JPH0759940B2 - スラスト変調型静電イオン・スラスターとその運転方法 - Google Patents

スラスト変調型静電イオン・スラスターとその運転方法

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JPH0759940B2
JPH0759940B2 JP63505125A JP50512588A JPH0759940B2 JP H0759940 B2 JPH0759940 B2 JP H0759940B2 JP 63505125 A JP63505125 A JP 63505125A JP 50512588 A JP50512588 A JP 50512588A JP H0759940 B2 JPH0759940 B2 JP H0759940B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は広くは宇宙飛行体の推進に関し、特に、スピン
をする宇宙飛行体に用いられるイオン推進エンジンに関
する。
宇宙飛行体を推進するためにイオン・ソースを使用する
考えは以前から公知である。この分野における２つの初
期の特許は米国特許第3,052,088号（Davis et.al.）と
米国特許第3,156,090号（Kaufman）とで、これらはいず
れも静電イオン推進デバイスについて記載している。然
し、惑星又は地球軌道適用に現在一般的に用いられてい
るほとんど全ての推進システムは化学的スラスターであ
る。軌道衛星の寿命の延長に対する要求が高まっている
ので、静電イオン・スラスターの利点を備えたスラスタ
ーに対する要求が増大している。衛星の構成部品は宇宙
での長い運転時間に対して機能し続けるように作ること
は出来るが、衛星寿命を制限している因子は地球に対す
る静止位置維持（station−keeping）のための推進剤の
消耗であって、これにより衛星の破棄が余儀無くされ
る。静止位置維持用の推進剤の主たる用途は南北方向に
関する静止位置維持用で、これは、静止軌道の傾斜を増
大させる傾向のある太陽及び月の引力を相殺しなければ
ならないからである。所定の衛星に対し、化学液体の二
元推進薬（bipropellant）をイオン推進システムのハー
ドウエヤー及びその推進剤と置き換えることによって、
衛星の運転寿命は２倍以上にすることが出来る。これが
可能な理由は、化学スラスターに比較してイオン・スラ
スターによって与えられる比推力（specific impuls
e）が非常に高いことと、イオン・スラスターの動力源
が太陽であることとによる。
イオン・スラスターは高い排出速度で推進イオンを発射
することによりスラスト（推進力）を作り出す。代表的
には、排出速度、従って比推力は、速度増分、使用可能
のパワー及び所要推進剤に対する任務条件に基づいて選
択される。普通、比推力には最適値がある。与えられた
排出速度に対し、スラスト・レベルは、一般的に、イオ
ン・ビームの流れ、即ち、単位時間当りに放出されるイ
オンの数、を変えることによって調節される。スピンす
る衛星の姿勢を制御するためには、比較的短時間でこれ
を行うためにイオン・ビームの流れを大きく変える必要
があり、これは現在使用可能のイオン・スラスター・シ
ステムでは難しい。
太陽や月の食の間でも動作させるために静止通信衛星で
使用されている電池から、南北方向に関する静止位置維
持（以下NSSKと呼ぶ）のためのイオン推進サブ・システ
ムに動力を供給すると言う考え方は、B.A.Free、「通信
衛星の電気的推進」COMSAT TM CL−４−80、COMSAT研
究所、1980年１月、によって最初に示唆された。その
後、NSSKを行うために、高比推力のイオン推進サブ・シ
ステムを装備することによって運ばねばならない大量の
化学推進薬の量が減り、通信衛星に対して実質的経済効
果が期待されることが、R.L.Poeschelによる、「通信衛
星のイオン推進」JASS SS/AIAA/DGLR、雑誌番号IEPC 84
−43、東京、日本、1994年５月、により明らかになっ
た。
以前開発されたイオン推進サブ・システムにおいては、
