JPH03151574A - Ion engine - Google Patents
Ion engineInfo
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- JPH03151574A JPH03151574A JP29054589A JP29054589A JPH03151574A JP H03151574 A JPH03151574 A JP H03151574A JP 29054589 A JP29054589 A JP 29054589A JP 29054589 A JP29054589 A JP 29054589A JP H03151574 A JPH03151574 A JP H03151574A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は２人工衛星の機動制御等のための推力を発生
するイオンエンジン、特にイオンビームの収束性の改善
と推力ベクトルの制御に関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] This invention relates to an ion engine that generates thrust for maneuver control of two artificial satellites, and in particular, to improvement of ion beam convergence and thrust vector control. be.
第４図は従来のイオンエンジンを示す断面図であり第２
図において、 、 （１１はイオンを生成する円筒状の
イオン生成室、（２）はイオン放出面を形成するための
多孔を有する円板状のスクリーングリッド、（３）はイ
オン放出面からイオンのみを加速抽出し、収束ビームと
して取り出す同じく多孔を有する円板状の加速グリッド
、（４）は放出イオンに対し宇宙空間電位を与えろため
の同じく多孔を有する円板状の減速グリッド、（５）は
イオンエンジン全体の電位を宇宙空間の電位に保つため
の電子放出源である。なお、 （２１（３１（４１から
なるグリッド群をイオン抽出系という。第５図は、従来
のイオン抽出系の大断面を示す図であり２図において、
（２）はスクリーングリッド、（３）は加速グリッド、
（４）は減速グリッド、（６）はイオンビーム、（７）
はイオンビームの方向、（８）はスクリーングリッドの
穴中心をとおり。Figure 4 is a cross-sectional view showing a conventional ion engine.
In the figure, (11 is a cylindrical ion generation chamber that generates ions, (2) is a disc-shaped screen grid with porous holes to form an ion emission surface, and (3) is a cylindrical ion generation chamber that generates ions. (3) is a cylindrical ion generation chamber that generates ions. (4) is a disc-shaped acceleration grid with holes to accelerate and extract the ions and take it out as a focused beam; (4) is a disc-shaped deceleration grid with holes to apply a space potential to the emitted ions; It is an electron emission source that keeps the potential of the entire ion engine at the potential of outer space.The grid group consisting of (21 (31) (41) is called an ion extraction system. It is a diagram showing a cross section, and in Figure 2,
(2) is a screen grid, (3) is an acceleration grid,
(4) is the deceleration grid, (6) is the ion beam, (7)
is the direction of the ion beam, and (8) passes through the center of the hole in the screen grid.
スクリーングリッド面に垂直な軸、（９）はスクリーン
グリッド近傍で形成されるイオン放出面である。The axis (9) perpendicular to the screen grid plane is the ion emission surface formed near the screen grid.
従来のイオンエンジンは、上記のように構成され、イオ
ン生成室（１）では２通常キセノン等のイオン化電圧の
低い推進剤原子が電子衝撃によりイオン化され、電子イ
オンの混在したプラズマが形成される。A conventional ion engine is configured as described above, and in the ion generation chamber (1), propellant atoms having a low ionization voltage, such as xenon, are ionized by electron bombardment, and a plasma containing electrons and ions is formed.
