(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーの推進剤への伝達が電極間の推進剤を介する電流路の形成を必要とする形態の２つ又はそれ以上の推進装置、前記複数の推進装置の内の何れの推進装置が作動されるかに関わらずに前記複数の推進装置の電極に同時に電位を付勢することのできる一つの電源、及びバルブの開放及び閉鎖を制御するためのスイッチであり、一時に前記複数の推進装置の内一つのみの推進装置のバルブを開放して前記一つのみの推進装置に推進剤を供給して、この推進剤を介して電流が流れて、推進力が発生することを可能とし且つ前記一時に前記複数の推進装置の内の他の推進装置のバルブを閉鎖してこの他の推進装置には推進剤を供給せず、前記一つのみの推進装置及び前記他の推進装置の両方の電極に電位が付勢されている状態で、前記推進剤を介して電流が流れることを禁止して、推進力が発生することを不可能とする前記スイッチを備える推進システム。
【請求項２】
前記推進装置がイオン推進装置である請求項１記載の推進システム。
【請求項３】
前記推進装置がアークジェットである請求項１記載の推進システム。
【請求項４】
前記推進装置がプラズマエンジンである請求項１記載の推進システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、宇宙飛翔体用推進システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、宇宙飛翔体を打ち上げるのには不都合な、重量に対して比較的低い推進力を発生する形態の推進システム、換言すると、軌道周回宇宙船の位置及び／又は姿勢、及び／又は軌道修正に適する形態の推進システムに特に適用可能である。この目的のためには、低い絶対推進力を発生する比較的高い比推力（この値は、所定の質量の推進剤から発生することのできる推進力の指標を与える）の推進システムの特徴を利用することができる。この様な推進システムには、エネルギーを推進剤に伝達して推進剤の比推力を増大するために、電力を使用する形態のものも含まれる。この様な推進装置として典型的なものは、イオンエンジン、アークジェット及びプラズマエンジンである。イオン推進装置おいては、適当な電位を有する整列したグリッド間の静電的引力によって、イオンが推進装置から加速される。アークジェットにおいては、噴出速度は、推進剤を通過してアークを発生することにより推進剤を加熱することにより増大される。プラズマエンジンにおいては、電磁プラズマ推進体及び静的プラズマ推進体を含んでおり、イオン化された推進剤は、強力な磁場によって加速される。
【０００３】
軌道周回宇宙飛翔体の位置に対してなされるべき調節の一例は、地球静止軌道衛星、即ち、地球（図１）から約２２，３００マイルの半径の赤道軌道内の衛星に関係する。軌道Ｓの面は、楕円Ｅの面、即ち、太陽の回りの地球の軌道に対して傾いている（地球の軸はその軌道の面に対して傾いている。）。軌道は、太陽、月及び惑星の重力によって摂動を受け、地球から見て宇宙飛翔体を必要とされる固定立体角内に維持するために、周期的に東−西、及びより頻繁に北−南補正を宇宙飛翔体に与えることが必要であることがわかる。この様ないわゆる北−南位置保持に対しては、一対の推進装置を、両方北面、両方南面、又は一つを北面一つを南面に設けることが好都合である。推進装置が宇宙飛翔体の重心を横切って作動しない構成において、宇宙飛翔体にスピンを生じることになる宇宙飛翔体の重心の回りにモーメントが生じることを避けるために、両方の推進装置が同時に発火する必要がある。推進装置が宇宙飛翔体の重心を横切って作動する他の構成（図３）においては、スピンは発生しないが、複数の推進装置が宇宙飛翔体の軌道上の間隔をおいた点で作動して、宇宙飛翔体に与えられる不所望の東−西成分を相殺する。図１から北−南修正が矢印の方向に付与される必要があるのが分かる。この北−南方向は、図２内に示される宇宙飛翔体上に示されている。推進力Ｔは宇宙飛翔体の重心ＣＧを通過して推進力を発生する。推進装置の一つにバーストが発生すると、北成分が発生されるが、半径成分も発生される。後者の成分の形成は、宇宙飛翔体の軌道内の反対の位置で、南方向の推進力Ｔを作動することにより補償することができる。
