極推進機（electrodeless thrusters）、電気熱推進機（electrothermal thrusters）、ヘリコン２重層推進機（helicon double layer thrusters）およびμｇｒａｄＢ推進機（μｇｒａｄＢ thrusters）の６つのカテゴリに分類され得る。
パルス誘導推進機は、非連続的時間間隔における加速によって特徴付けられる。
磁気プラズマダイナミック推進機は、推進燃料ガスをイオン化し、順番に、電流と、ローレンツ力を介して上記プラズマを加速する磁場と、を生成する電極によって特徴付けられる。
無電極推進機のカテゴリは、電極がないことによって特徴付けられ、プラズマ推進機のサービス寿命の弱点をなくすことができる。推進燃料ガスは、第１チャンバーにおいて、電磁波（EM wave）によってイオン化され、第２チャンバーに移され、第２チャンバーにおいて、上記プラズマは、重々しい原動力として知られる力を生成する、不均一で、振動する電場および磁場によって加速される。特許ＵＳ７，４６１，５０２には、このような推進機について記載されている。このカテゴリの推進機の欠点は、振動する磁場を生成するために電磁気コイルを用いることであり、これらの要求空間、重さおよびジュール効果によるエネルギー損失の何れも比較的高いので、宇宙用度への応用には不向きである。
電気熱推進機のカテゴリは、１００万度の桁の温度まで上記プラズマを加熱することと、そして、この温度を軸上のスピードに部分的に変換することとで特徴付けられる。これらの推進機は、これらの温度によって非常に速いスピードを有するプラズマと電子とを閉じ込めることができるように、非常に強い磁場を生成するためのハイパワーの電磁気コイルを必要とする。さらに、これらコイルの要求空間および重さ、ジュール効果による熱損失は、これら推進機のエネルギー収率を著しく下げる。特許ＵＳ６，２９３，０９０は、このような推進機について記載しており、より詳細には、このような推進機は、ＶＡＳＩＭＲ（Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket）タイプのより低いハイブリッド共鳴（上記プラズマのイオンおよび電子の結合された振動を介して、非常に低い周波数ＵＨＦ波のカップリングによるエネルギーの吸収）を用いたラジオ周波数（radio frequency）推進機と関連する。上記プラズマは、このカテゴリの推進機の一般的な場合のように、電子の共鳴によっては加熱されず、ハイパワー電磁波によるイオンの励起によって加熱される。
ヘリコン２重層推進機のカテゴリは、推進燃料ガスの管状チャンバーへの注入と、管状チャンバーの周囲にアンテナが巻かれ、管状チャンバーは上記ガスをイオン化する程に十分に高いパワーの電磁波を放出し、そして、このように生成されたプラズマにおいて、上記プラズマの温度をさらに増加させるヘリコン波を生成することとによって特徴付けられる。
空間電荷場推進機（space charge field thrusters）とも呼ばれるμｇｒａｄＢ推進機（μｇｒａｄＢ thrusters）は、これらの力の反磁性性質によって特徴付けられる。Ｊ．−Ｍ． Ｒａｘによる本である「Ｐｈｙｓｉｑｕｅ ｄｅｓ ｐｌａｓｍａｓ，ｃｏｕｒｓ ｅｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」の ５．１章は、静的またはゆっくり変化する磁場において、ＵＨＦ電磁気場によって励起された電子の運動理論を十分に説明する。特に、１５２頁には、誘導されたフィールドラインの収束または発散の存在、そして、μ磁気モーメントおよびこの磁場の勾配に比例するこの場の方向における力の存在が説明されている。この力は、μｇｒａｄＢまたは、反磁性力と呼ばれる。本特許出願の課題を形成する推進機は、事実上、この章において説明された従来の物理原則に完全に基づいており、μ磁気モーメントの不変性のための１５３頁に記載の断熱性仮説は本発明の場合において大きく満たされる。しかし、この本は、ＥＣＲによってプラズマを維持するプラズマ推進機をどのように作製するか、電磁波の半波長と関連してプラズマ推進機のサイズを小さくでき得るか、推進燃料ガスの部分圧が低い条件下においてもプラズマ推進機の点火の信頼性を向上させることについて開示していない。ＳＴＡＬＬＡＲＤ Ｂ． Ｗ．