推進剤として水銀が使われたが、これは、その高い原子
質量によって3,000秒のオーダーで、非常に高い比推力
が得られるからである。然し、不活性ガスのキセノンは
水銀のそれに非常に近い性能を持つ一方推進剤の取扱い
が非常に単純化される。
スピン安定化衛星の場合、軸を外れた位置にNSSKのため
のスラスター又は複数のスラスターを設け、スラストの
スピン同期変調により、速度修正とスピン軸の姿勢修正
とを共に行うようにするのが好ましい。姿勢及び速度制
御のためにパルスをオン・オフし、オフ・アクシスの
（軸を外れた）化学スラスターを使用することについて
は、米国特許第3,758,051号、Williams、に記載されて
いる。衛星の静止動作中の姿勢維持に使用される通常の
制御技術であるオフ・パルス・スラスト変調（推進力を
増加したり、減少させたりすること）も、スピン軸から
離れた質量中心を持つデュアル・スピン衛星にとっては
重要で、これは、スピン周期の平均化されたスラストが
宇宙飛行体の質量中心を通るように差し向けられるから
である。
イオン推進スラスターのオフ・パルスによるスラスト変
調は化学的スラスターには無かった別の問題を持ってい
る。これらのスラスターは数分のオーダーでの大変なス
タート・アップ時間を必要とする。更に、プラズマ区域
への推進剤の流量の電気機械的変調は、正確な制御が難
しく又機械的バルブを繰り返し操作することは信頼性を
損なうので好ましくない。
本発明の目的 従って、本発明の第１の目的は、上述の問題点及び欠点
のない衛星推進システムを提供することである。
本発明の次の目的は、スラスト変調を行うことの出来る
静電イオン・スラスターを提供することである。
本発明の更に次の目的は、一定のビーム流量を持つ変調
スラスト型静電イオン・スラスターを提供することであ
る。
本発明の更に次の目的は、機械的バルブの繰り返し操作
を必要としない変調スラスト型静電イオン・スラスター
を提供することである。
本発明の更に次の目的は、変調スラスト型静電イオン・
スラスターの運転方法を提供することである。
本発明の更に次の目的は、スラスターからのゼロ・スラ
スト・レベルを必要とせず、宇宙飛行体の姿勢を制御す
るために、イオン・スラスターのスラストを変調する方
法を提供することである。
本発明の更に次の目的は、運転寿命の長いスピン安定化
衛星を提供することである。
本発明の更に次の目的は、NSSKのための変調スラスト型
静電イオン・スラスターを持ち、オフ・アクシスの質量
中心を持つスピン安定化衛星を提供することである。
本発明の概要 本発明は静電イオン・スラスターのスラスト変調、及
び、そのスピン安定化宇宙飛行体への利用に関する。変
調スラスト型静電イオン・スラスターが設けられ、その
質量中心が衛星のスピン軸から外れているスピン安定化
衛星の南北方向に関する静止位置維持及び姿勢制御を行
う。このことが、スピン周期のインテグラル・ナンバー
に対してイオン・スラスターを連続的に点火し、一方、
イオン・スラスターが置かれている衛星の回転部の各回
転の一時期においてイオン・スラスターのスラストの強
さを小さくすることによって達成される。ビームの流れ
をその基準値に保っている間、即ち、宇宙飛行体の電位
に対し２つの電極の電圧が相対的に変わるので、これら
電極の間の電圧差を一定に保っている間、スクリーン及
びアクセルの電極電圧を相補的に変調することによっ
て、このスラストは２つのゼロでないレベルの間で変え
られる。変調周期と変調振幅とが計算されて、スピン周
波数における所定のフーリエ成分のスラスト振幅と位相
とが得られる。
本発明のこれら及びその他の目的が、その特徴及び利点
と共に、以下の詳細な説明と共に参照符号を付けた添付
図を考慮した場合明らかになるであろう。
図面の簡単な説明 図１は本発明の静電イオン・スラスターを模式図的に示
す断面図、 図２は図１のイオン・スラスターへのパワー供給体の接
続状態を示す模式図、 図3aは本発明を用いたデュアル・スピン安定化宇宙飛行
体の斜視図、 図3bは宇宙飛行体の座標系を示す模式図、 図４は本発明にスラスト変調を与えるために用いられる