【０００４】
全ての場合において、各推進力は、推進剤ガス又は蒸気を電流伝達回路の部分として使用することにより、推進剤へ電気的エキルギーを伝送するためのそれ自身の電源を組み入れている。本発明は、エネルギーの推進剤への伝達が電極間の推進剤を介する電流路の形成を必要とする形態の２つ又はそれ以上の推進装置、前記複数の推進装置の電極を同時に付勢することのできる一つの電源、及び一時に一つのみの推進装置に推進剤を供給するためのスイッチであり、この推進剤を介して電流が流れて、推進力が発生することを可能とする前記スイッチを備える宇宙飛翔体用推進システムを提供する。
【０００５】
推進剤が供給されない推進装置では推進剤を介して電流を引き出すことは出来ない。従って、推進剤の流れを止めるのに加えて、推進装置のその間を電流が流れる電極を切り換える必要がない。これらの電極は高電圧とすることができ、従って、切り換えた場合にスイッチ接点が破損する危険が存在する。これは、単一の電源で両方又は全ての推進装置に電力を与え、宇宙飛翔体の重量を著しく減少することを可能にする。推進装置は連続作動を可能とする構成とすることが可能である。
【０００６】
スイッチは、推進装置への推進剤供給ラインにおけるバルブを作動する様に構成することができる。本発明に従って構成される宇宙飛翔体の推進システムは、添付図面を参照して実施例により記述される。図３に示される宇宙飛翔体は図２に示される宇宙飛翔体と同様に構成された推進装置Ｔ１、Ｔ２を有しており、推進力が宇宙飛翔体の重心を通して作用する。宇宙飛翔体においては、単一箇所の故障が宇宙飛翔体全体の故障をもたらす危険を最小限にするために、システムを二重にすることは、常套手段であり、この為に、宇宙飛翔体の重心を通して作用する冗長推進装置Ｔ３及びＴ４が設けられている。後者の推進体は、メインの推進装置Ｔ１、Ｔ２の一方又は両方が故障しない場合は、作動しない。
【０００７】
推進装置Ｔ１乃至Ｔ４には、各バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３及びＶ４を介して推進剤のタンク１から推進剤が供給される。バルブＶ１及びＶ２は、電源ＰＳＵ１によって制御されるスイッチＳ１によって作動される。この電源は、推進装置Ｔ１及びＴ２、なかでも推進装置の電極に電源を与えるためのものである。冗長の推進装置Ｔ３及びＴ４は冗長電源２によって電力供給され、この電源は冗長推進装置のバルブＶ３、Ｖ４を制御するために制御スイッチＳ３を制御する。作動中、スイッチＳ１の切り換えにより、推進装置Ｔ１又はＴ２に電力を与えるために、或る時刻にバルブＶ１又はＶ２の何れかのみを開放する。同じことが冗長推進装置Ｔ３及びＴ４が作動する場合にも当てはまる。従来の宇宙船は４つの推進装置の各々に対して専用電源を有しており、宇宙飛翔体の重量が大幅に増大し、ペイロードが減少していた。
【０００８】
推進装置Ｔ１乃至Ｔ４は、図５により詳細に記述されている様に、推進力を発生するための加速された推進剤イオンの噴出に基づくイオン推進装置であり、一つの分離電源によるアークジェット推進装置、又は他の電気的付勢推進装置とすることができる。アークジェットは図４を参照してより詳細に記述される。この場合、推進剤噴出速度は、２つの電極間のアークによる推進剤ガスの加熱によって増大される（イオン化の促進が推進力の増大を意味するイオン推進装置と異なり、アークジェットのイオン化は、推進剤の加熱を引き起こす電流の流れを必要とし、イオン化の促進はより電力を必要とし、損失であり、推進力に比例した増大をもたらさないので、最小に留められるべきである。）。全ての場合、推進装置は推進剤を通して電流が流れない場合、作動しない。電極をオンオフに切り換えるのは不都合であり、電極間に大きな電位差が存在し、スイッチングする接点の損傷が生じることがあるので、関係する推進装置への推進剤の流れを停止することのみが必要である。これは、電流はイオン化推進剤を介して流れており、電極が推進剤の存在無しに通常の電位で付勢される時は、（漏れ通路を介して流れる無視し得る電流を除いて）電流が電極から流れないためである。従って、一つの推進装置が作動状態になる時、全ての推進体の電極は付勢され、即ち帯電される。電力を得、推進力を発生する推進体は推進剤を受け入れるものである。しかしながら、陰極ヒータ及び電磁石の様な純抵抗性負荷への電源をオンオフ切り換えすることが望ましいことが理解できる。低電圧源の場合、接触破壊の危険は最小になる。