の文献（“Ｗｈｉｓｔｌｅｒ−ｄｒｉｖｅｒ，ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ−ｒｅｓｏｎａｎｃｅ−ｈｅａｔｅｄ ｔｈｒｕｓｔｅｒ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔａｔｕｓ”，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＰＲＯＰＵＬＳＩＯＮ ＡＮＤ ＰＯＷＥＲ １９９６ ＪＵＬ−ＡＵＧ ＡＩＡＡ，ｖｏｌ．１２，ｎｏ．４，Ｊｕｌｙ １９９６（１９９６−０７），ｐａｇｅｓ ８１４−８１６，ＸＰ００８１３３７５２）は、反磁性力推進機について記載しており、ＥＣＲ強度より大きい強度を有し、かつ、電磁気コイルにより生成される磁場および２つのらせん状に巻かれたアンテナによって放出された、ジャイロ磁石周波数より低い周波数を有し、かつ、電磁波によって生成される電子波によって、上記反磁性力推進機のプラズマを点火および維持することについて記載している。上記ＥＣＲ強度未満に減少された磁場の領域に推進燃料ガスが注入される。これは、この推進機の推進燃料ガスの不完全なイオン化の問題を引き起こす。このイオン化の不完全性を制限するため、上記ガスチャンバーは分けられる。上記ガスのフローレートが減少した際には、上記イオン化はより完全になると説明したが、上記ガスチャンバーを分けたにも関わらず、上記ガスの低いフローレートにおいてもイオン化の不完全性は残る。また、推進燃料ガスの非常に低いフローレートにおいて、点火の信頼性を向上させることやこの推進機のサイズを減少させる手段に関しては、開示されてない。
従来技術の何れのプラズマ推進機も、同時に、信頼できる点火（系統的で瞬間的な点火）の利点と、すべての電磁波出力及び推進燃料ガスのフローレートに関する動作条件下における完全なイオン化を兼ね備えるものではない。特には、非常に低いフローレートと非常に低い推進燃料ガス分圧；上流に向かった寄生プラズマ流の欠如；プラズマを維持するために用いられるＥＭ波の半波長に関連して低減されたサイズを有する放電チャンバー；永久磁石の使用を可能とする磁場強度における操作能力と、それによって、スペースについての要求や、電磁波コイルのジュール効果による重量や損失を避けることができる推進力と比推力との制御された変化を可能とすること；１に近いエネルギー収量を実現する能力；中性プラズマの加速、ゆえに中性化の必要がないこと；ソーラーパネルへの推進燃料ガスの堆積や、プラズマによる部品の摩耗によって制限されないサービス寿命に関してである。
本発明の目的は、例えば、ＥＣＲによる点火を用いる推進機のような、１に近いエネルギー収量を持つことを可能とする推進機を生成すること、及び、ＥＣＲによる点火を用いる従来技術の推進機よりもサイズが小さい推進機を製造することである。
以下の記述から分かるように、本発明の推進機は、特には、独特な磁力線の幾何学的な構成と、推進燃料ガスの点火と、ＥＭ波の放出との組み合わせの結果である、プラズマの新しいタイプの点火を実行することにより、上述の利点をすべて兼ね備えるものである。
本発明の本質は、ＥＣＲプラズマ推進機のサイズを低減することであり、一方では、ＥＭ波を放出するアンテナを用いることによる推進燃料ガスの点火によるものであり、磁場によって規定され、ＥＭ波の共鳴キャビティである、電子共鳴プラズマゾーンを用いることにより達成される放電チャンバーの長さの低減である。これは、ＥＣＲプラズマの屈折率が、従来技術のプラズマ推進機でＥＭ波の共鳴キャビティとして用いられる放電チャンバーの屈折率に対して、５〜１０倍大きいためである。
より正確には、本発明は以下に関する。
内部空洞と出口開口とを備える放電チャンバーと、
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。
上記磁場の局所的最小値は、非常に低い圧力下であっても、マイクロ中空カソード放電によるプラズマの点火を可能とする電子トラップとして機能する。
また、ＥＣＲ表面を、マイクロ中空カソード放電によってイオン化される推進燃料ガスの点火のためのノズルの出口に（ミリメータのオーダーの距離で）、正確に位置させることを可能とする磁場の形状が重要である。
この位置は、注入ノズルからでるすべての中性ガスが、ＥＣＲ表面を通じてイオン化されるとの事実に貢献する。
また、同じ方法を用いての、推進燃料ガス及び電磁（ＥＭ）波の注入は、一方で、より小さな放電チャンバーと、他方で、ＥＭ波が、ガスの濃度が最大となるゾーンで発射することの保証とを可能とする。それは、注入ノズルから出る中性ガスのイオン化のレベルを最大化する。それは、STALLARD B. W. ET Aによって述べられている“μgradB”推進機の問題の一つである。