イオンが生成された状態で、イオン生成室及びスクリー
ングリッド（２）に宇宙空間に対し正の高電位２例えば
１，０ＯＯＶが印加され、同時に加速グリッド（３）に
は負電位２例えば−５００ｖが印加されると、イオン生
成室側のスクリーングリッド（２）の穴の近傍には、プ
ラズマ特性に応じ、イオン放出面が形成される。スクリ
ーングリッド（２）、加速グリッド（３）間では、上記
の例でイオンは１，５００Ｖの加速を受け、同時にレン
ズ作用で収束ビームが形成される。加速グリッド（３１
，減速グリッド（４）間では、５ｏｏｖの減速を受け、
結局宇宙空間に放出されるイオンの正味加速は１，０Ｏ
ＯＶの電位差で行われろ。電子放出源（５）はイオンエ
ンジンを宇宙空間と同電位に維持し、上記のイオン加速
を持続的に可能とするためのもので、イオンエンジンか
らの放出イオン電流相当の電子を供給する。In the state in which ions are generated, a positive high potential 2, e.g. 1,000 V, is applied to outer space to the ion generation chamber and the screen grid (2), and at the same time, a negative potential 2, e.g. -500 V, is applied to the acceleration grid (3). When applied, an ion ejection surface is formed near the holes in the screen grid (2) on the ion generation chamber side depending on the plasma characteristics. Between the screen grid (2) and the acceleration grid (3), in the above example, the ions are accelerated by 1,500V, and at the same time a convergent beam is formed by the lens action. Acceleration grid (31
, deceleration grid (4) receives a deceleration of 5oov,
In the end, the net acceleration of the ions ejected into space is 1.0O
It should be done with a potential difference of OV. The electron emission source (5) maintains the ion engine at the same potential as space and enables the above-mentioned ion acceleration continuously, and supplies electrons equivalent to the ion current emitted from the ion engine.
上記のような従来のイオンエンジンでは、イオンビーム
の収束、イオンビームの方向決定に寄与する加速グリッ
ド（３）が１枚で構成されているため。This is because the conventional ion engine as described above is composed of a single acceleration grid (3) that contributes to convergence of the ion beam and determination of the direction of the ion beam.
イオンビームの収束性の改善を行うためには、印加電圧
、グリッド穴径、グリッド間隔をイオン生成室のプラズ
マ特性に応じて最適化しなければならないという課題が
あった。このためイオンエンジンの動作点２例えば推力
を大きく変更する場合には、イオン抽出系の設計を変更
しなければならないという課題があった。また、加速グ
リッド（３）が１枚で構成されているため、イオンビー
ムの方向即ち推力方向を制御する機能がなく、推力方向
の変更には、ジンバル等の機構を利用しなければならな
いという課題があった。In order to improve the convergence of the ion beam, there was a problem in that the applied voltage, grid hole diameter, and grid spacing had to be optimized according to the plasma characteristics of the ion generation chamber. Therefore, when the operating point 2 of the ion engine, for example, the thrust, is changed significantly, there is a problem in that the design of the ion extraction system must be changed. In addition, since the acceleration grid (3) is composed of a single sheet, there is no function to control the direction of the ion beam, that is, the thrust direction, and a mechanism such as a gimbal must be used to change the thrust direction. was there.
この発明は、これらの課題を解決するためになされたも
ので、より良好なイオンビームの収束性を得ることを目
的とする。This invention was made to solve these problems, and aims to obtain better ion beam convergence.
また、この発明の別の発明は、上記目的に加え。Moreover, another invention of this invention is in addition to the above object.
イオンエンジンの広い範囲にわたる動作点で良好なイオ
ンビームの収束性を得ることを目的とする。The objective is to obtain good ion beam focusing performance over a wide range of operating points of the ion engine.
また、この発明の別の発明は、イオンビームの方向制御
が可能なイオンエンジンを得ることを目的とする。Another object of the present invention is to obtain an ion engine capable of controlling the direction of an ion beam.
この発明に係るイオンエンジンは、イオン抽出系の加速
グリッドを複数枚設けこれに段階的な負の加速電圧を印
加したものである。The ion engine according to the present invention includes a plurality of ion extraction system acceleration grids, to which a stepwise negative acceleration voltage is applied.
また、この発明の別の発明に係るイオンエンジンは、複
数枚の加速グリッドに加える電圧を可変にしたものであ
る。Further, an ion engine according to another aspect of the present invention is one in which the voltage applied to a plurality of acceleration grids is made variable.
またこの発明の別の発明に係るイオンエンジンは、複数
枚の加速グリッドを設け、スクリーングリッド、減速グ
リッドとともにこれらグリッド群の穴中心位置を相対的
にずらし、かつ加速グリッドに加える電圧を可変にした
ものである。In addition, an ion engine according to another invention of the present invention is provided with a plurality of acceleration grids, and the hole center positions of these grid groups are relatively shifted together with the screen grid and the deceleration grid, and the voltage applied to the acceleration grid is made variable. It is something.