【０００９】
推進剤としては、液体の形態で保存することができるキセノン、アルゴン又はクリプトンとすることができ、加熱すると蒸発するセシウム又は水銀の様な固体とすることができる。図４は、図３の構成で使用するのに好適なアークジェット推進装置とすることができる。
【００１０】
アークジェットには、パイプ５からバルブ２へヒドラジン(N2H4)が供給され、これは、インジェクター６を介して触媒ベット３に供給される。ヒドラジンは触媒ベットと接触してアンモニア、窒素及び水素に分解し、このガスはノズル４を介して噴出する。噴出ガスの速度を増大し、推進装置の比推力を増大するために、ヒドラジンが、電極７とインジェクター６の本体との間でアークを発生する程度の電位が供給される電極７によってヒドラジンがインジェクター６内で加熱される。アークジェットをオン−オフに切り換えるためには、バルブ２をオン−オフに切り換えることのみが必要であり、電極６、７への電力供給を切り換える必要はない。これは、電流は、電極間にガス流がない場合は、電流を電極から引き出すことが出来ないためである。ヒドラジンとは別の推進剤を使用することができる。
【００１１】
図５は、イオン推進装置の場合に対する図３に示される構成の例を詳細に示している。イオン推進装置の一般的な構成は、既知であり、例えば英国特許出願No. 2,248,727 に記述されているので詳細には記述されない。簡単に述べると、イオン推進装置Ｔ１は、放電室８を備えており、この放電室には推進剤が、バルブ１０を介し、更にバルブ１１、１２及び１３を介して供給され、メイン推進剤の流れ、陰極推進剤の流れ、及び中和推進剤の流れが形成される。アークは、ホロー陰極１３及び陰極キーパー１４の間に電位差を与えることによりイオン推進装置内で始めに発生され、電子が電磁石１６、１７によって発生された磁場を介して環状陽極１５へ流れる。この電磁石は、電子がラセン経路を形成し、開口１８を通過するメインの推進剤の流れと衝突して、メインのイオンビームを与える確率を増大する。このイオンビームは放電室８ａの多孔端を通過し、そして多孔加速グリット１９を通過する。このグリッドは、イオンビームを加速して、推進装置に推進力を与えるために、放電室に対して強く負に維持されている。加速グリッド１９はイオンビームが広がらないことを保証し、したがって、電子が推進装置で加速されていないことを防止している。推進装置から出現する結果として得られる正イオンビームは、バルブ１３及びホロー陰極２０を介する別の推進剤の流れによって中和される。アークは中空陰極２０及び陰極キーパー２１との間ので生じ、電子流が発生される。
【００１２】
電源ＰＳＵ１は、負の加速グリッド２２、ビーム電源２３、陰極ヒータ２４、陰極キーパー電源２５、陽極電源２６、ソレノイド電源２７、中和器陰極ヒータ２８、及び中和器キーパー電源２９の様な、多数の電極用電源を有している。３つの推進剤の全てが、制御バルブ１１乃至１３にそれぞれ作用する制御手段３０乃至３２によって制御される。
【００１３】