最後に、ＥＭ波発射アンテナ及びＥＣＲ表面の位置があいまって、ＥＭ波が共鳴状態に戻るＥＣＲ表面によって範囲が定められる容量への照射を集中させることが可能となる。これは、プラズマによるＥＭエネルギーの吸収を最大化し、それゆえ推進機のエネルギー収率を最大化する。
詳細な実施形態によると、プラズマ推進機は以下の１つ又はそれ以上の特徴を有する。
上述のプラズマ推進機において、
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。
上述の実施形態の１つのプラズマ推進機において、
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。
上述の実施形態の１つのプラズマ推進機において、
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。
上述の実施形態の１つのプラズマ推進機において、
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。
上述の実施形態の１つのプラズマ推進機において、
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。
上述の実施形態の１つのプラズマ推進機において、
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。
上記スリーブの利点は、下に説明される。“μgradB”プラズマ推進機が、入射波長よりもはるかに小さい寸法のオープンキャビティを有するため、開口部でのＥＭ波の回折に関連する大幅なパワーロス、及び、エンジンの外部への放射線が、スリーブが無い場合には、エンジン点火フェーズにおいて発生しうる。
さらに、スリーブが無い場合には、右円偏光に対応するＥＭ波の一部のみが、エンジン内のプラズマと共に、ＥＣＲのために用いられ、残りのＥＭ波は、ＥＭ生成器に戻る、又は、出口開口での回折によって外部に放出される。上述のように特徴付けられる上記スリーブがあることにより、スリーブに到達するＥＭパワーの全てが、エンジンの内部に向かって反射することが可能となる。そして、生成器に戻る部分を、ＥＭ生成器の外側に配置されている循環器により、推進機のキャビティに再び送り返すことを可能とする。それがキャビティに入る際、循環器によって反射されたパワーの一部が、今度は、右円偏光となり、ＥＣＲによって吸収される。この段階で吸収されなかったＥＭ波は、すべてのＥＭパワーがＥＣＲプラズマによって吸収されるまで、再び、同様の循環サイクルを経る。このような循環器と組み合わされたこのようなスリーブのコンビネーションは、推進機の全ての操作構成の集合体に近いエネルギー収量を達成することを可能とする。スリーブは、ファイインメタリックメッシュから製造され、それゆえ軽量とすることができる。
上述の実施形態の１つのプラズマ推進機において、
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。
本発明は、以下のステップ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にも関する。
注入ノズルと呼ばれる出口端を有する、少なくとも１つの注入手段を用いて、内部空洞と出口開口とを備える放電チャンバーに対して、予め定義された軸に沿って、推進燃料ガスを注入する注入ステップと、
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。
プラズマの点火は、ＥＣＲによっては達成されない。それは、通常、マイクロ中空カソード放電によるものではなく、従来技術の反磁性力推進機に於けるものである。一度プラズマが点火され、注入ノズルの出口において、点火容量として知られている容量の中に位置されると、このプラズマは、電磁波を介して、ＥＣＲの中にセットされる。これは、その屈折率を５〜１０倍増加させ、そして、この容量を、電磁波の共鳴キャビティとして用いることを可能とし、これにより、エネルギー収率を増加させることができる。このＥＭ波の共鳴媒質の屈折率は、従来技術のそれよりも高く、一方で、放電チャンバーの長さを低減することができる。なぜなら、プラズマの点火及びその維持において、放電チャンバーの長さが、真空状態におけるＥＭ波の半波長の整数倍の長さと等しいことをもはや必要としないためである。そして、他方では、低周波のＥＭ波を用いることができるので、単に永久磁石で達成可能な、低強度の磁場を用いることを可能とする。