〔作 用５〕
この発明においては、以遠の収束に寄与する加速グリッ
ドを複数枚設け、これに段階的な負の加速電圧を印加す
ることで、グリッド穴径を同一にしても加える電圧をＦ
Ｊ整することで、収束の状況を調整できる。[Function 5] In this invention, by providing a plurality of acceleration grids that contribute to further convergence and applying a stepwise negative acceleration voltage to them, the applied voltage can be reduced to F even if the grid hole diameter is the same.
By adjusting J, the convergence situation can be adjusted.
また、この発明の別の発明においては２人工衛星の軌道
上で、推力等イオンエンジンの動作点を変更した場合、
複数枚の加速グリッドの印加電圧が可変であり、この電
圧を調整することで、それぞれの動作点で良好な収束性
が確保できるため。Further, in another invention of this invention, when the operating point of the ion engine such as thrust is changed on the orbit of two artificial satellites,
The voltage applied to multiple acceleration grids is variable, and by adjusting this voltage, good convergence can be ensured at each operating point.
広い範囲のイオンエンジンの動作が可能になる。This enables the ion engine to operate over a wide range.
また、この発明の別の発明においては、イオン抽出系の
グリッド群の穴中心位置を予め相対的にずらして設置し
２例えば−枚の加速グリッド穴を一軸方向にずらし、別
の一枚の加速グリッド穴はこれと垂直な軸方向にずらし
て設置した場合、これらの加速グリッドに加える電圧を
変えることで。In another aspect of the present invention, the center positions of the holes in the grids of the ion extraction system are relatively shifted in advance, and two acceleration grid holes are shifted in one axis direction, and another acceleration grid is set. By changing the voltage applied to these acceleration grids when the grid holes are installed offset in the perpendicular axis direction.
イオンビームの方向を変更することができる。The direction of the ion beam can be changed.
第１図はこの発明の一実施例を示すイオンエンジンの断
面図で、第２図はこのイオン抽出系の大断面を示す図で
、（１）〜（９）は上記従来のイオンエンジンと全く同
一のものである。叫は第２の加速グリッドである。上記
のように構成されたイオンエンジンでは、従来の加速グ
リッド（３）に加え、第２の加速グリッドα〔を設け、
これらのグリッドに例えば従来の加速グリッド（３）に
は従来どおり一５００Ｖ、また第２の加速グリッドＱＯ
Ｉには一８００ｖというように段階的な加速電圧を印加
することで。Figure 1 is a cross-sectional view of an ion engine showing an embodiment of the present invention, and Figure 2 is a diagram showing a large cross-section of this ion extraction system. (1) to (9) are completely different from the conventional ion engine described above. They are the same. The scream is the second acceleration grid. In the ion engine configured as described above, in addition to the conventional acceleration grid (3), a second acceleration grid α [is provided,
For example, the conventional acceleration grid (3) has 1500 V as before, and the second acceleration grid QO.
By applying a stepwise accelerating voltage such as -800V to I.
電子レンズの効果でイオンの収束性が向上する。The effect of the electron lens improves ion focusing.
イオンエンジンでは、推力を大きくしようとするとプラ
ズマ密度をあげることが必要であるが。In an ion engine, increasing the thrust requires increasing the plasma density.
この場合、第２図に結いて加速グリッド（３）、第２の
加速グリッド０〔の電圧が推力変更前と同じであれば、
イオン放出面（９）の形状が変化し、未収束イ・オンの
加速グリッド（３）への流入が発生する。これを防止し
、かつイオンの収束性を得るためには。In this case, as shown in Figure 2, if the voltage of acceleration grid (3) and second acceleration grid 0 is the same as before the thrust change,
The shape of the ion ejection surface (9) changes, and unfocused ions flow into the acceleration grid (3). In order to prevent this and obtain ion convergence.
加速グリッドの電圧をたとえば一５００ｖから一８００
Ｖへの変更のように、より負の方向に変化させてやれば
よい。For example, change the voltage of the acceleration grid from -500V to -1800V.
