(57)【要約】      （修正有）【課題】２つの電力制御装置、４つのイオンスラスタおよび２つのスイッチアセンブリを備える、グリッド付きイオン推進システムを提供する。【解決手段】一方のスイッチアセンブリＲＳＡ  Ａは、２つの電力制御装置ＸＰＣ１、ＸＰＣ２および４つのイオンスラスタのうちの２つ１、２に接続される。他方のスイッチアセンブリＲＳＡ  Ｂは、２つの電力制御装置ＸＰＣ１、ＸＰＣ２および他の２つのイオンスラスタ３、４に接続される。各スイッチアセンブリは、どちらの電力制御装置でも４つのイオンスラスタのうちの任意のイオンスラスタに電力を供給できるように選択され得る、第１の切替え状態および第２の切替え状態を有する。各スイッチアセンブリは、移動可能主要部、および移動可能主要部の位置が変わると一斉に状態を変える多数のスイッチを備える。例えば、移動可能主要部は、ステッパモータによって駆動される回転可能な中空シャフトであってもよい。【選択図】図４
2014101881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電力制御装置および第２の電力制御装置と、第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタと、少なくとも第１の切替え状態および第２の切替え状態を有する第１のスイッチアセンブリとを備えるイオン推進システムであって、前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置がオンの場合、前記第１のイオンスラスタおよび前記第２のイオンスラスタは、前記第１のスイッチアセンブリが前記第１の切替え状態にあるとき前記第１のスイッチアセンブリを介して前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置からそれぞれ電力を受け、前記第１のスイッチアセンブリが前記第２の切替え状態にあるとき前記第１のスイッチアセンブリを介して前記第２の電力制御装置および前記第１の電力制御装置からそれぞれ電力を受け、前記第１のスイッチアセンブリが、移動可能な第１の主要部および前記第１の主要部の位置が変わると一斉に状態を変える第１の多数のスイッチを備え、前記第１のスイッチアセンブリが、前記第１の主要部が第１の位置にあるとき前記第１の切替え状態になり前記第１の主要部が第２の位置にあるとき前記第２の切替え状態になる、イオン推進システム。
【請求項２】
前記第１の主要部が、回転可能な中央シャフトを備え、前記第１の位置および前記第２の位置が、前記中央シャフトのそれぞれ第１の角度位置および第２の角度位置である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記中央シャフトに動作可能に結合され、前記中央シャフトの角度位置を変える、ステッパモータをさらに備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ステッパモータをステップ単位で回転させるパルス列を送り、かつステップ単位で回転させる機能を実施するのに前記ステッパモータが必要とする電力を供給するようにプログラムされる、コンピュータシステムをさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記コンピュータシステムが、さらに、前記第１のイオンスラスタまたは前記第２のイオンスラスタの動作を安定させておくために、前記第１の電力制御装置または前記第２の電力制御装置によってもたらされる電力供給を選択的にオン／オフするようにプログラムされる、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１のスイッチアセンブリが、前記中央シャフトに取り付けられる複数のコンタクトディスクと、多数のブラシとをさらに備え、３つのブラシからなるそれぞれの組が、各コンタクトディスクのそれぞれの外面と接触し、各外面が、導電性コンタクトセグメントおよび非導電性セグメントを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１のスイッチアセンブリが、前記中央シャフトに取り付けられる複数のコンタクトディスクと、多数のブラシとをさらに備え、４つのブラシからなるそれぞれの組が、各コンタクトディスクのそれぞれの外面と接触し、各外面が、１対の導電性コンタクトセグメントおよび１対の非導電性セグメントを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１のイオンスラスタおよび前記第２のイオンスラスタが、前記第１の主要部が第３の位置にあるとき前記第１のスイッチアセンブリによって前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置から電気的に遮断される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１の主要部が、回転可能な中央シャフトを備え、前記第１の位置、前記第２の位置および前記第３の位置が、前記中央シャフトのそれぞれ第１の角度位置、第２の角度位置および第３の角度位置である、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
第３のイオンスラスタおよび第４のイオンスラスタと、少なくとも第１の切替え状態および第２の切替え状態を有する第２のスイッチアセンブリをさらに備え、前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置がオンの場合、前記第３のイオンスラスタおよび前記第４のイオンスラスタは、前記第２のスイッチアセンブリが前記第１の切替え状態にあるとき前記第２のスイッチアセンブリを介して前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置からそれぞれ電力を受け、前記第２のスイッチアセンブリが前記第２の切替え状態にあるとき前記第２のスイッチアセンブリを介して前記第２の電力制御装置および前記第１の電力制御装置からそれぞれ電力を受け、前記第２のスイッチアセンブリが、移動可能な第２の主要部および前記第２の主要部の位置が変わると一斉に状態を変える第２の多数のスイッチを備え、前記第２のスイッチアセンブリは、前記第２の主要部が第１の位置にあるとき前記第１の切替え状態になり前記第２の主要部が第２の位置にあるとき前記第２の切替え状態になる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
衛星に搭載されている、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置のうちの選択された１つから第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタのうちの選択された１つに電力を供給する方法であって、
（ａ）前記第１のイオンスラスタおよび前記第２のイオンスラスタと前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置をスイッチアセンブリに接続することであって、前記スイッチアセンブリが、移動可能な主要部および多数のスイッチを備え、前記多数のスイッチは、前記主要部の位置が前記スイッチによって前記第１のイオンスラスタおよび前記第２のイオンスラスタのうちの前記選択された１つが前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置のうちの前記選択された１つに接続されない第１の位置から、前記第１のイオンスラスタおよび前記第２のイオンスラスタのうちの前記選択された１つが前記スイッチによって前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置のうちの前記選択された１つに接続される第２の位置へ変わると一斉に状態を変える、接続することと、
（ｂ）前記主要部の位置を、前記第１の位置から前記第２の位置に変えることと、
（ｃ）前記主要部が前記第２の位置にある間、前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置のうちの前記選択された１つをオンにすることと
を含む、方法。
【請求項１２】
前記主要部が、回転可能な中央シャフトを備え、前記第１の位置および前記第２の位置が、前記中央シャフトのそれぞれ第１の角度位置および第２の角度位置である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