電圧変調波形を示すグラフ図、 図５は図４の電圧変調波形から得られるスラスト変調を
示すグラフ図、 図６はイオン・スラスター・システムを示す模式図であ
る。
発明の詳細な説明 図１はイオン・スラスター（ion thruster）10の模式
図的断面を示す。イオン・スラスター10は電子衝撃ソー
スを持つ静電イオン加速器である。電離室12は円筒形の
側壁11と後壁13とを含み、陰極14からの熱イオン電子に
よって発生するプラズマを収容するために設けられてい
る。この室の側壁11と後壁13とは、又、これに向かって
陰極14からの電子が加速される陽極としても機能する。
陰極14は陰極加熱器15に囲まれ、陰極保持部16の中に収
容されている。永久磁石リング18が電離室12の幾つかの
部分を囲んで配置されている。イオン抽出集合体20は、
室の後壁13及び陰極14に対し反対側の電離室12の端面に
位置している。このイオン抽出集合体20はスクリーン電
極22と、加速器即ちアクセル電極24と及び減速器即ちデ
クセル電極26とを含んでいる。推進燃料は好ましい実施
例においてはキセノン・ガスであるが、これがチャンバ
ー30を介してガス・マニホルド28によって電離室12に供
給され、一方、この推進燃料の一部が陰極14を介してマ
ニホルド28によって供給される。中和器集合体（neutra
lizer assembly）32は電離室12の近くに置かれ、これ
も又マニホルド28から少量のキセノン・ガスを受け取
る。中和器集合体32は中和器陰極34と中和器加熱器35と
及び中和器保持部36とを含んでいる。
イオン・スラスター10の電気的接続図が図２に模式図的
に示されている。ビーム電源40がアースと陰極14との間
に接続されている。ビーム電源40の出力電圧は可変で、
スラスター・パワー処理器42によって制御される。加速
器の電源44がアースと加速器電極24との間に接続され
て、電離室12の電圧レベルに対してマイナスの電圧をア
クセル電極24に送る。加速器電源44の出力電圧も又可変
で、スラスター・パワー処理器42によって制御される。
放電電源46がビーム電源40のプラス側と、陽極として機
能する側壁11と後壁13とを含む電離室11との間に接続さ
れている。従って、放電電源46は陰極14とこの陽極との
間に電位差を与える。陰極保持部の電源48が陰極14と、
陰極14に対してプラスの電圧を持つ陰極保持部16との間
に接続される。中和器保持部の電源50が中和器陰極34と
中和器保持部36との間に電圧差を与え、この中和器陰極
34がアースに繋がっている。加熱器電源（図示無し）が
陰極加熱器15と中和器陰極加熱器35とのために設けられ
ている。
スラスター10の運転を開始するために、電気的陰極加熱
器15及び35に電流が流され、電子放射を開始し、電圧が
陰極保持部16と中和器陰極保持部36との間に掛けられ
る。次に、キセノン・ガスがマニホルド28がら流され始
める。この場合、ガスがチャンバー30を通って電離室12
に流れ、又、このマニホルド28が陰極14と中和器集合体
32にも少量のガスを流す。キセノン・ガスが陰極14を通
過し、１つの陰極オリフィスから電離室12に電子を掃引
（sweep）する。この電子が、放電電源46によって発生
した電離室12と陰極14との間の電圧差によって、陽極の
側壁11及び後壁13に向かって加速される。主としてチャ
ンバー30を通って電離室に入ってきたキセノン・ガスの
イオン化が電子とニュートラルのガス分子との衝突によ
って起きる。電離室12の中でのイオン・パーセントは全
粒子母集団の約10〜15％である。陰極14からの熱イオン
電子は、電離室の側壁11と後壁13とに取付けられた永久
磁石のリング18によって形成された弱い磁場によって陽
極室の電離室12の中に閉じ込められる傾向がある。実施
例においては、これらの磁石はサマリウム・コバルトに
よって作られているが、磁場は別のタイプの永久磁石ま
たは電磁石によって作ることが出来る。かくして、主放
電プラズマが電離室12の中に出来上がる。
イオン抽出集合体20は実施例では三グリッド・システム