マイクロ中空カソード放電によるプラズマの点火は、どのような操作条件、特には、ガスのフローレートやＥＭパワーにおいても、系統的で瞬間的な点火を提供する。そのため、推進機の信頼性を向上させる。本発明の推進機は、それゆえ、プラズマ推進機の新しいカテゴリに属する。
好ましくは、上述の実施形態による方法において、
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。
支持部４は、その各々の端９、１１が開口された非磁性中空体である。支持部４は、回転軸Ａ−Ａ（以後、定義された軸Ａ−Ａと称する）を有する円筒形状の内部空洞１４を備える。
この空洞１４は、上記定義された軸Ａ−Ａと同軸上の中央注入チャンネル１０を備える。この中央注入チャンネル１０は、例えば、磁性金属パイプによって構成される。支持部４によって、支持部４の内壁と中央注入チャンネル１０の外壁との間に配置された周辺注入チャンネル１２を形成するように、中央注入チャンネル１０は、空洞１４の直径より小さい外部直径を有する。
特に、中央注入チャンネル１０は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの内部直径を有し、好ましくは、１ｍｍ〜１．５ｍｍの内部直径を有する。周辺注入チャンネル１２は、３ｍｍ〜２０ｍｍの外部直径を有し、好ましくは、６ｍｍ〜１２ｍｍの外部直径を有し、周辺注入チャンネル１２の内部直径は中央注入チャンネル１０の外部直径である。
言い換えると、中央注入チャンネル１０は、０．７ｍｍ２〜３ｍｍ２の内部断面積を有する。変形例としては、中央注入チャンネル１０および周辺注入チャンネル１２は四角断面を有する。
中央注入チャンネル１０は、隔離ブロック１６およびクランプリング２０で支持部４に固定される。特に、中央注入チャンネル１０の部分は、隔離ブロック１６の貫通孔に合わせられる。隔離ブロック１６は、支持部４のショルダー１８とクランプリング２０のベアリング面２１との間の空洞１４内に配置および固定される。クランプリング２０は、支持部４の端９の外側エッジにネジで取り付けられる。
第１のＯリング２２は、隔離ブロック１６とショルダー１８との間に挿入される。第２のＯリング２４は、隔離ブロック１６とクランプリング２０のベアリング面２１との間に挿入される。
本発明においては、中央注入チャンネル１０および周辺注入チャンネル１２は、推進燃料ガスを放電チャンバー６に注入する２つの手段を形成する。
この目的のため、中央注入チャンネル１０の一端は、パイプ２８を介して、推進燃料ガス源３０に接続される。開口３１は支持部４内に配置される。この開口３１は周辺注入チャンネル１２に導かれる。後述するように、アークジェット（arcjet）操作モードとして知られる第２操作モードにおける上記プラズマ推進機の操作中に、周辺注入チャンネル１２に推進燃料ガスを供給するため、この開口３１は、パイプ４４によって、推進燃料ガス源３０に接続される。
この推進燃料ガス源３０は、ガスのフローレートを制御するための装置３２を備えている。
通常の操作モードとして知られる第１操作モードにおいては、推進燃料ガスのフローレートは、０．１ｇ/ｈ〜４０ｇ/ｈである。
アークジェット（arcjet）操作モードとして知られる第２操作モードにおいては、推進燃料ガスのフローレートは、１ｇ/ｈ〜４００ｇ/ｈであり、好ましくは、１０ｇ/ｈ〜４００ｇ/ｈである。
中央注入チャンネル１０の他方の一端は、鋭い端３６を備える。鋭い端３６は、例えば、中央注入チャンネル１０の環状の縁の斜角つけによって形成される。
鋭い端３６は、放電チャンバー６内まで、支持部４から外側に延びる。これは、ポイント放電（point discharge）と呼ばれる効果により、推進燃料ガスのイオン化に寄与する。ポイント放電は、点火体積と称される放電チャンバーの体積に磁場を集中させることを可能にする。これは、電場のラインを集中するコロナイオン化（corona ionization）による放電ではなく、注入ノズルの出口に隣接した磁場の二つの上記最大強度間でのマイクロ中空カソード放電（microhollow cathode discharge）である。
上記点火体積における磁場の強度の局所的最大値の存在、それゆえに、注入チューブ内にも磁場の強度の局所的最大値が存在することは、二つの理由から可能であることに注目されたい。一つ目の理由は、本反磁性力推進機は、磁場において開いた空洞、または、より詳細には、一端が開かれた同軸システムを含むからである。二つ目の理由は、上記推進機の複合磁性回路は、厳密には、特に、磁性材料からなる中央注入チャンネル１０、その中でも、鋭い端３６を介して、この体積に上記磁場の多くの部分を向ける役割をする部品を含むからである。