ステップ（ｂ）が、前記主要部に動作可能に結合されるステッパモータをステップ単位で回転させることを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置のそれぞれが、それぞれの電源バスと、前記それぞれの下部電源バスに接続されるそれぞれのツェナーダイオードとを備え、前記ツェナーダイオードによって前記それぞれの下部電源バスが宇宙船の電位に対して負にフロート可能になり、電子流にイオンビームを均等化させる電位が達成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１のスラスタおよび前記第２のスラスタのそれぞれが、それぞれの放電アノードとそれぞれの放電カソードとを備え、前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置のそれぞれが、放電電源、放電キーパ電源、放電ヒータ電源およびスクリーングリッドを放電電子源に関連付けるそれぞれの電源バスを備え、前記放電電源が、前記それぞれの放電アノードに結合されてイオン化力を燃料にもたらし、スクリーン電源が、前記それぞれの放電カソードに結合されてメインビームを駆動させる、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、イオンスラスタアレイの動作を最適化する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン推進は、一般的に、荷電グリッドを横切るように電気的に加速されるイオン化ガスを用いて、推力を向上させることを含む。電気的に加速された粒子は、超高速に達することができる。使用されるガスは、一般的に、キセノンなどの希ガスである。従来の化学推進システムに勝るイオン推進システムの第１の利点は、効率が非常に高いことである。例えば、燃料の量が同じ場合、イオン推進システムは、化学推進システムの場合に得られる最終速度よりも１０倍も速い最終速度に達することができる。イオン推進システムは、効率的であるが、化学推進システムと比較すると推力が非常に低い。この事実によって、イオン推進の適用範囲が限定されてしまう。しかし、イオン推進は、低い推力がしばしば許容でき燃料効率が不可欠である宇宙応用にはよく適している。衛星ならびに探査車両を含む多くの宇宙船には、イオン推進システムが使用されている。
【０００３】
例えば、通信衛星などの宇宙船では、今日、ステーションキーピングおよび他の機能によくイオン推進が用いられている。イオンスラスタは、衛星の太陽電池によって生成される電力を用いて推力を生成するようにエネルギを推進体に供給する。典型的な衛星のイオンスラスタでは、推力は、推力チャンバの一端部にある一連のグリッド電極を通って陽イオンを加速することによって生成される。イオン抽出アセンブリとして知られる電極は、何千もの小さなビームからなる推力を生成する。ビームは、外部にある電子を放出する中和装置によって、スラスタに電気的に引き戻されないようにされる。電力制御装置は、放電カソードおよび中和装置カソードの放出電流の制御を含む電気的制御を行い、イオンスラスタを駆動させる電力を供給する働きをする装置である。
【０００４】
ステーションキーピングおよび衛星の軌道の移行のために推力を生成するのにキセノンイオン推進システム（ＸＩＰＳ）を使用することは既知である。ＸＩＰＳは、太陽からの電気および作動ガスを使用して、荷電イオンを加速することにより推進力をもたらす。過去の衛星は、（２対）４つのイオンスラスタを使用し、４つの別個の電力処理ユニット（ＰＰＵ）を有しており、したがって４つすべてのスラスタが同時にオンにされ得るようになっていた。したがって、イオンスラスタアレイを駆動するのに必要な質量が著しく増加する結果となっていた。
【０００５】
米国特許第６、９４８、３０５号には、質量が減少した電力処理システムを備えたＸＩＰＳが開示されている。この電力処理システムによって、電圧調整電源がイオンスラスタの特定の要素に共通であるので、単一のＰＰＵがアレイになった複数のイオンスラスタに電力を供給できるようになった。（電流調整電源は、所望の制御電流をアノード、キーパおよびヒータに供給する個別の出力を有する。）この手法の利点は、電圧調整電源の質量を節約すること、およびパッケージング全体の質量を著しく減少させることである。
【０００６】
さらに、衛星に２つの冗長サブシステムを設置することが知られている。各サブシステムは、２つのイオンスラスタに接続される１つのＰＰＵを含む。２つのサブシステムは、完全に独立しているが、例えば、一方のサブシステムのスラスタに問題があり、他方のサブシステムのＰＰＵに問題がある場合、両方のサブシステムが動作不能状態になることがある。この問題を解決するために、ＸＩＰＳ中継ユニット（ＸＲＵ）がイオンスラスタとＰＰＵの間に加えられた。このＸＲＵによって、他方の冗長サブシステムのイオンスラスタおよびＰＰＵが使用可能になった。その結果、どちらのＰＰＵでも４つのイオンスラスタのうちの任意のイオンスラスタに点火できるようになった。ＸＲＵの追加によって、動作中のサブシステムを維持しながら、ＰＰＵおよびスラスタにおける多重故障に対処可能になった。宇宙船の制御を維持するのに必要なのは、１つのスラスタからの推力だけであった。各ＸＲＵは、中継駆動回路によって動作する中継バンクから構成された。イオンスラスタとＰＰＵは、最大の冗長をもたらすように接続された。
【０００７】
既知のＸＲＵ設計では、切替え機能を実施するのに、最大３６個までの中継器が用いられていた。ＸＲＵは、寸法が大きく、３６個の切替え要素は、個別の１８個の回路を切り替えるのにすべてが一緒に動作しなければならなかった。中継器を使用したＸＲＵでは、スラスタのどちらかの対を遮断できる機能はなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６、９４８、３０５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非常に軽量で、エンベロープがより小さく、ＸＲＵよりも費用が安く、スラスタのどちらかの対を遮断できる、より信頼性の高い切替え機能が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
２つのＸＩＰＳ電力制御装置（ＸＰＣ）、２つのロータリスイッチアセンブリ（ＲＳＡ）および４つのイオンスラスタを有する、グリッド付き（ｇｒｉｄｄｅｄ）イオン推進システムが開示される。ＲＳＡおよびＸＰＣを適切に構成すれば、どちらのＸＰＣでも４つのイオンスラスタのどれにでも点火することができるようになる。換言すると、このシステムによってどちらのＸＰＣでも任意のスラスタに点火できるようになる。ステーションにおいて、一度に点火されるスラスタが１つだけで済むときに、これが行われる。しかし、衛星の適切な動作に２つのスラスタが同時に点火される必要がある場合、開示されるシステムによって、２つのＸＰＣの両方が、例えば回転可能な中空シャフト（すなわちドラム）である単一の移動可能主要部を使用して４つのイオンスラスタのうちの任意の２つに点火することができる。システムは、どの２つのスラスタに点火するかを選び、次いで、ＲＳＡおよびＸＰＣを適切に構成することによりどのＸＰＣがどのスラスタに点火するかを決定することができる。１つのＸＰＣは、一度に１つのスラスタだけしか動作させることができない。したがって、２つのスラスタが同時に点火されるべきときはいつも、両方のＸＰＣを使用しなければならない。
【００１１】
一実施形態によれば、上述の切替え機能は、どのイオンスラスタがどのＸＰＣによって点火されるかを選択するように中継するのではなく、ロータリスイッチ（または以下に説明するような他のタイプのスイッチ）を用いたシステムによって実行される。特高電圧で信頼性が高いロータリスイッチをＸＰＣとイオンスラスタの間に使用することによって、衛星にある２つのＸＰＣの両方が４つのスラスタのうちの任意のものに点火可能になる。様々な実施形態によれば、各ロータリスイッチは、１８個の回路すべての切替えに、共通する１つの切替え要素、すなわち単一のロータを用いる。それらのすべてが切り換わるか切り替わらないかのどちらかであるので、切替え機能の信頼性がより高くなる。さらに、各ロータリスイッチの設計は、実績のある信頼性の高いロータとブラシのアセンブリを使用することによってコンパクトになり得る。さらに、ロータリスイッチの概念により、スラスタが遮断され得るようになり、動作のフレキシビリティが増す。１対のＲＳＡがあることによって、ＸＰＣとイオンスラスタの両方における多重故障にも対処可能になる。宇宙船制御装置の維持に必要なのは、１つのイオンスラスタによる推力だけである。
【００１２】