電源１は推進体Ｔ２にも同様に電力を供給し、電源ＰＳＵ１の左にも同じ制御回路が設けられているが、加速グリッド電源２２ａ及びビーム電源２３ａのみが示されている。推進装置Ｔ１作動中に、それを停止することか望まれる時、接点Ｓ５を開放し、バルブ１０を閉じることのみが単に必要となる。イオン化されるべき推進剤が推進体内に存在しなく、環状陽極１５への電子流が存在しないので、推進体Ｔ１は、大きなビーム電流を引き出すことを停止する。それにもかかわらず、小さな電流が、陰極ヒータ電源２４、中和器陰極ヒータ電源２８、及び電磁石１７及び１８を介して電源２７から引き出され、このために、別のスイッチＳ４、Ｓ６及びＳ７が、電源を同様にオフに切り換えるために与えられる。スイッチＳ４乃至Ｓ７は、同時に操作される様に一体化するのが都合がよい。加速器グリッド電源、ビーム電源、アノード電源及び陰極キーパー電源は、電流がそれらから流れ出さないので、接続されたままであることが理解される。同じＰＳＵ１が電力を推進体Ｔ２にも供給する。しかしながら、ヒータ、電磁石及び推進剤バルブ１０ａは、スイッチＳ４乃至Ｓ７と同等のスイッチを介してオフに切り換えることができる。この推進体はスイッチが閉じることにより作動する。電源ＰＳＵ１は、宇宙船の太陽電池パネルによって、又は太陽電池パネルによって充電された搭載電池によって供給することができる。ＰＳＵ１内に与えられる種々の電圧が、スイッチモード電力変換器によって、好都合に与えられる。
【００１４】
もちろん、イオン推進装置は一般に専用電源を有している。２つの推進装置に単一電源を使用することは、非理想的な電位を与えることになる。電源は、従って説明された３つの推進剤の流れ、電磁石電流調整、及び陽極電流調整に対応する制御ループ手段によって、推進装置の能動的な制御を含んでいる。一定の推進力を得るためには、ビーム電源２３から一定のビーム電流が達成されるべである。これは、制御手段３０により引例の抵抗器を流れる電流を監視し、制御バルブ１１によって推進剤の流れを変化し、及び／又は電源２７を調整することにより電磁石電流を変換することにより達成される。陽極電源２６（一定電流）及び陰極キーパー電源２５（一定電流）間の電位差は、最適に推進剤を使用するために、制御手段３１及び制御バルブ１２を介して陰極推進剤の流れを調節することにより、固定した状態に維持される。中和器キーパー２１及び中和器陰極２０との間の電位差は、一定の電流モードにある中和器キーパー電源２９によって引き起こされ、一定に保持され、固定された中和器プラズマ状態を維持する。この際、中和剤の消費を最小にし、制御手段３２及び制御バルブ１３を介して中和陰極推進剤の流速を制御することにより中和剤の寿命を最適にする。能動的な制御ループの使用の代わりに、使用されている推進装置に従って２つ（又はこれ以上）の目標値間で切り替わる様に、電源出力を設定することにより２つの推進装置を作動することが可能となる。
【００１５】
東−西位置を保持するための推進装置、例えばＴ５、Ｔ６は電源ＰＡＵ１から供給することができる。推進装置Ｔ１、Ｔ２、Ｔ５、Ｔ６の一つだけにある時刻に電力が加えられるべきであることが必要である。所望の場合、しかしながら、スイッチＳ４、Ｓ６及びＳ７は除去することができ、これらの電源への接続は、恒久的にされている。これは、これらの電源からの流れ出る電流は、実際には小さいからである。
【００１６】
上述した様に、本発明は、イオン化された推進剤が強力な磁場によって加速され、且つ上述された推進装置の能動的な制御が使用されるか、又は２以上の推進装置の目標値動作が一つの電源から可能となる構成に対しても使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、宇宙船の軌道を、正しい縮尺ではなく示す概略図、
【図２】推進体の一般的な構成を示す宇宙船の概略図、
【図３】本発明に従う推進システムを組み込む宇宙船の一つの形態を示す図、
【図４】シークジェット推進体の概略図、
【図５】２つのイオン推進体の電極に電力を与えるための回路の概略図。
【符号の説明】
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４  推進装置
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４  バルブ
Ｓ１、Ｓ３  スイッチ
１  タンク
ＰＳＵ１、ＰＳＵ２  電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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