JPH0650112B2 - プラズマエンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、宇宙用電気推進機（ＭＰＤスラスタ、直流ア
ークジェットスラスタ）、核融合研究用プラズマガン、
プラズマ化学反応用熱源としての直流アークジェット、
マスドライバとしてのレールガン、耐熱材試験用高エン
タルピープラズマ風洞などに使用されるプラズマエンジ
ンに関するものである。

［従来の技術］ すでに開発されている従来のプラズマエンジン（ＭＰＤ
スラスタ、直流アークジェットスラスタ）は、例えば第
８図に示すように末広がりに拡大した円筒形の陽極a の
中心部に棒状の陰極b を配置し、両極a,b 間に直流電源
c から直流電圧を印加して陰極b 先端部と陽極a 内側部
間にアークe を発生させ、外部から供給した気体推薬d
（アルゴンガスなど）を放電させてプラズマをつくり、
このプラズマを膨脹、加速して後方に噴射し、推力を得
るようにしていた。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、前述のプラズマエンジンは、一般にアーク発生
時の放電電流路を均一に発生させることが困難であり、
極端な場合、第９図に示すようにスポーク状の放電電流
路f が形成される。そして、この場合、気体推薬のかな
りの部分がプラズマ化することなく無駄に放出され、加
熱効率の低下を招くばかりでなく、噴出ガスの膨脹、加
速も不充分になる。また、理想的に放電電流路が形成さ
れた場合、放電電流と誘起磁場g との相互作用がつくり
出すプラズマの軸方向圧縮（矢印h）、および圧縮され
たプラズマの空気力学的な膨脹加速効果も期待できなく
なるなどの問題点があった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、前述の問題点に鑑み陽極と陰極間に均等に放
電電流路を形成し、その結果、推進効率を向上させるプ
ラズマエンジンを提供するためになしたもので、その要
旨は、陰極と陽極間にアークを発生させ、内部に導いた
ガスをプラズマ状態とし、さらに膨脹、加速して外部に
排出するプラズマエンジンにおいて、エンジンの中心部
に配置した少くとも１個以上の陰極と、絶縁材料で隔て
て相互に等間隔に且つ前記陰極からエンジンの長手方向
及び長手方向と直角方向に対して等距離離隔した位置に
それぞれ配置した複数のピン状の陽極と、互いに等間隔
に配置した複数のガス注入口とを備えたものである。

［作 用］ 中心部にある陰極と各陽極間に個々に放電電流路が形成
されるので、陽極が円周方向に等間隔に配置されている
場合、陰極を中心として半径方向に均一に、また、陽極
が平面内に等間隔に配置されている場合、一定間隔で均
一に放電電流路が形成される。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図ないし第３図は本発明の第１の実施例を示すもので、
本発明のプラズマエンジンは、中心部に配置した棒状の
陰極1 と、絶縁材料でつくられ前記陰極1 を取り囲んで
同心に配置した、円筒部2 および円錐状拡大部3 を有す
る筒状の絶縁筒4 と、この絶縁筒4 の拡大部3 に周方向
に等間隔に配置した所要数のピン状陽極5 などからな
る。絶縁筒4 には内部にガスを供給するため円筒部2 を
貫通するガス注入口6 が円周方向に等間隔で配置され、
このガス注入口6 に図示しないガス供給装置を通して所
定時間中ガスが供給される。

電源装置7 は、図示しない直流電源によってほぼ一定電
位に充電されるコンデンサ8 （3200μＦ）とコイル9
（３μＨ）と前記ガス供給装置と同期して閉じるスイッ
チ11などからなり、この電源のプラス側に接続する陽極
側端子部材12と各陽極5 間は抵抗値の等しい電流分割用
抵抗13(0.1Ω)を介してそれぞれ接続されている。