一実施形態によれば、各ＲＳＡは、１８個のコンタクトリング、および１コンタクトリングあたり３つのブラシを有する。一代替実施形態では、ＲＳＡは、１コンタクトリングあたり４つのブラシを有し、それによって、必要なコンタクトリングの数が９つまで減少する。代替実施形態において、リングの総数を減少させることで、ＲＳＡの寸法および質量を減少させることができる。ロータリスイッチの両方の実施形態において、各ＲＳＡは、セグメント化されたスリップリングおよび円周方向ブラシを有する回転する電気的コンタクトリングアセンブリを備え、それによって、ＲＳＡに接続される両方のＸＰＣおよび両方のスラスタについて同時に電気的接続が開閉されるようになる。ＲＳＡのすべてのリングが同時に回転されるので、接続性が混ざった状態になり得なくなる。ＲＳＡのロータは、冗長な巻線があるステッパモータによって駆動される。ＲＳＡは、真空または地上のテスト環境のどちらでも高電圧動作するように設計される。
【００１３】
以下に詳細に説明する実施形態はロータリスイッチを用いているが、電源を１対のイオン推進スラスタに接続する個別の回路の切替えに、一斉に切替えを行う他のタイプのスイッチを使用することもできる。そうした代替切替えシステムは、板ばねタイプのコンタクトを備えることができる。板ばねタイプのコンタクトは、ロータリコンタクトアームまたは線形的に移動可能なコンタクトプレートによって開／閉される。ばねの対は、接触すると多極スイッチを形成する。他の板ばねの設計概念は、ロータリロッカアームおよび線形ジャッキねじ（ｌｉｎｅａｒ  ｊａｃｋｓｃｒｅｗ）を含む。後述の代替切替えシステムは、焼結ブラシと成形シャフトのアセンブリを調達しなくて済むが、その一方でエンベロープがより大きく、重量がより重く、トルクがより高い。
【００１４】
本明細で開示される主題の一態様は、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置と、第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタと、少なくとも第１の切替え状態および第２の切替え状態を有するスイッチアセンブリとを備えるイオン推進システムである。第１の電力制御装置および第２の電力制御装置がオンの場合、第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタは、第１のスイッチアセンブリが第１の切替え状態にあるとき第１のスイッチアセンブリを介して第１の電力制御装置および第２の電力制御装置からそれぞれ電力を受け、第１のスイッチアセンブリが第２の切替え状態にあるときスイッチアセンブリを介して第２の電力制御装置および第１の電力制御装置からそれぞれ電力を受ける。スイッチアセンブリは、移動可能な主要部、および主要部の位置が変わると一斉に状態を変える多数のスイッチを備える。スイッチアセンブリは、主要部が第１の位置にあるとき第１の切替え状態になり、主要部が第２の位置にあるとき第２の切替え状態になる。さらに、第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタは、主要部が第３の位置にあるとき、スイッチアセンブリによって第１の電力制御装置および第２の電力制御装置から電気的に遮断される。一実施形態では、主要部は、中心シャフトを備え、スイッチアセンブリは、中央シャフトに取り付けられる複数のコンタクトディスクおよび多数のブラシをさらに備える。３つまたは４つのブラシからなるそれぞれの組は、各コンタクトディスクの各外面と接触する。各外面は、導電性コンタクトセグメントおよび非導電性セグメントを備える。
【００１５】
一実施形態によれば、主要部は、回転可能な中央シャフトを備える。第１の位置および第２の位置は、中央シャフトのそれぞれ第１の角度位置および第２の角度位置である。ステッパモータは、中心シャフトの角度位置を変えるようにそれに動作可能に結合される。スイッチアセンブリは、中心シャフトに取り付けられる複数のコンタクトディスク、および多数のブラシをさらに備える。
【００１６】
システムは、ステッパモータをステップ単位で回転させる（ｓｔｅｐ）パルス列を送り、かつステップ単位で回転させる機能を実施するのにステッパモータが必要とする電力を供給するようにプログラムされる、コンピュータシステムをさらに備える。コンピュータシステムは、さらに、第１のイオンスラスタまたは第２のイオンスラスタの動作を安定させておくために、第１の電力制御装置または第２の電力制御装置によってもたらされる電力供給を選択的にオン／オフするようにプログラムされる。
【００１７】
他の態様によれば、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置と、第１から第４のイオンスラスタと、第１のスイッチアセンブリおよび第２のスイッチアセンブリとを備えるイオン推進システムが提供される。第１のスイッチアセンブリは、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置、ならびに第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタに接続される。第２のスイッチアセンブリは、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置、ならびに第３のイオンスラスタおよび第４のイオンスラスタに接続される。第１のスイッチアセンブリおよび第２のスイッチアセンブリのそれぞれは、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置のどちらでも電力を第１から第４のイオンスラスタのうちの任意のイオンスラスタに供給できるように選択され得る、第１の切替え状態および第２の切替え状態を有する。第１のスイッチアセンブリは、移動可能な第１の主要部、および第１の主要部の位置が変わると一斉に状態を変える第１の多数のスイッチを備える。第２のスイッチアセンブリは、移動可能な第２の主要部、および第２の主要部の位置が変わると一斉に状態を変える第２の多数のスイッチを備える。
【００１８】
さらに他の態様は、衛星に搭載されている、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置のうちの選択された１つから第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタのうちの選択された１つに電力を供給する方法である。方法は、（ａ）第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタと第１の電力制御装置および第２の電力制御装置をスイッチアセンブリに電気的に接続することであって、スイッチアセンブリは、移動可能な主要部および多数のスイッチを備え、多数のスイッチは、主要部の位置が、スイッチによって、第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタのうちの選択された１つが第１の電力制御装置および第２の電力制御装置のうちの選択された１つに接続されない第１の位置から、第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタのうちの選択された１つが第１の電力制御装置および第２の電力制御装置のうちの選択された１つに接続される第２の位置へと変わると一斉に状態を変える、接続することと、（ｂ）主要部の位置を、第１の位置から第２の位置へと変えることと、（ｃ）主要部が第２の位置にある間、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置のうちの選択された１つをオンにすることとを含む。いくつかの実施形態によれば、主要部は、回転可能な中央シャフトを備え、第１の位置および第２の位置は、中央シャフトのそれぞれ第１の角度位置および第２の角度位置である。
【００１９】
さらに他の態様は、衛星に搭載されている、選択された電力制御装置から選択されたイオンスラスタに電力を供給する方法である。方法は、（ａ）選択された電力制御装置がオフの間、複数のコンタクトディスクを備えるアセンブリを第１の角度位置から第２の角度位置に回転させることと、（ｂ）シャフトアセンブリが第２の角度位置にある間、選択された電力制御装置をオンにすることとを含む。
【００２０】