本一例においては、上記点火体積は、０．５ｍｍ３〜５ｍｍ３である。これは、中央注入チャンネル１０の鋭い端３６の１２ｍｍ〜１５ｍｍ下流に配置される。
さらに、中央注入チャンネル１０は、電磁波、特に、マイクロ波の放出に適切である。この理由から、中央注入チャンネル１０は、電気伝導性材料から製造されるとともに、例えば、支持部４を支持するためにネジで固定されたコネクタ４０を介して、電磁波生成機３８に電気的に接続される。コネクタ４０は、例えば、ＳＭＡ（登録商標）タイプのコネクタである。
電磁波生成機３８は、少なくとも一つの電磁波を用いて、放電チャンバー６内に存在する推進燃料ガスを照射できる。電磁波の電場は、ＥＣＲ電子による電磁気エネルギーの総合吸収を実現するため、上記推進燃料ガスの磁化された電子と同じ方向に、同じ周波数で回転する。より詳細には、上記電場は、右手円分極（right-hand circular polarization）と、磁場生成機によって磁化された推進燃料ガスの電子のジャイロ磁石共鳴周波数と等しい周波数と、を有する。
電磁波生成機３８は、電磁気パワーを調整するための装置４２を備えている。これは、０．５ワット〜３００ワット、好ましくは０．５ワット〜３０ワットのパワーで、通常の操作モードとして知られる第１操作モードにおいて電磁波を生成することと、５０ワット〜５００ワット、好ましくは２００ワット〜５００ワットのパワーで、アークジェット（arcjet）操作モードとして知られる第２操作モードにおいて電磁波を生成することと、に好適である。
上記電磁波のパワーは、ＥＣＲに到る程度で、かつ、放出時間の前に電子を放出する程度に十分に大きいが、放出前のこれらの電子の放出を防止できるように、あまりにも大きくはない。これは、放出による加熱の防止と、最適なエネルギー収率の維持を可能にする。エネルギー収率の低下無しに、上記推進機が上記電磁気パワーを吸収するのが可能なのは、上記プラズマにおける電子のラルモル半径（Larmor radius）Ｒｂの大きさと関連付けられる。これは、上記電子が上記推進機の内壁に常に衝突しないようにするため、実質上、上記空洞の半径より小さく維持されなければならない（プラズマは磁気浮揚プラズマとして知られる）。しかしながら、０．１テスラ（１０００ガウス）の磁場Ｂ０における電荷ｑｅおよび質量ｍｅを有する電子においては、１ｍｍの旋回の半径（radius of gyration）Ｒｂは、上記磁場に垂直な方向の電子のスピード（ｖｅ＝Ｒｂ．ｑｅ．Ｂ０／ｍｅ＝１．７６×１０７ｍ／ｓ）に相当することとなる。電子ボルトで表現すると、電子のスピンに相当する運動エネルギーは０．９２×１０５ｅＶとなる。例えば、１０ｅＶ〜２０ｅＶ程度の上記ガスのイオン化エネルギーと比較すると、ここに含まれる数十ワット〜数百ワットの電磁気パワーを用いて、このような制限を実現するのは困難に見える。また、断熱工程においては、上記ノズルにおける電子の加速は、μ磁気モーメント＝ｑｅ２．Ｒｂ２．Ｂ０／２ｍｅを維持する。例えば、Ｂ０の１０の減少は、電子旋回半径Ｒｂの約３の増加をもたらす。
最後に、より大きい電磁気パワーを用いなければならない場合には、その寸法を大きくすることなく、磁場Ｂ０および電磁気励起波（EM exciter wave）の周波数を相関的に増加させることにより、エンジンの動作上限を増加するのが可能である。既に商業的に利用可能な実験で用いたものより、約１０倍パワーフルな磁石である。
放電チャンバー６は、支持部４の端１１に、例えば、ネジで固定された磁場生成機４６を備える。この磁場生成機４６は、２つの極を有する磁場源５０と、磁場源５０の一方の極を構成する端面に一体化されたワッシャー５２と、ワッシャー５２と接触する保持ナット５４と、磁場源５０の他方の極を構成する端面に一体化されたワッシャー５８と、を備える。
さらに、放電チャンバー６は、プラズマの出口開口４８を備える。
磁場源５０は、例えば、上記定義された軸Ａ−Ａと同軸上の円環形状を有する永久磁石によって構成される。説明を簡単にするため、以後、磁場源５０を磁石５０と称する。
磁石５０によって放出される磁場は、０．０５テスラ〜１テスラ、好ましくは、０．０８５テスラ〜０．２テスラの強度を有する。
本発明においては、ワッシャー５２と保持ナット５４とは、第１磁気要素を形成し、ワッシャー５８は第２磁気要素を形成する。