次に、本プラズマエンジンの作動について説明する。先
ずコンデンサ8 を充電しておく。この状態で時刻ｔ_１に
エンジの作動が指令されるとガス注入口6 を通して所定
時間Δｔ（約600μＳ〔コンデンサ8 とコイル9 で定ま
る放電時定数〕）の間だけエンジンにガスが供給され、
ガスの注入と同期してスイッチ11が閉じられる。この操
作によって第２図に示すように電極1,5 間に放射状に均
一に放電電流路14が形成される。そして、この放電によ
ってガスはプラズマ状態となり、このプラズマは放電電
流と誘起磁場との相互作用によって軸方向に圧縮され、
陰極1 先端部近傍に高密度のプラズマ15（第１図参照）
を生成し、この圧縮されたプラズマは拡大部3 で空気力
学的に膨脹、加速され後方に向って噴射される（矢印
j）。一般にプラズマエンジンの推進効率は、式(1)で示
されるが、上述のように本エンジンではプラズマ排出速
度が大きいので、推進効率が向上する。なお、コンデン
サの充電エネルギが放出されると放電は停止されプラズ
マの排出も停止する。そして次回の作動に備えるためス
イッチ11を開き、コンデンサの再充電を行う［第３図
(A)(B)参照］。

ここに、はガス流量、ｕはプラズマ排出速度、Ｖはア
ーク電圧、Ｊはアーク電流を示す。

本発明の第２の実施例を第４図および第５図に示す。こ
の例は複数の陰極1aを絶縁材16を隔てて円周方向に等間
隔に配置し、陰極1aと同心に同数のピン状の陽極5 を絶
縁筒4 上に配置したものであり、それ以外は第１の実施
例と変わるところはない。

本発明の第３の実施例を第６図および第７図に示す。こ
の例は複数の陰極1bを同一平面内に等間隔に配置し、各
陰極1bごとに一対の陽極5,5 を、上下対称に配置した絶
縁板17,17 に相対峙して配置したものであり、これ以外
は第１の実施例と変わるところはない。

なお、本発明は前述の実施例にのみ限定されるものでは
なく、例えば放電電流を均等に分配するため抵抗分割法
を採用した代りに各陽極ごとに電源を設けてこの電源の
プラス側を各陽極に直接接続してもよいことなど、その
他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得
ることは勿論である。

［発明の効果］ 以上に述べたごとく本発明は次の優れた効果を発揮す
る。

(i) 中心部の陰極と、エンジンの長手方向及び長手方
向と直角方向に対して等距離離隔して配置したピン状の
各陽極間にそれぞれ放電電流路が形成されるので、陽極
が円周方向に等間隔に配置されている場合、陰極を中心
として半径方向に均一に、また、陽極が平面内に等間隔
に配置されている場合、一定間隔で均一に放電電流路が
形成される。

(ii) 第(i)項の結果、注入ガスを無駄に捨てられるこ
とがなく、有効に加熱・加速することができる。

(iii) 第(i)項の結果、プラズマは一旦軸方向に電磁気
的に圧縮され、次いで空気力学的に膨脹するのでプラズ
マ排出速度を大きくすることができ、推進効率が向上す
る。

(iv) 陽極をピン状としたため、放電電流の各陽極への
付着点が一点に定まり且つ全体として揃うので、均一な
膜状の放電電流路を形成することができる。

(v) ガス注入口を互いに等しい間隔で配置したので、
ガスを各陽極に対して均一に分配させることができ、ガ
スを効率良くプラズマ化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図(A)(B)は本発明の第１の実施例
を示し、第１図は切断側面図、第２図は第１図における
II−II方向からの矢視図、第３図(A)(B)はそれぞれ運転
時のガス流量およびアーク電流の説明図、第４図および
第５図は本発明の第２の実施例を示し、第４図は切断側
面図、第５図は第４図におけるＶ−Ｖ方向からの矢視
図、第６図および第７図は本発明の第３の実施例を示
し、第６図は切断側面図、第７図は第６図におけるVII
−VII方向からの矢視図、第８図は従来のプラズマエン
ジンの切断側面図、第９図は不均一な放電電路の発生状
況の説明図である。 図中、1,1a,1b は陰極、4 は絶縁筒、5,5aは陽極、14は
放電電流路、16,18 は絶縁材、17は絶縁板を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】陰極と陽極間にアークを発生させ、内部に
   導いたガスをプラズマ状態とし、さらに膨脹、加速して
   外部に排出するプラズマエンジンにおいて、エンジンの
   中心部に配置した少くとも１個以上の陰極と、絶縁材料
   で隔てて相互に等間隔に且つ前記陰極からエンジンの長
   手方向及び長手方向と直角方向に対して等距離離隔した
   位置にそれぞれ配置した複数のピン状の陽極と、互いに
   等間隔に配置した複数のガス注入口とを備えたことを特
   徴とするプラズマエンジン。