本発明は、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置と、第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタと、少なくとも第１の切替え状態および第２の切替え状態を有する第１のスイッチアセンブリとを含むことができるイオン推進システムを含むことができる。前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置がオンの場合、前記第１のイオンスラスタおよび前記第２のイオンスラスタは、前記第１のスイッチアセンブリが前記第１の切替え状態にあるとき前記第１のスイッチアセンブリを介して前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置からそれぞれ電力を受け、前記第１のスイッチアセンブリが前記第２の切替え状態にあるとき前記第１のスイッチアセンブリを介して前記第２の電力制御装置および前記第１の電力制御装置からそれぞれ電力を受ける。前記第１のスイッチアセンブリは、移動可能な第１の主要部、および前記第１の主要部の位置が変わると一斉に状態を変える第１の多数のスイッチを備え、さらに前記第１の主要部が第１の位置にあるとき前記第１の切替え状態になり、前記第１の主要部が第２の位置にあるとき前記第２の切替え状態になる。前記第１の主要部は、回転可能な中央シャフトを含むことができ、前記第１の位置および前記第２の位置は、前記中央シャフトのそれぞれ第１の角度位置および第２の角度位置である。前記システムは、さらに、前記中央シャフトに動作可能に結合され、前記中央シャフトの角度位置を変える、ステッパモータを含むことができる。前記システムは、さらに、ステッパモータをステップ単位で回転させるパルス列を送りかつステップ単位で回転させる機能を実施するのにステッパモータが必要とする電力を供給するようにプログラムされるコンピュータシステムを含むことができる。前記コンピュータシステムは、さらに、前記第１のイオンスラスタまたは前記第２のイオンスラスタの動作を安定させておくために、前記第１の電力制御装置または前記第２の電力制御装置によってもたらされる電力供給を選択的にオン／オフするようにプログラムされる。前記第１のスイッチアセンブリは、さらに、前記中央シャフトに取り付けられる複数のコンタクトディスクおよび多数のブラシを含むことができる。３つのブラシからなるそれぞれの組は、各コンタクトディスクのそれぞれの外面と接触する。各外面は、導電性コンタクトセグメントおよび非導電性セグメントを備える。前記第１のスイッチアセンブリは、さらに、前記中央シャフトに取り付けられる複数のコンタクトディスクおよび多数のブラシを含むことができる。４つのブラシからなるそれぞれの組は、各コンタクトディスクのそれぞれの外面と接触する。各外面は、１対の導電性コンタクトセグメントおよび１対の非導電性セグメントを備える。前記第１のイオンスラスタおよび前記第２のイオンスラスタは、前記第１の主要部が第３の位置にあるとき前記第１のスイッチアセンブリによって前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置から電気的に遮断され得る。前記第１の主要部は、回転可能な中央シャフトを含むことができ、前記第１の位置、前記第２の位置および前記第３の位置は、前記中央シャフトのそれぞれ第１の角度位置、第２の角度位置および第３の角度位置である。前記システムは、さらに、第３のイオンスラスタおよび第４のイオンスラスタと、少なくとも第１の切替え状態および第２の切替え状態を有する第２のスイッチアセンブリを含むことができる。前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置がオンの場合、前記第３のイオンスラスタおよび前記第４のイオンスラスタは、前記第２のスイッチアセンブリが前記第１の切替え状態にあるとき前記第２のスイッチアセンブリを介して前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置からそれぞれ電力を受け、前記第２のスイッチアセンブリが前記第２の切替え状態にあるとき前記第２のスイッチアセンブリを介して前記第２の電力制御装置および前記第１の電力制御装置からそれぞれ電力を受ける。前記第２のスイッチアセンブリは、移動可能な第２の主要部、および前記第２の主要部の位置が変わると一斉に状態を変える第２の多数のスイッチを備え、さらに前記第２の主要部が第１の位置にあるとき前記第１の切替え状態になり、前記第２の主要部が第２の位置にあるとき前記第２の切替え状態になる。
【００２１】
本発明は、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置と、第１から第４のイオンスラスタと、第１のスイッチアセンブリおよび第２のスイッチアセンブリとを含むことができるイオン推進システムを含むことができる。前記第１のスイッチアセンブリは、前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置、ならびに前記第１のイオンスラスタおよび前記第２のイオンスラスタに接続される。前記第２のスイッチアセンブリは、前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置、ならびに前記第３のイオンスラスタおよび前記第４のイオンスラスタに接続される。前記第１のスイッチアセンブリおよび前記第２のスイッチアセンブリのそれぞれは、前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置のどちらでも電力を前記第１から第４のイオンスラスタのうちの任意のイオンスラスタに供給できるように選択され得る、第１の切替え状態および第２の切替え状態を有する。前記第１のスイッチアセンブリは、移動可能な第１の主要部、および前記第１の主要部の位置が変わると一斉に状態を変える第１の多数のスイッチを備える。前記第２のスイッチアセンブリは、回転可能な第２の主要部、および前記第２の主要部の位置が変わると一斉に状態を変える第２の多数のスイッチを備える。前記第１の主要部は、回転可能な第１の中央シャフトを含むことができ、前記第２の主要部は回転可能な第２の中央シャフトを備える。前記システムは、さらに、前記第１の中央シャフトの角度位置を変えるように前記第１の中心シャフトに動作可能に結合される第１のステッパモータ、および前記第２の中心シャフトの角度位置を変えるように前記第２の中心シャフトに動作可能に結合される第２のステッパモータを備える。前記システムは、さらに、前記第１のステッパモータまたは前記第２のステッパモータをステップ単位で回転させるパルス列を選択的に送りかつステップ単位で回転させる機能を実施するのに前記第１のステッパモータまたは前記第２のステッパモータが必要とする電力を供給するようにプログラムされるコンピュータシステムを含むことができる。コンピュータシステムは、さらに、前記第１のイオンスラスタ、前記第２のイオンスラスタ、前記第３のイオンスラスタまたは前記第４のイオンスラスタの動作を安定させておくために、前記第１の電力制御装置または前記第２の電力制御装置によってもたらされる電力供給を選択的にオン／オフするようにプログラムされ得る。前記第１のスイッチアセンブリは、さらに、前記第１の中央シャフトに取り付けられる複数のコンタクトディスクおよび第１の多数のブラシを含むことができる。ブラシのそれぞれの組は、各コンタクトディスクのそれぞれの外面と接触する。各外面は、少なくとも１つの導電性コンタクトセグメントおよび少なくとも１つの非導電性セグメントを備える。
【００２２】
本発明は、衛星に搭載されている、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置のうちの選択された１つから、第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタのうちの選択された１つに電力を供給する方法を含むことができる。方法は、（ａ）第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタと第１の電力制御装置および第２の電力制御装置をスイッチアセンブリに接続することであって、スイッチアセンブリは、移動可能な主要部および多数のスイッチを備え、多数のスイッチは、主要部の位置が、スイッチによって、第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタのうちの前記選択された１つが第１の電力制御装置および第２の電力制御装置のうちの前記選択された１つに接続されない第１の位置から、第１のイオンスラスタおよび第２のイオンスラスタのうちの前記選択された１つが第１の電力制御装置および第２の電力制御装置のうちの前記選択された１つに接続される第２の位置へと変わると一斉に状態を変える、接続することと、（ｂ）主要部の位置を、前記第１の位置から前記第２の位置に変えることと、（ｃ）主要部が前記第２の位置にある間、第１の電力制御装置および第２の電力制御装置のうちの前記選択された１つをオンにすることとを含む。主要部は、回転可能な中央シャフトを含むことができる。前記第１の位置および前記第２の位置は、前記中央シャフトのそれぞれ第１の角度位置および第２の角度位置である。ステップ（ｂ）は、主要部に動作可能に結合されるステッパモータをステップ単位で回転させることを含むことができる。