で、スクリーン・グリッド22と、アクセル・グリッド24
とデクセル・グリッド26とを含んでいる。プラスに荷電
したキセノンのイオンがスクリーン・グリッド22を通過
して、これら最初の２つのグリッドの間に作られた電場
によってマイナスに荷電したアクセル・グリッド24に向
かって加速される。この電場は、スクリーン・グリッド
22に繋がるビーム電源40と放電電源46と及びアクセル・
グリッド24に繋がる加速器電源44との組合わせによって
形成される電圧差の結果得られたものである。次に、イ
オンが、アース電位のデクセル・グリッド26とアクセル
・グリッド24との間の電位差によって減速される。各グ
リッドは、最小の拡散角度でイオンを宇宙に放出するよ
うに配列された複数のホール52を持っている。プラスに
荷電したイオンの流れが中和器集合体32から放射される
電子によって電気的に中和される。従って、イオン抽出
集合体20を介して加速されたイオンの流れによってスラ
スト（推進力）が発生する。
上述したごとく、南北方向に関する静止位置維持のため
に静止衛星にイオン・スラスターを使用することは、運
転寿命の延長を可能とする重量軽減のために非常に魅力
的である。図3aに示すごとく、スラスター10は、スピニ
ング・ローター72と、形として地球に向けることの出来
るデスピンしないペイロード・プラットホーム（despun
payload platform）74とを含むデュアル・スピン安定
化衛星（dual−spin stabilized satellite）70に使
用することが出来る。ローター72とプラットホーム74と
は、ローターのスピン軸76に平行な軸を持つデスパン・
ベヤリングによって結合されている。ペイロード条件の
ために、プラットホーム74をベアリング軸に対して静止
的にインバランスにして、衛星の質量中心がスピン軸76
からずれるようにすることが出来る。この静電イオン・
スラスター10はスピン軸76からオフセットしたローター
10に装着されており、軌道面に対して直角に向けられた
スピン軸76に平行なスラスト軸を持っている。
静止地球軌道にある宇宙飛行体にはその軌道を不安定に
する色々な力が掛かっており、その最大のものは太陽及
び月の引力で、北−南のドリフト（drift）を引き起こ
す軌道の傾斜を増加させる傾向がある。宇宙飛行体のド
リフトは、適当な軌道ノード（node）で適宜の時間間隔
でスラスターを点火することによって防ぐことが出来
る。従来の化学的又は電気化学的スラスターに対して
は、スピンの平均化されたスラストが飛行体の質量中心
を通るようにするために、又は、所要のトルクを掛ける
ことによって位置修正を行うために、オフ・アクシスの
スラスターをローターの各回転に対してオフ・パルス
（off−pulsed）することが出来る。然し、オフ・パル
シングは静電イオン・スラスターには適当でないと考え
られており、従って、効果的にオフ・パルスすることの
出来る化学的スラスターに依存し続けることになる。
本発明は、２つのゼロでないリミットの間でスラスト・
レベルを変調することによる、静電イオン・スラスター
のスラスト変調を提供する。このことが、図４に示すご
とく、排出速度を制御するイオン・ビーム電圧VBとアク
セル電圧VAとを相補的に変え、合計の加速電圧VTOT＝VB
＋|VA|が、従ってイオン・ビームの流量が一定になるよ
うにする、ことによって達成される。電圧の変動は、ス
クリーン及びアクセル・グリッドにランプ電圧（ramp
voltage）を与える公知のエレクトロニックスを用いる
スラスター・パワー処理器42によって制御される。与え
られたいかなる任務に対しても、この排出速度、従って
スラストを最適にし、イオン流量が、あたかもスラスタ
ーが軸線上に在り、質量中心を通って点火するごとくに
決定される。次に、上下のスラスター・レベルが、最適
排出速度のために決定された値の上下にビーム電圧（ネ
ットの加速電圧）を変えることによって、選択される。
この実施例に対しては、ビーム電圧が約＋750Vと＋300V
との間で変えられ、アクセル電圧が約−300Vと−750Vと