ワッシャー５２、５８の各々は、磁石５０の環状の面に一体化される。さらに、ワッシャー５２は、支持部の端１１の外側周囲上に、例えば、ネジで固定される。
保持ナット５４は、実質的に先端を切ったような形の突起６２を備え、突起６２の回転軸は上記定義された軸Ａ−Ａである。突起６２は中央注入チャンネル１０に向けて延びる。
ワッシャー５２、保持ナット５４およびワッシャー５８は常磁性金属、好ましくは、強磁性金属によって構成される。
図２と関連して、ワッシャー５２および保持ナット５４は、永久磁石５０によって放出される磁場を導くのに好適であるため、中央注入チャンネル１０に最も近い突起６２の端面は、推進燃料ガスの流れ方向Ｆ１と関連して注入ノズル６５の上流であって、上記定義された軸Ａ−Ａから第１距離Ｄ１の位置に配置された第１磁気極６４を形成する。
また、ワッシャー５８は磁場の誘導に好適であるため、中央注入チャンネル１０に最も近いワッシャー５８の端面は、上記方向Ｆ１と関連して注入ノズル６５の下流であって、上記定義された軸Ａ−Ａから第２距離Ｄ２の位置に配置された第２磁気極６６を形成する。なお、第２距離Ｄ２は第１距離Ｄ１より長い。
磁場生成機４６によって放出された磁場のフィールドライン６８は、ノズルの形をしている。これらは、中央注入チャンネル１０の注入ノズル６５と交差するとともに、上記定義された軸Ａ−Ａとは、１０°〜７０°の角度を形成する。言い換えると、磁場生成機４６によって放出された磁場は、分岐されている。上記定義された軸Ａ−Ａの高さでは、上記磁場勾配は上記定義された軸Ａ−Ａと平行である。さらに、この磁場勾配は、推進燃料ガスが放出される方向における上流から下流に負である。
さらに、上記磁場は、中央注入チャンネル１０の注入ノズル６５において、上記磁場の強度の第１局所的最大値を有する。この強度は、ＥＣＲによる、注入ノズル６５から出る推進燃料ガスの完全なイオン化に十分である。例えば、この強度は、０．０８７テスラ（２．４５ＧＨｚのマイクロ波におけるＥＣＲ）〜約０．５テスラ（永久磁石を用いて到達し得る上限）である。フィールドライン６８の特別な形状は、ＥＣＲ表面が上記強度の第１局所的最大値に非常に近い状態と、このＥＣＲ表面が注入ノズル６５の出口の端１６５を囲む状態と、をもたらす。２．４５ＧＨｚの電磁波周波数においては、上記ＥＣＲ表面は、上記出口の端１６５から下流に、ｍｍ程度離れた位置に配置される。
本出願においては、上記局所的磁場における自由電子の旋回周波数（gyration frequency）が、実質的に電磁気励起波（electromagnetic exciter wave）の周波数と等しい空間領域をＥＣＲ表面と称する。
さらに、磁場生成機４６は、反磁性力で、注入ノズル６５で点火され出口開口４８に向かうプラズマを加速することが可能である。上記推進機から放出されたプラズマは電気的に中性である。ＥＣＲプラズマ源の主な利点の一つは、イオンには効果がなく、上記プラズマの自由電子にのみ効果がある可能性があることに注目されたい。これは、本実施の例においては、およそ０．１テスラ（１０００ガウス）の比較的に減少された磁場のみを要する。上記プラズマの電気的な中性は、二極性電場（ambipolar electric field）または、空間電荷場（space charge field）によって、効果的に確保される。これは、プラズマ内において、直ちに表れ、陽イオンの個数と電子の個数との不均衡を打ち消す。したがって、中和剤を使用する必要はない。任意の加速グリッドによって印加された電場がない状態においては、二極性電場は混乱されることなく、反磁性力にのみ従属する上記電子は、これらの運動において、上記非磁化陽イオンと同伴する（このゆえ、上記プラズマは反磁性性質である）。相互的に、上記推進機から出ると直ぐに、上記空間電荷によって上記イオンに結合された上記電子は、上記推進機内において、前もって加速されたこれらイオンの慣性によって、残余磁場から逃れることが可能になる。最新の他の推進機とは異なり、この例のような場合、シンプルな永久磁石によって生成される磁気ノズルにおけるプラズマの加速は、結果的に、追加的な電力の消費を要求しない。この消費電力の節約は、宇宙用アプリケーションにおいては、大きなメリットである。
中央注入チャンネル１０は、上記ＥＣＲ領域の上流である上記磁場の分岐部分の開始をもたらす。
有利な点として、中央注入チャンネル１０は、放電チャンバー６内でマイクロ波の放出アンテナ３９としてと共に、イオン化される上記ガスを注入するための注入ノズル６５としても働く。注入ノズル６５は出口の端１６５を備える。