【００２３】
本発明は、衛星に搭載されている、選択された電力制御装置から選択されたイオンスラスタに電力を供給する方法を含むことができる。方法は、（ａ）前記選択された電力制御装置がオフの間、複数のコンタクトディスクを備えるアセンブリを第１の角度位置から第２の角度位置に回転させることと、（ｂ）前記アセンブリが前記第２の角度位置にある間、前記選択された電力制御装置をオンにすることとを含むことができる。前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置のそれぞれは、それぞれの電源バス、および前記それぞれの下部電源バスに接続されるそれぞれのツェナーダイオードを含むことができ、ツェナーダイオードによって、前記それぞれの下部電源バスが宇宙船の電位に対して負にフロート可能になり、電子流にイオンビームを均等化させる電位が達成される。前記第１のスラスタおよび前記第２のスラスタのそれぞれは、それぞれの放電アノードおよびそれぞれの放電カソードを含むことができ、前記第１の電力制御装置および前記第２の電力制御装置のそれぞれは、放電電源、放電キーパ電源、放電ヒータ電源およびスクリーングリッドを放電電子源に関連付けるそれぞれの電源バスを備え、前記放電電源は、それぞれの放電アノードに結合されイオン化力を燃料にもたらし、スクリーン電源は、それぞれの放電カソードに結合されメインビームを駆動させる。
【００２４】
他の態様を以下に開示し特許請求する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ロータリスイッチアセンブリ（ＲＳＡ）による１つのＸＰＣと１つのスラスタの接続を示すブロック図である。
【図２】いくつかの構成要素が見やすくするために省かれている、一実施形態によるＲＳＡユニットの等角図である。
【図３】（ステッパモータ５４は示されていない）一実施形態によるＲＳＡユニットのシャフトアセンブリおよび他の構成要素の断面図である。
【図４】図１〜図３に示されるタイプの１対のＲＳＡの（すべてではない）いくつかのモードのうちのノーマルモードを示す図である。
【図５】図１〜図３に示されるタイプの１対のＲＳＡの（すべてではない）いくつかのモードのうちの交差結合モードを示す図である。
【図６】図１〜図３に示されるタイプの１対のＲＳＡの（すべてではない）いくつかのモードのうちの遮断ノーマルモードを示す図である。
【図７】図１〜図３に示されるタイプの１対のＲＳＡの（すべてではない）いくつかのモードのうちの遮断交差結合モードを示す図である。
【図８】１リングあたり４つのブラシを有し、図３に示されるものとは異なるシャフトアセンブリを有する、ロータリスイッチアセンブリの断面図である。
【図８Ａ】１リングあたり４つのブラシを有し図３に示されるものと同じシャフトアセンブリを有する、ノーマル構成にあるロータリスイッチアセンブリの断面図である。
【図８Ｂ】１リングあたり４つのブラシを有し図３に示されるものと同じシャフトアセンブリを有する、オープン構成にあるロータリスイッチアセンブリの断面図である。
【図８Ｃ】１リングあたり４つのブラシを有し図３に示されるものと同じシャフトアセンブリを有する、交差結合構成にあるロータリスイッチアセンブリの断面図である。
【図９Ａ】図８Ａに一部が示されるノーマル構成にあるロータリスイッチアセンブリの１組の９つの電力接続の概略図である。
【図９Ｂ】図８Ａに一部が示されるノーマル構成にあるロータリスイッチアセンブリの１組の９つの電力接続の概略図である。
【図１０】１コンタクトリングあたり３つのブラシがある、（例えば、各組に９つのコンタクトリングがある）同軸の２組のコンタクトリングを有する、交差結合構成にあるロータリスイッチアセンブリの概略等角図である。
【図１１】１コンタクトリングあたり３つのブラシがある、（例えば、各組に９つのコンタクトリングがある）同軸の２組のコンタクトリングを有する、ノーマル構成にあるロータリスイッチアセンブリの概略等角図である。
【図１２Ａ】図１０および図１１に一部が示される実施形態によるロータリスイッチアセンブリのそれぞれにおけるすべての電力接続の概略図である。
【図１２Ｂ】図１０および図１１に一部が示される実施形態によるロータリスイッチアセンブリのそれぞれにおけるすべての電力接続の概略図である。
【図１３】以下に開示される実施形態によるＸＩＰＳの基本的構成要素のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
次に図面を参照する。異なる図面において同様の要素には同様の参照番号が付いている。
【００２７】
衛星で使用されるイオンスラスタの基本構造および動作はよく知られているので、本明細書では簡潔にしか説明しない。各イオンスラスタは、イオン抽出アセンブリ、イオン化チャンバを形成するハウジング、イオン化チャンバ内に位置する放電電子源および電極システム、やはりまたイオン化チャンバ内に位置する磁界発生器、ならびにイオン抽出アセンブリに隣接して位置する中和装置を含む。イオンスラスタは、イオン化可能ガス（例えばキセノン）を含む容器と電源システムに結合されている。
【００２８】
イオンスラスタの基本的な動作では、容器のイオン化可能ガスが弁を介してチャンバに供給され、一次電子が電子源からガスに注入される。電極システムに供給される放電電圧によってこれらの電子が加速され、ガス原子と衝突してプラズマが発生する。磁界発生器は、一般的に、環状の永久磁石を含み、ハウジングに隣接して磁束線を生成するように構成されている。これらの磁束線は、細長い通路に沿って電子を誘導し、それによってプラズマの発生が促進される。一実施形態によれば、イオン抽出アセンブリは、スクリーングリッド、加速器グリッドおよび（任意選択の）減速器グリッドを有する。電源システムからの電力が諸グリッドに供給され、それによってイオン抽出アセンブリがプラズマからイオンビームを抽出し、それを加速してスラスタから放出する。イオンビームによって、イオンスラスタとそれが取り付けられている宇宙船に力が発生する。
【００２９】
他の方法で補償されなければ、イオンビームの正電荷流によってイオンスラスタに負電荷流が展開し、これがスラスタの力を減損させることになる。したがって、中和装置によって電子流がイオンビームの近くに注入され、それによって電荷を激減させる効果が相殺される。電子流は、やはりまた、イオンビームの正の空間電荷を部分的に中和し、過剰なビームの発散を防止する。
【００３０】
図１には、上述のタイプのイオンスラスタを組み込んだＸＩＰＳの構成要素が示されている。より具体的には、図１には、ＸＩＰＳ電力制御装置（ＸＰＣ）１０とスラスタ１２の間に取り付けられているロータリスイッチアセンブリ（ＲＳＡ）１４が示されている。スラスタ１２は、放電アノード１０２、放電カソード１０６、放電キーパ電極１０４、放電ヒータ１０８、中和装置カソード１１０、中和装置キーパ電極１１２、中和装置ヒータ１１４、スクリーングリッド１１６、加速器グリッド１１８および減速器グリッド１２０を備える。
【００３１】
図１には、スラスタ１２を動作させるのに必要な９つの異なる回路が示されている。各回路は、ＲＳＡ１４内にそれぞれの電気的接続１５を含む。好ましい実施形態では、各ＲＳＡは、２つのＸＰＣのための諸入力および２つのスラスタのための諸出力を有するが、図１には１つのＸＰＣと１つのスラスタの接続しか示されていない。ロータリスイッチアセンブリ（ＲＳＡ）１４のシャフトアセンブリが（図８Ａ〜図８Ｃを参照して以下により詳細に説明するように）所定の角度位置まで回転されると、電気的接続１５が行われる。
【００３２】
ＸＰＣ１０は、それぞれが電圧調整電源である、スクリーン電源１６、加速器電源１８および減速器電源２０を備える。ＸＰＣ１０は、さらに、すべて電流調整電源である、放電電源２２、放電キーパ電源２４、放電ヒータ電源２６、中和装置キーパ電源２８および中和装置ヒータ電源３０を備える。
【００３３】
スラスタ１２の放電電子源は、放電カソード１０６、放電キーパ電極１０４、および適切な電気的接続が確立されるとＸＰＣ１０の放電ヒータ電源２６から電流を受ける放電ヒータ１０８を備える。ＸＰＣ１０の放電キーパ電源２４は、スラスタキーパ電極１０４に正の電圧を印加し、それによってプラズマ放電が始まり、電子がイオン化チャンバに供給される。スラスタの電極システムは、放電アノード１０２をさらに含む。放電電圧が、ＸＰＣ１０の放電電源２２によってスラスタ１２の電子源と放電アノード１０２の間に印加され、それによって一次電子がイオン化可能ガスを通って加速される。加速器電源１８は、スラスタから外に向けてイオンを加速する。スラスタ中和装置は、中和装置カソード１１０、中和装置キーパ電極１１２および中和装置ヒータ１１４を含み、これらは、実質的に、イオン化チャンバ内に位置する放電カソード１０６、放電キーパ電極１０４および放電ヒータ１０８と同じである。ＸＰＣ１０の中和装置ヒータ電源３０は、中和装置ヒータ１１４の両端に結合され、電子供給源を生成する。ＸＰＣ１０の中和装置キーパ電源２８は、正電圧を中和装置キーパ電極１１２に印加し、それによって電子流源であるプラズマの生成が開始する。