It is only necessary to change it in a more negative direction, such as changing to V.
したがって、加速グリッド（３）及び第２の加速グリッ
ドに加える電圧を可変にすることにより、推力の変更範
囲を拡大できろとともに、変更範囲での収束性の確保が
可能となる。Therefore, by making the voltages applied to the acceleration grid (3) and the second acceleration grid variable, it is possible to expand the range of changes in the thrust force and to ensure convergence within the range of changes.
第３図はこの発明のさらに他の実施例を示す。FIG. 3 shows yet another embodiment of the invention.
イオン抽出系の大断面の図で２部分を示す符号は第２図
と全く同一である。この実施例では、加速グリッド（３
）、第２の加速グリッドａ〔の穴中心をスクリーングリ
ッド（２＋、Ｍ速グリッド（４）の穴中心に対してずら
して設定することにより、イオン放出面（９）から抽き
出されろイオンビームは、電位勾配に応じて、イオンビ
ームの方向（７）が変化する。In the large cross-sectional view of the ion extraction system, the numbers indicating the two parts are exactly the same as in FIG. In this example, the acceleration grid (3
), by setting the hole center of the second acceleration grid a [ shifted from the hole center of the screen grid (2+, M speed grid (4)), the ions are extracted from the ion emission surface (9). The direction (7) of the ion beam changes depending on the potential gradient.
したがって更に例えば第２の加速電ｔｌｉＱＯ１を同一
グリッド面内で紙面垂直方向にずらしておけば。Therefore, for example, if the second accelerating current tliQO1 is shifted in the direction perpendicular to the plane of the paper within the same grid plane.
イオンビームの方向は２紙面下方に変化する。The direction of the ion beam changes downward two pages.
つまり、加速グリッド（３）と第２の加速グリッド頭を
相対的に一方向にずらし、かつ、このペアをこのずらし
た方向に対し直角にスクリーングリッド（２）に対しず
らすことにで、イオンビームの方向はグリッドに垂直な
軸方向に対し、ある偏角の範囲内で任意の方向にずらす
ことができる。一方偏角は、加速グリッド（３）、第２
の加速グリッド０１に加えろ電圧を変えることで、その
大きさが変更できろことから、イオンビームの方向即ち
推力方向を変更することができる。In other words, by relatively shifting the heads of the acceleration grid (3) and the second acceleration grid in one direction, and also shifting this pair with respect to the screen grid (2) at right angles to this shifted direction, the ion beam The direction of can be shifted in any direction within a certain declination angle with respect to the axial direction perpendicular to the grid. On the other hand, the declination angle is the acceleration grid (3), the second
By changing the voltage applied to the acceleration grid 01, the magnitude can be changed, and therefore the direction of the ion beam, that is, the thrust direction can be changed.
以上のようにこの発明によれば、加速グリッドを複数枚
で構成し、加速電圧を段階的に印加できるため良好なイ
オンビームの収束が得られ、未収束イオンによるグリッ
ド摩耗が低減でき、イオンエンジンの寿命を改善できる
とともに、イオンビームの拡がりが抑えられるため、推
力ロスの小さいイオンエンジンが得られる効果がある。As described above, according to the present invention, since the accelerating grid is composed of a plurality of sheets and the accelerating voltage can be applied in stages, good ion beam focusing can be obtained, grid wear due to unfocused ions can be reduced, and the ion engine In addition to improving the service life of the ion beam, it also suppresses the spread of the ion beam, resulting in an ion engine with less thrust loss.
また、この発明の別の発明によれば、上記複数枚の加速
グリッドに加える電圧を変更できるようにしたので１人
工衛星の軌道上で推力を変更する場合、広い動作範囲に
わたり良好なイオンビームの収束が得られる効果がある
。According to another aspect of the present invention, since the voltage applied to the plurality of acceleration grids can be changed, when changing the thrust force in the orbit of one artificial satellite, a good ion beam can be maintained over a wide operating range. This has the effect of achieving convergence.