磁石５０、ワッシャー５２、保持ナット５４およびワッシャー５８が放電チャンバー６を形成する。この放電チャンバー６は、６ｍｍ〜６０ｍｍの直径、好ましくは、１２ｍｍ〜３０ｍｍの直径を有する。したがって、この放電チャンバー６は、０．７ｃｍ２〜３０ｃｍ２の内側断面積を有する。
放電チャンバー６の内部空洞１４の上記予め定義された軸Ａ−Ａに沿って定義された長さは、電磁波生成機３８によって放出された電磁波の真空内での半波長の、５分の１〜１０分の１の長さである。
有利な点として、上記放電チャンバーは、非常に小さな寸法を有している。
さらに、プラズマ推進機２は、マウンティングクランプ７０と、支持部４の外側エッジにネジで取り付けされたロックナット７２とを備える。さらに、Ｏリング７４が、マウンティングクランプ７０とロックナット７２との間に配置されている。
有利な点として、本発明の上記プラズマ推進機は、エネルギーを消費しない永久磁石を用いて使用することが可能である。
有利な点として、上記放電チャンバーは、２．３ＧＨｚ〜２．８ＧＨｚ程度の比較的低周波とともに、高周波を共鳴する、ｃｍ程度の寸法を有するキャビティを形成する。これは、ＥＣＲプラズマの光学指数が非常に高いゆえに可能であり、これにより、比較的低周波数を用いた場合であっても、比較的短波長を得ることを可能にする。ＥＣＲの周波数が磁場に比例するため、小さな寸法の環状永久磁石からも容易に作り出すことが可能な０．０８テスラ〜０．１テスラ程度の磁場を用いた場合であっても、このサイズのキャビティが可能となる。
本発明による推進力の生成方法は、上述のプラズマ推進機によって実現される。図３と関連して、通常モードとして知られる上記第１操作モードにおいては、以下のステップを含む。
−磁場６３の生成ステップ９０
−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。
さらに、アークジェット（arcjet）操作モードとして知られる第２操作モードは、以下のステップを含む。
−周辺注入チャンネル１２を介して、追加的に推進燃料ガスを注入するステップ１０８
−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。
有利な点として、中央注入チャンネル内でのガスのフローレートの範囲を制御および、電磁波のパワーの範囲を制御することで、例えば、課題全体を通じて、ガスおよびエネルギーの消費を最適化することができる。ガスのフローレートと電磁波のパワーとの制御によって、推進機の推進力と比推力とをそれぞれ、異ならせることができ、そして、必要に応じて、周辺注入チャンネル内のガスのフローレートの範囲を制御および、電磁波のパワーの範囲を制御することもできる。
有利な点として、それぞれの推進モードを、独立にまたは、組み合わせて用いることができる。組み合わせることは、例えば、大きい推進力に対しても、総計推進力の細かい調整を可能とする。
図４に示される変形例によると、プラズマ推進機１２０は、さらに、一方には、電磁波生成機３８と、支持部４にネジで固定されたコネクタ４０とに接続された循環器８０を備える。また、他方には、プラズマ推進機１２０の出口面の下流に配置されている、伝導性円筒型スリーブ８５を備えている。
循環器８０は、一般的には、フェライトで作られる装置である。そして、電磁波生成機３８または、任意の増幅器を、例えば、上記プラズマ（電磁波生成機において放出される電荷）によって反射された電磁波の戻りに対して保護するため、循環器８０はマイクロ波回路内に置かれる。
上記プラズマが循環器によって吸収されない方向において、電磁波の流れは、循環器８０を通過する。電磁波生成機３８が保護され、かつ、上流に導かれる反射によって、電磁波の流れのロスがないように、電磁波生成機の方向において反射された上記流れは、循環器８０内で回転し、上記プラズマの方向に再び去る。
スリーブ８５は、永久磁石５０の直径および磁場生成機４６のワッシャー５８に対して固定されたリム８６の直径より大きい直径を有する。特に、スリーブ８５は、例えば、真空における電磁波の１/２波長に等しい直径を有するとともに、真空における電磁波の１/４または３/４波長に等しい長さを有する円形のウェーブガイド（wave guide）部分である。スリーブ８５は、電磁波の伝播を遮断する。さもなければ、電磁波は、上記推進機の出口の開口から回折により、自由空間に放出されることとなる。自由空間に放出される代わりに、超高周波数電磁波は、上記推進機内のプラズマの方に反射され、上記プラズマによって吸収されない部分は、循環器８０に送られる。そして、循環器８０は、次々に、プラズマ推進機１２０に、この逆の流れを戻し、それから、上記プラズマによって、電磁波の流れの吸収が完成するまで続ける。