【００３４】
さらに図１を参照すると、ＸＰＣ１０は、下部電源バス３２および上部電源バス３４を備える。下部電源バス３２は、宇宙船の「接地」が基準であり、これらの電源バスの電位は、スクリーン電源１６の電圧差によって電気的に隔てられている。下部電源バス３２は、中和装置キーパ電源２８、中和装置ヒータ電源３０、加速器電源１８および減速器電源２０を関連付ける。下部電源バス３２に接続されるツェナーダイオード８によって、下部電源バスは、宇宙船の電位に対して負にフロート可能になり、それによって電子流にイオンビームを均等化させる電位が達成される。上部電源バス３４は、放電電源２２、放電キーパ電源２４、放電ヒータ電源２６、およびスクリーングリッド１１６を放電電子源に関連付ける。放電電源２２は、放電アノード１０２に結合され、それによってイオン化力が燃料（例えばキセノン）にもたらされる。スクリーン電源１６は、メインビームを駆動させるように放電カソード１０６に結合される。
【００３５】
上述のＸＰＣ１０とスラスタ１２の間の電気的接続１５のすべては、ＲＳＡ１４のシャフトアセンブリの回転によって開閉される（図１参照）。図２および図３には、一実施形態による単一のＲＳＡのいくつかの構成要素が示されている（いくつかの構成要素は見えやすくするために省いてある）。図２に示されるＲＳＡ１４は、４本のレール４８で結合される１対の取付けプレート５０ａ、５０ｂから構成されるハウジング４６を備える。（各組に４つのブラシブロックがある）２組のブラシブロックは、レール４８に固定され、取付けプレート間に互いに隣接して配置される２つの正方形のエンクロージャを形成する。図２では、第１の組のブラシブロックのブラシブロック８４ｂ、８４ｃ、８４ｄおよび第２の組のブラシブロック８５ｂ、８５ｃ、８５ｄしか見えない。これらの正方形のエンクロージャは、（図２では見えない）シャフトアセンブリを囲繞している。第１の組の各ブラシブロックは、５つのブラシからなる列を支持するように構成され、一方第２の組の各ブラシブロックは、４つのブラシからなる列を支持するように構成される。あわせて８つのブラシブロックが４列のブラシの列を支持する。各列は、それぞれのコンタクトリングと接触している９つのブラシから構成される。ブラシブロックは、Ｕｌｔｅｍ（登録商標）ポリエーテルイミド樹脂などのポリエーテルイミド樹脂から作製され得る。
【００３６】
図２に見られるように、各ブラシブロックは、クランプ７８によってブラシブロックに取り付けられるコンタクトプレート８２を有する。任意のブラシブロックに取り付けられるコンタクトプレート８２の数は、そのブラシブロックによって列になって支持されるブラシの数と等しい（すなわち、本実施形態では４つまたは５つのどちらかである）。図２に示される実施形態では、コンタクトプレートの総数は３６個である。
【００３７】
図８は、クランプ７８のそれぞれの対によって４つのブラシブロック８４ａ〜８４ｄに固定される４つのコンタクトプレート８２を示す断面図である。図８には、コンタクトプレート８２の前または後ろにある他のコンタクトプレートは示されていない。各コンタクトプレート８２は、導電性金属（例えば、銀めっき銅）から作製され、ろう付けされたはんだポスト（図８のアイテム８７参照）を有するプレートである。コンタクトプレート８２は、共通の電気的接合をブラシブロック８４ａ〜８４ｄにそれぞれ取り付けられるブラシアセンブリ（以下「ブラシ」）７０、７２、７４、７６のコンタクトポスト５２に電気的に接続されているいくつかの（図８には示されない）電源線にもたらす。ブラシは、めっき銅、またはモリブデン、銀、グラファイトおよび他の組成物を含む金属合金から作製され得る。
【００３８】
図３を再び参照すると、シャフトアセンブリ４０は、それぞれの玉軸受アセンブリ６２、６４を介して取付けプレート５０ａ、５０ｂによって回転可能に支持される。シャフトアセンブリ４０の回転は、取付けプレート５０ａに回転可能に取り付けられる変速装置５６を用いてステッパモータ５４により駆動される。他方の取付けプレート５０ｂは、電源システムにより供給される高電圧の電力が流れる（図３にはそのうちの２つしか見えない）４つの高電圧コネクタ６０を支持する。４つのコネクタ６０のそれぞれは、（図２および図３には示されない）ブラシのそれぞれの組に電気的に接続される。上述のように、４つのコネクタのうちの第１のコネクタは、第１のＸＰＣに接続され、第２のコネクタは、第１のスラスタに接続され、第３のコネクタは、第２のＸＰＣに接続され、第４のコネクタは、第２のスラスタに接続される。
【００３９】
さらに図３を参照すると、一実施形態によれば、シャフトアセンブリ４０は、複数のコンタクトリング４４を備える。各コンタクトリング４４は、弓状の２つの導電性セグメント６６、６８および実質的に非導電性のセパレータディスク４２を有する。セパレータディスク４２によって、隣接するコンタクトリング４４からの不要な電気的干渉が防止される。セパレータディスク間にさらなる隔離要素を配置して、隣接するリング同士をさらに隔離し、１つのコンタクトリングから他へと細片が移動しないようにすることもできる。
【００４０】
コンタクトリング４４は、鋳造されたエポキシから作製され得る。導電性セグメント６６、６８は、銀またはめっき銅から作製され得る。
【００４１】
導電性ブラシがコンタクトリングの外面に取り付けられている導電性コンタクトセグメント６６、６８と接触するまで、シャフトアセンブリの回転によりＸＰＣとスラスタの間で電気的接続が行われる。図３に示される実施形態によれば、全部で９つのコンタクトリングがある。シャフトアセンブリ４０は、セパレータディスク４２およびコンタクトリング４４が上に取り付けられる中心シャフト８０を備える。ハウジング４６に対する中心シャフト８０の角度位置によって、ＲＳＡ１４のモードが決まる。
【００４２】
図４〜図７は、追加の冗長として様々なスラスタが２つのＸＰＣに接続され得るように構成されている、１対のＲＳＡ（ＲＳＡ  ＡおよびＲＳＡ  Ｂ）の（すべてではない）いくつかのモードを示す図である。図４〜図７のそれぞれにおいて、以下の接続がなされており、すなわちＸＰＣ１のコネクタＪ１はＲＳＡ  ＡのコネクタＪ１１に接続され、ＸＰＣ１のコネクタＪ２はＲＳＡ  ＢのコネクタＪ１１に接続され、ＸＰＣ２のコネクタＪ１はＲＳＡ  ＡのコネクタＪ２２に接続され、ＸＰＣ２のコネクタＪ２はＲＳＡ  ＢのコネクタＪ２２に接続され、ＲＳＡ  ＡのコネクタＪ１はスラスタ１に接続され、ＲＳＡ  ＡのコネクタＪ２はスラスタ２に接続され、ＲＳＡ  ＢのコネクタＪ１はスラスタ３に接続され、およびＲＳＡ  ＢのコネクタＪ２はスラスタ４に接続されている。
【００４３】
図４には、ノーマルモードが示されている。ノーマルモードでは、各ＲＳＡの入力コネクタＪ１１、Ｊ２２が出力コネクタＪ１、Ｊ２にそれぞれ接続される角度位置へと諸ＲＳＡのシャフトアセンブリが回転され、その結果、スラスタ１、３がＸＰＣ１から電力を受け、スラスタ２、４がＸＰＣ２から電力を受けることが可能になる。
【００４４】
図５には交差結合モードが示されている。交差結合モードでは、各ＲＳＡの入力コネクタＪ１１、Ｊ２２が出力コネクタＪ２、Ｊ１にそれぞれ接続される角度位置へと諸ＲＳＡのシャフトアセンブリが回転され、その結果、スラスタ１、３がＸＰＣ２から電力を受け、スラスタ２、４がＸＰＣ１から電力を受けることが可能になる。
【００４５】
さらに、一方のＲＳＡがノーマル構成にあり、他方が交差結合構成にあってもよい。
【００４６】
図６には遮断ノーマルモードが示されている。遮断ノーマルモードでは、ＲＳＡ  Ａの入力コネクタＪ１１、Ｊ２２が出力コネクタＪ１、Ｊ２にそれぞれ接続される角度位置へとＲＳＡ  Ａのシャフトアセンブリが回転され、一方ＲＳＡ  Ｂの入力コネクタＪ１１、Ｊ２２が出力コネクタＪ１、Ｊ２に接続されない角度位置へとＲＳＡ  Ｂのシャフトアセンブリが回転される。この遮断モードでは、スラスタ３、４はＸＰＣから遮断される。図６に示されるＲＳＡのモードを逆にすることによって、ＸＰＣがスラスタ３、４に接続され、スラスタ１、２から遮断されてもよい。
【００４７】