の間で変えられ、1050Vの一定の合計加速電圧VTOTが得
られる。これは一定のイオン流量を保つのに十分なもの
である。合計加速電圧に対するネットのＲ＝VB/V
TOTが、図５に示すごとく、定格・スラストに対する約
0.7と定格・スラストに対する0.3との間に保たれる。三
グリッド・イオン抽出集合体20を用いたスラスター10を
効率的且つ信頼性をもって運転するための、最小運転Ｒ
は約0.3である。
一般的に、スピン安定化衛星70の速度又は軌道傾斜を制
御するために、イオン・スラスター10が、適宜の軌道交
点（上昇又は下降のいずれか）上に中心を置くスピン周
期のインテグラル・ナンバー（integral number）だけ
点火され、スラスト・レベルが、上述したごとく、２つ
のゼロでないレベルの間でスピン同期的に変調される。
衛星の位置制御も同時に行われる。例として角張った波
として描かれている変調波形が図５に示されており、こ
こではランプ・タイム（ramp time）が強調して示され
ているが、シヌソイドの如きその他の波形を使用するこ
とも出来る。変調に対する第１の条件は、ほぼ一定のイ
オン・ビーム流量を保ちながら、作られる波形が、本発
明で達成することの出来る所定範囲のスラスト・レベル
に基づき選択された振幅及び位相を持つ、そのスピン周
波数における、第１のフーリエ成分を持つことである。
所望の方向への意図的ノン・ゼロ・プレセッション（pr
ecession）は、例えばピーク・ツー・ピークの振幅、デ
ューティー・サイクル及び位相のごとき変調波形のパラ
メータを変えることによって行うことが出来る。参照符
号１及び２で示す２つのプラットホームの直交軸の回り
で得られるネットのトルク・インパルスh1及びh2は、変
調波形のスピン周波数成分の振幅及び位相に直接関係す
る。これらの所定のネット・トルク・インパルス及び飛
行体の全角運動量Ｈに対して、姿勢プレセッションは、
小いさな角度に対する軸１及び２についてそれぞれ−h2
/H及びh1/Hである。
図3bは、ローター72と、ペイロード一定の座標系に突出
したスラスター10を示す模式図である。スピン軸からｒ
だけオフセットした質量中心を持つ宇宙飛行体のスピン
軸から距離Ｒに位置する一軸スラスターに対しては、ス
ラストのスピン同期変調によって、各スピン周期ごとの
規定されたネット・トルク・インパルスが作り出され
る。説明のために、スピン軸に中心を置くペイロード座
標フレームが用いられ、飛行体の質量中心のオフセット
量が単純にマイナス２の軸方向にあるようにしている。
その時のスラストＦがフーリエ成分の式で表される。即
ち、 ここで、θはペイロード１軸から、ペイロード１−２面
の中のスラスターの位置ベクトルの投影線に至る角度で
ある。得られる１軸のモーメントを積分すると、M1＝
（Rsinθ＋ｒ）Ｆ及び２軸のモーメントは、M2＝（Rcos
θ）Ｆ、１スピン周期に対して、Ｔ＝２π／ωｓ、得ら
れる１及び２軸のトルク・インパルスは、それぞれ、 ゼロ・ネット・トルク・インパルスの条件、又はプレセ
ッションは従って、 Fs1＝−（2r/R）F0、及び、 Fc1＝０ この条件に合う振幅±ｙを持つ方形波変調のためには、
Fs1＝−4y/π、従って、ｙ＝（πr/2R）F0、ここでF0は
平均スラストで、F0＋ｙはアッパー・スラスト値で、ロ
ワー・スラスト値はF0−ｙである。図４及び５に示すご
とく、各周期の低スラスト部分の持続時間を調節するこ
とによって、ロワー低スラスト・レベル以外同じアッパ
ー・スラストで同じ結果を得ることが出来る。この場
合、定格値に対するロワー・スラストの持続時間及び波
形位相を変えて、ノン・ゼロ・トルク・インパルスh1又
はh2を得る、従って、任意の方向における姿勢修正を行
う、ことが出来る。
図６は本発明を実施する場合のイオン・スラスターの制
御手順を示す模式図である。姿勢センサー80は幾つかの
公知の技術を使って、宇宙飛行体の姿勢を感知する。相
対角度センサー82はローター72及びプラットホーム74の
相対位置を感知する。これらのセンサーからの情報が姿
勢制御プロセッサー84に入力され、これが、現在の宇宙