また、この発明の別の発明によれば、複数枚の加速グリ
ッドを含むイオン抽出系の穴中心を相対的にずらして設
置したことで、イオンビームの方向即ち推力の方向を変
化させることができ、加速グリッドへの印加電圧が変更
できろため２人工衛星の軌道上で推力方向を変更できろ
効果がある。According to another invention of the present invention, the direction of the ion beam, that is, the direction of the thrust, can be changed by installing the hole centers of the ion extraction system including a plurality of acceleration grids with relative shifts. Since the voltage applied to the acceleration grid can be changed, the thrust direction can be changed in the orbit of the two artificial satellites, which is effective.
第１図はこの発明の一実施例によるイオンエンジンを示
す断面図、第２図はこの発明の一実施例によるイオン抽
出系の大断面を示す図、第３図はこの発明の別の発明の
一実施例によるイオン抽出系の大断面を示す図、第４図
は従来のイオンエンジンを示す断面図、第５図は従来の
イオン抽出系の大断面を示す図である。
図において、（１）はイオン生成室、（２）はスクリー
ングリッド、（３）は加速グリッド、（４）は減速グリ
ッド、（５）は電子放出源、（６）はイオンビーム、（
７）はイオンビームの方向、（８１はスクリーングリッ
ドの穴中心をとおり、スクリーングリッド面に垂直な軸
。
（９）はイオン放出面、叫は第２の加速グリッドである
。
なお２図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。FIG. 1 is a cross-sectional view showing an ion engine according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a large cross-sectional view of an ion extraction system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view showing an ion extraction system according to another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional ion engine, and FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional ion extraction system. In the figure, (1) is the ion generation chamber, (2) is the screen grid, (3) is the acceleration grid, (4) is the deceleration grid, (5) is the electron emission source, (6) is the ion beam, (
7) is the direction of the ion beam, (81 is the axis that passes through the hole center of the screen grid and is perpendicular to the screen grid surface. (9) is the ion emission surface, and the symbol is the second acceleration grid. Note that the two figures are the same. Codes indicate the same or corresponding parts.
Claims (4)
オンを加速抽出するイオン抽出系と、イオン抽出系から
の放出イオンに対し、電気的中和をはかる電子放出源と
から構成され、上記イオン抽出系がスクリーングリッド
と複数枚の加速グリッドと減速グリッドとを備えたこと
を特徴とするイオンエンジン。(1) Consisting of an ion generation chamber that generates ions, an ion extraction system that accelerates and extracts the generated ions, and an electron emission source that electrically neutralizes the ions released from the ion extraction system. An ion engine characterized in that an ion extraction system includes a screen grid and a plurality of acceleration grids and deceleration grids.
印加したことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
載のイオンエンジン。(2) The ion engine according to claim (1), wherein a stepwise negative acceleration voltage is applied to a plurality of acceleration grids.
ッド群の穴中心位置を相対的にずらしたことを特徴とす
る特許請求の範囲第（１）項記載のイオンエンジン。(3) The ion engine according to claim (1), wherein the hole center positions of the grid group of the ion extraction system including a plurality of acceleration grids are relatively shifted.
ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項又は第２項
記載のイオンエンジン。(4) The ion engine according to claim 1 or 2, wherein the voltage applied to the plurality of acceleration grids is made variable.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29054589A JPH03151574A (en) | 1989-11-08 | 1989-11-08 | Ion engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29054589A JPH03151574A (en) | 1989-11-08 | 1989-11-08 | Ion engine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03151574A true JPH03151574A (en) | 1991-06-27 |
Family
ID=17757415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29054589A Pending JPH03151574A (en) | 1989-11-08 | 1989-11-08 | Ion engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03151574A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5369953A (en) * | 1993-05-21 | 1994-12-06 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Three-grid accelerator system for an ion propulsion engine |
| JPH09209914A (en) * | 1996-01-30 | 1997-08-12 | Nec Corp | Ion engine |
-
1989
- 1989-11-08 JP JP29054589A patent/JPH03151574A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5369953A (en) * | 1993-05-21 | 1994-12-06 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Three-grid accelerator system for an ion propulsion engine |
| JPH09209914A (en) * | 1996-01-30 | 1997-08-12 | Nec Corp | Ion engine |
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