図７には遮断交差結合モードが示されている。遮断結合交差モードでは、ＲＳＡ  Ａの入力コネクタＪ１１、Ｊ２２が出力コネクタＪ２、Ｊ１にそれぞれ接続される角度位置へとＲＳＡ  Ａのシャフトアセンブリが回転され、一方ＲＳＡ  Ｂの入力コネクタＪ１１、Ｊ２２が出力コネクタＪ１、Ｊ２に接続されない角度位置へとＲＳＡ  Ｂのシャフトアセンブリが回転される。この遮断モードでは、スラスタ３、４はＸＰＣから遮断される。図７に示されるＲＳＡのモードを逆にすることによって、ＸＰＣがスラスタ３、４に接続され、スラスタ１、２から遮断されてもよい。
【００４８】
図８は、１リングあたり４つのブラシ（アイテム７０、７２、７４、７６）を有し、また図３に示されるもとは異なるシャフトアセンブリ８１を有する、ロータリスイッチアセンブリの断面図である。図３では、非導電性セパレータディスク４２とシャフト８０は別個の構成要素となっている。図８では、これらの構成要素が一体にされ、直径方向に反対に位置する２つの弓状溝を有するシャフト８１を形成している。弓状溝内には、円周方向に配置される導電性材料製の１対の弓状コンタクトセグメント６６、６８が設置される。これらの導電性コンタクトセグメントは、シャフト８１の外面の実質的に非導電性の各セグメントによって互いに分離される。
【００４９】
図８に見られるように、各ブラシブロック８４ａ〜８４ｄは、ハウジング４６の長手方向レール４８に取り付けられ、全体的に正方形のブラシ支持ハウジングを形成している。各ブラシブロック８４ａ〜８４ｄは、５つのブラシアセンブリからなる列のそれぞれを支持する。図８に示されるように、コンタクトセグメント６６、６８の各対には、４つのブラシ７０、７２、７４、７６がある。これらのブラシは、シャフトアセンブリ８１が回転するとその外面と摺動可能に接触し、それによって、コンタクトセグメント６６、６８との電気的接続が選択的に行われるようになる。
【００５０】
さらに図８を参照すると、各ブラシアセンブリは、導電性材料から作製されるブラシ７０、７２、７４、７６、各ブラシブロック８４ａ〜８４ｄにある開口を通って延在する（やはりまた導電性材料から作製される）コンタクトポスト５２、およびコンタクトポスト５２のフランジと関連のコンタクトプレート８２との間に配置され各ブラシを導電性セグメント６６、６８と接触させるようにするブラシ予荷重ばね８６を備える。４つのブラシブロック８４ａ〜８４ｄは、４本のレール４８に固定され、上述のような正方形のエンクロージャを形成する。ブラシ７０、７２、７４、７６は、互いに９０度離れた各放射軸に沿って変位可能である。
【００５１】
図８Ａ、図８Ｂ、および図８Ｃは、１リングあたり４つのブラシ７０、７２、７４、７６を有し、また図３に示されるものと同じシャフトアセンブリ４０を有する、ロータリスイッチアセンブリの断面図である。ノーマル構成（図８Ａ）、オープン構成（図８Ｂ）および交差結合構成（図８Ｃ）にあるロータリスイッチアセンブリが図示されている。
【００５２】
図８Ａ〜図８Ｃに示される実施形態では、１対の隣接するブラシがコンタクトセグメント６６と接触し他の対の隣接するブラシがコンタクトセグメント６８と接触する角度位置へと中心シャフト８０が回転されることによって、一方のＸＰＣと１対のスラスタのうちの一方のスラスタとの選択的接続、および他方のＸＰＣと同じ対のスラスタのうちの他方のスラスタとの選択的接続が達成される。事実上、各コンタクトセグメントは、２つの角度位置のどちらかにある１対の導電ブラシの間にブリッジを形成する。中央シャフトがどちらかの方向に４５°の角度まで回転されると、対向するブラシがコンタクトセグメント６６とコンタクトセグメント６８の間に位置する非導電性セグメントと接触し、それによって、各コンタクトセグメントによって橋絡される隣接するブラシの対によって形成される「スイッチ」が開く。このようにして、ハウジング４６に対するシャフトアセンブリ４０の角度位置によりＲＳＡ１４のモードが決まる。
【００５３】
図８Ａには、スラスタ１がＸＰＣ１に接続され、スラスタ２がＸＰＣ２に接続されている、ノーマル構成にあるＲＳＡが示されている。この構成では、中央シャフト８０は、０°の角度位置にあり、この角度位置では、ブラシ７０、７２はコンタクトセグメント６６と接触し、ブラシ７４、７６はコンタクトセグメント６８と接触する。
【００５４】
図８Ｂには、スラスタ１もスラスタ２もＸＰＣ１またはＸＰＣ２に接続されていないオープン状態にあるＲＳＡが示されている。この状態では、中央シャフト８０は、４５°の角度位置にあり、この角度位置では、ブラシ７０はコンタクトセグメント６６と接触し、ブラシ７２はコンタクトリング４４の一方の非導電性セグメントと接触し、ブラシ７４はコンタクトセグメント６８と接触し、ブラシ７６はコンタクトリング４４の他方の非導電性セグメントと接触する。
【００５５】
図８Ｃには、スラスタ１がＸＰＣ２に接続され、スラスタ２がＸＰＣ１に接続されている、交差構成にあるＲＳＡが示されている。この構成では、中央シャフト８０は、９０°の角度位置にあり、この角度位置では、ブラシ７０、７６はコンタクトセグメント６６と接触し、ブラシ７２、７４はコンタクトセグメント６８と接触する。
【００５６】
図９Ａおよび図９Ｂには、図８Ａに一部が示されているようなノーマル構成にあるロータリスイッチアセンブリの１組の９つの電力接続が示されている。図８Ａが１つのコンタクトリングの状態を示しているのに対して、図９Ａおよび図９Ｂは、１コンタクトリングあたり４つのブラシを有するロータリスイッチアセンブリの９つのコンタクトリングの状態を示している。これらの９つのコンタクトリングは、説明のために、図面では異なる場所に示されているが、同軸であり、共通の中央シャフト上に取り付けられると理解されたい。図９Ａおよび図９Ｂに示されるノーマル構成では、コネクタＪ１１はコネクタＪ１に電気的に接続され、一方コネクタＪ２２はコネクタＪ２に電気的に接続される。
【００５７】
図１０および図１１は、１コンタクトリングあたり３つのブラシがある、（例えば、各組に９つのコンタクトリングがある）同軸の２組のコンタクトリングを有するロータリスイッチアセンブリの概略等角図である。破線は、共通の中央シャフトの軸を示している。図１０には、交差結合構成にあるロータリスイッチアセンブリが示されており、図１１には、ノーマル構成にあるロータリスイッチアセンブリが示されている。図１０および図１１では、各ロータリスイッチアセンブリの１つの円形コンタクトリングがそれぞれ楕円形で示されている。しかし、各ロータリスイッチアセンブリは、一連の交互になったコンタクトリングとセパレータディスク（例えば１８個のコンタクトリング）を（図１０および図１１には示されない）中心シャフトに組み付けることによって実行されると理解されたい。この実施形態では、各コンタクトリング（例えば、９０および９０ａ）は、その外面上に非導電性セグメント（例えば、９２および９２ａ）を有する。外面の残りの部分は導電性である。例えば、各コンタクトリングは、固体導電性金属を含み、絶縁材料を含む外側弓状セグメントを有することができる。あるブラシが絶縁体の上を通ると、そのブラシは、コンタクトリングから電気的に遮断され、他のブラシはそのコンタクトリングと接触する。動作に際して、１つのスラスタと１つのＸＰＣだけが、常に遅れることなく接続されることになる。ＲＳＡは、イオン推進システムがオフのときだけ、異なる構成に切り替えられる。
【００５８】
図１０および図１１に示される実施形態では、ＲＳＡは、一斉に回転することができる１８個のコンタクトリングを有する。コンタクトリングのうちの９つによって、ＸＰＣ１がスラスタ１またはスラスタ２のどちらかに接続され、逆に他の９つのコンタクトリングによって、ＸＰＣ２がスラスタ２またはスラスタ１のどちらかに接続される。この実施形態では、１８個のコンタクトリングのそれぞれが、それに関連付けられる３つのブラシ（例えば、９４、９６、９８および９４ａ、９６ａ、９８ａ）を有する。ブラシは、（図示されない）ばねで留められ、（ブラシ間の角度が９０°である図８に示される実施形態と比較すると）１２０°の角度に離れたそれぞれの放射軸に沿って変位することができる。（図１０および図１１には示されない）第２のＲＳＡは、諸ＸＰＣを（図１０および図１１には示されない）第３のスラスタおよび第４のスラスタに選択的に接続するように構成され得る。
【００５９】
図１０には、スラスタ２がＸＰＣ１に接続され、スラスタ１がＸＰＣ２に接続されている、交差結合構成にある第１のＲＳＡが示されている。この構成では、中央シャフト（図示せず）は、０°の角度位置にある。０°の角度位置では、ブラシ９４、９６は、コンタクトリング９０の外面の導電性部分と接触し、一方ブラシ９８は、コンタクトリング９０の非導電性セグメント９２と接触し、また、ブラシ９４ａ、９６ａは、コンタクトリング９０ａの外面の導電性部分と接触し、一方ブラシ９８ａは、コンタクトリング９０ａの非導電性セグメント９２ａと接触する。
【００６０】