飛行体の姿勢を決定し、所望の姿勢にするために適当な
変調波形を作り出す。出来た波形は、相対角度センサー
82の出力に基づく、スラスター点火デューティー・サイ
クルと所望の位相とを持っている。この波形がイオン・
パワー・プロセッサー42に与えられ、これが、図２に示
すごとく、ビーム電源40からのビーム電圧VB、及び加速
器電源44からのアクセル電圧VAを制御する。ビーム及び
アクセル電圧の変調によって、これに対応するイオン・
スラスター10からのスラストを変調する。次に、スラス
ター10の点火が、箱書き86で表されている宇宙飛行体の
ダイナミックスに影響を与え、次に、これが、姿勢セン
サー80及び相対角度センサー82に感知される。
以上本発明を１つの実施例に基づいて説明したが、当該
技術者は本発明の思想及び範囲から逸脱すること無く幾
多の修正、変更、変形、差替え、等に気付くであろう。
従って、本発明は添付した請求項によってのみ限定され
るものである。
フロントページの続き (72)発明者 パエシエル，ロバート・エル アメリカ合衆国 カリフオルニア州 91360，サウザンド・オークス，カレ・コ ラド 935

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】スラスト変調型静電イオン・スラスターで
    あって、 ガス状推進剤を供給する手段と； プラズマを発生させるために上記推進剤を電離する手段
    と； 上記プラズマを収容する容器手段と； 上記プラズマからプラスに荷電したイオンのビームを抽
    出するためのイオン抽出集合体であって、上記抽出集合
    体がスクリーン電極とアクセル電極とを含み、上記スク
    リーン電極が上記アクセル電極と上記プラズマとの間に
    置かれているイオン抽出集合体と； 上記スクリーン電極及び上記アクセル電極の電圧電位の
    相補的変調を行い、実質的に一定の電位差をその間に保
    つごとくにする電圧制御手段と；を含み、 上記イオン・スラスターからのスラストが変調される
    前、比較的一定のイオン・ビームの流れが保たれるごと
    くにする、スラスト変調型静電イオン・スラスター。
  2. 【請求項２】上記スクリーン電極が上記容器手段と同じ
    電位に保たれ、上記電位が約＋300ボルトから750ボルト
    の範囲内にあり、この場合、上記アクセル電極の電位が
    約−750ボルトから−300ボルトの範囲内に保たれ、上記
    スクリーン電極と上記アクセル電極との間の上記一定の
    電位差が約＋1050ボルトになるごとくにする、請求項１
    記載のスラスター。
  3. 【請求項３】上記イオン抽出集合体が、更に、上記スク
    リーン電極から見て、上記アクセル電極の反対側に位置
    するデクセル電極を含む、請求項１記載のスラスター。
  4. 【請求項４】上記イオン抽出集合体の各電極が複数のホ
    ールを持つグリッド電極であり、隣接するグリッドの対
    応するホール同士の間にビームの通路が一列に整列する
    ごとくにした、請求項３記載のスラスター。
  5. 【請求項５】スクリーン電極とアクセル電極とを持つイ
    オン抽出集合体を含む静電イオン・スラスターの運転方
    法において、上記方法が： ガス状推進剤の比較的一定な流れを電離室に送り； 上記ガス状推進剤を電離し、プラスに荷電したイオンと
    マイナスに荷電した電子とを発生させ； 上記スクリーン電極上にプラス電圧を、上記アクセル電
    極上にマイナス電圧を保つことによって、上記イオン抽
    出集合体からプラスに荷電したイオンのビームを抽出
    し； 上記スクリーン及びアクセル電極の電圧を所定の範囲の
    中で変調し、一方、上記電極間の電位差を実質的に一定
    に保つごとくにする； 手順を含み、 これにより、イオン・ビームの流れを実質的に一定に保
    ちながら、スラスト変調が行われる、静電イオン・スラ
    スターの運転方法。
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