図５は、上記定義された軸Ａ−Ａ沿った、上記プラズマ推進機の出口面Ｄ−Ｄからの距離による磁場生成機４６によって生成された磁場の変化を示している。この図においては、Ｘ軸のゼロ（０）は上記出口面Ｄ−Ｄとする。図２に図示されているように、上記出口面は、出口開口４８に位置するマウンティングクランプ７０の中央面に平行な面である。
図５において図示されているように、磁場は、第１局所的最大値Ａと第２局所的最大値Ｃとの間に位置する局所的最小値のみでなく、注入ノズル６５内に位置する第１局所的最大値Ａおよび第２局所的最大値Ｃを有する。
第１局所的最大値Ａは、注入ノズル６５の出口端１６５に位置する。第１局所的最大値Ａは、注入ノズル６５から出た推進燃料ガスの、上記電磁波の効果下において、上記推進燃料ガスの電子のサイクロトロン共鳴によるイオン化に十分である。
第１局所的最大値Ａは、下記式によって定義されたサイクロトロン共鳴に到るのに必要とされる閾値ＢＥＣＲより大きい強さを有する。
ＢＥＣＲ＝２×π×ｆＥＣＲ×ｍｅ/ｑｅ
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。
磁場生成機５０は、注入ノズル６５で点火されたプラズマの自由電子、陽イオン、非磁化されたイオン、これらに伴われる自由電子を、反磁性力によって、出口開口４８に向けて加速することができ、これらは、二極性電場（ambipolar electric field）または、空間電荷場（space charge field）によって、プラズマ内において、直ちに表れ、陽イオンの個数と電子の個数との不均衡を打ち消す。ある印加された電場によって、混乱されることがないこの電場は、上記推進機から放出されたプラズマの電気的な中性を確保するのに、大変効果的である。
その上に、磁気的フィールドラインを集中することにより、注入手段１０の鋭い端３６は、一方で、磁場生成機５０から開始し、強度の第１局所的最大値Ａに到ることを可能にし、他方で、上記磁場の強度の第１局所的最大値Ａと局所的最小値Ｂとの間で、マイクロ中空カソード放電に到ることを可能にする。このマイクロ中空カソード放電は、そのフローレートに係らず、注入ノズル６５に存在する推進燃料ガスの少なくとも一部のイオン化には十分である。磁場生成機５０は、例えば、永久磁石を備える。
本発明は、図面を参照し、一例としてのみ提供される説明により、より一層理解できるであろう。
本発明のプラズマ推進機の軸上の断面図である。 図１の部分拡大図であり、本発明のプラズマ推進機の生成機によって生成された磁場のフィールドライン図示している。 本発明の方法の各工程のダイヤグラムを示す図である。 本発明の異なる実施の形態の推進機の軸上の断面図である。 上記推進機の軸Ａ−Ａに沿った磁場を示すグラフである。

Claims (11)

  1. 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。
  2. 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）。
  3. 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）。
  4. 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）。
  5. 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）。
  6. 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）。
  7. 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）。
  8. 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）。
  9. 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）。
  10. 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。
  11. 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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