図１１には、スラスタ１がＸＰＣ１に接続され、スラスタ２がＸＰＣ２に接続されている、ノーマル構成にある第１のＲＳＡが示されている。この構成では、中央シャフト（図示せず）は、１２０°の角度位置にある。１２０°の角度位置では、ブラシ９４、９８は、コンタクトリング９０の外面の導電性部分と接触し、一方ブラシ９６は、コンタクトリング９０の非導電性セグメント９２と接触し、また、ブラシ９４ａ、９８ａは、コンタクトリング９０ａの外面の導電性部分と接触し、一方ブラシ９６ａは、コンタクトリング９０ａの非導電性セグメント９２ａと接触する。
【００６１】
やはりまた１コンタクトリングあたり３つのブラシがある実施形態によっても、ブラシ９４、９４ａが非導電性セグメント９２、９２ａとそれぞれ接触するとき、スラスタ１、２の電気的遮断が可能になる。
【００６２】
図１２Ａおよび図１２Ｂには、図１０に一部が示されているようなノーマル構成にあるロータリスイッチアセンブリの１組の１８個の電力接続が示されている。図１０が２つのコンタクトリングの状態を示しているのに対して、図１２Ａおよび図１２Ｂは、１コンタクトリングあたり３つのブラシを有するロータリスイッチアセンブリの１８個のコンタクトリングの状態を示している。これらの１８個のコンタクトリングは、説明のために、図面では異なる場所に示されているが、同軸であり、共通の中央シャフト上に取り付けられると理解されたい。図１２Ａおよび図１２Ｂに示されるノーマル構成では、コネクタＪ１１はコネクタＪ１に電気的に接続され、一方コネクタＪ２２はコネクタＪ２に電気的に接続される。
【００６３】
図１３には、上記で開示した実施形態によるＸＩＰＳの基本的構成要素が示されている。図示の構成要素には、２つのＸＰＳ１０のうちの１つ、２つのＲＳＡ１４のうちの１つ、４つのスラスタ１２のうちの１つ、および２つのステッパモータ５４のうちの１つだけしか含まれていない。各ステッパモータ５４は、（例えば、衛星に搭載されている）中央コンピュータ３６によって制御される。図１３に示される構成要素に対して、中央コンピュータ３６は、ステッパモータ５４をステップ単位で回転させるパルス列を送信する。パルス列は、ステッパモータ５４への唯一の入力であり、ステップ単位で回転させる信号、さらにステップ単位で回転させる機能を実施するのに必要な電力も供給する。換言すると、ステッパモータには、別個の電源は必要なく、必要なのは中央コンピュータ３６からの１本の制御ラインだけである。
【００６４】
さらに図１３を参照すると、ＸＰＣ１０によって、スラスタ１２の電源を入れる電力が供給される。ＸＰＣ１０からスラスタ１２に送られる４．５キロワットの電力は、ＲＳＡ１４によって切り替えられる。ＸＰＣ１０からの電力供給は、中央コンピュータ３６によってオン／オフされるが、ＸＰＣ１０内部において、スラスタの動作を安定させておく目的で出力電力の微調整が行われるので、中央コンピュータ３６は、単に、ＸＰＣ１０にスラスタへの電力の開始および停止の命令を出すだけである。
【００６５】
上述のシステムによって、どちらのＸＰＣでも４つのスラスタのうちの任意のスラスタに点火できるような、スラスタの接続性が実現する。いくつかの実施形態によれば、接続性は、セグメント化されたスリップリングによってもたらされる。実績のあるブラシとリップリングの技術を使用してセグメント化されたスリップリングとブラシを配置することにより、１つのスラスタと１つのＸＰＣだけがいつも接続可能になる。すなわち、２つのスラスタと１つのＸＰＣの接続は不可能であり、また２つのＸＰＣの一緒の接続は不可能である。これらの仕組みによって、スラスタのどちらかの対が遮断され得るようになる。遮断モードにあるとき、スラスタはＸＰＣに接続されないので、ＸＰＣによって接地されないことになる。しかし、この遮断の場合、ＲＳＡの各回路に（例えば、２０メガオームの）接地抵抗器をスイッチのスラスタ側に追加すれば、遮断構成でも１つまたは複数のスラスタが接地されたままになり、したがって静電放電または接地問題が回避される。
【００６６】
さらに、開示のシステムは、ＲＳＡに単一の回転要素を使用するので、動作の信頼性が非常に高い。あるいは、異なるスイッチ構成の単一の変位可能要素を使用することもできる。換言すると、一斉に切替えを行う他のタイプのスイッチを使用して、電力制御装置をイオン推進スラスタに接続する個別の回路を切り替えることもできる。そうした代替の切替えシステムは、板ばねタイプのコンタクトを備えることができる。板ばねタイプのコンタクトは、ロータリコンタクトアームまたは線形的に移動可能なコンタクトプレートによって開／閉される。ばねの対は、接触して多極スイッチを形成する。他の板ばね設計概念は、ロータリロッカアームおよび線形ジャッキねじを含む。単一の共通切替え要素（例えば、回転する中央シャフト）を有するスイッチアセンブリを提供することによって、中央シャフトの角度位置（第１または第２の角度位置）に応じて、２つのＸＰＣのうちのどちらかが２つのスラスタのうちのどちらかに点火できるようになる。中央シャフトの第３の角度位置では、その２つのスラスタが、２つのＸＰＣから電気的に遮断され得る。
【００６７】
イオン推進システムは、２０００ボルトまでの電圧、および関連の２５アンペアまでの電流の切替えが可能なように設計されるのが好ましい。適切に設計されたシステムは、小型でコンパクトであり、組み立てやすく、繰り返し生じる費用が低くて済む。
【００６８】
イオン推進システムを特定の実施形態を参照して説明してきたが、本明細書における教示の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、また均等物をその要素と置換することができることが当業者には理解されよう。さらに、本明細書における教示の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況を本明細書における教示に適合させるように、様々な修正を加えることができる。したがって、以下に示される特許請求の範囲は開示の実施形態に限定されないものとする。
【００６９】
特許請求の範囲で使用される「コンピュータシステム」という用語は、ネットワークもしくはバスを介して通信する２つ以上の独立したコンピュータまたはプロセッサを有することができる、少なくとも１つのコンピュータまたはプロセッサを有する、システムを包含するように広範に解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００７０】
８  ツェナーダイオード
１０  ＸＩＰＳ電力制御装置
１２  スラスタ
１４  ロータリスイッチアセンブリ
１５  電気的接続
１６  スクリーン電源
１８  加速器電源
２０  減速器電源
２２  放電電源
２４  放電キーパ電源
２６  放電ヒータ電源
２８  中和装置キーパ電源
３０  中和装置ヒータ電源
３２  下部電源バス
３４  上部電源バス
３６  中央コンピュータ
４０  シャフトアセンブリ
４２  セパレータディスク
４４  コンタクトリング
４６  ハウジング
４８  レール
５０ａ  取付けプレート
５０ｂ  取付けプレート
５２  コンタクトポスト
５４  ステッパモータ
５６  変速装置
６０  高電圧コネクタ
６２  玉軸受アセンブリ
６４  玉軸受アセンブリ
６６  導電性セグメント、コンタクトセグメント
６８  導電性セグメント、コンタクトセグメント
７０  アイテム、ブラシ
７２  アイテム、ブラシ
７４  アイテム、ブラシ
７６  アイテム、ブラシ
７８  クランプ
８０  中心シャフト
８１  シャフトアセンブリ、シャフト
８２  コンタクトプレート
８４ａ〜８４ｄ  ブラシブロック
８５ａ〜８５ｄ  ブラシブロック
８６  ばね
８７  ポスト
９０  コンタクトリング
９０ａ  コンタクトリング
９２  非導電性セグメント
９２ａ  非導電性セグメント
９４  ブラシ
９４ａ  ブラシ
９６  ブラシ
９６ａ  ブラシ
９８  ブラシ
９８ａ  ブラシ
１０２  放電アノード
１０４  放電キーパ電極
１０６  放電カソード
１０８  放電ヒータ
１１０  中和装置カソード
１１２  中和装置キーパ電極
１１４  中和装置ヒータ
１１６  スクリーングリッド
１１８  加速器グリッド
１２０  減速器グリッド
Ｊ１  出力コネクタ
Ｊ２  出力コネクタ
Ｊ１１  入力コネクタ
Ｊ２２  入力コネクタ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【外国語明細書】
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2014101881000002.pdf
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