(57)【要約】【課題】小型低消費電力イオンエンジンの起動時にマイクロ波出力を増加させ、確実な着火によりイオン化ないしプラズマ化し、安定した加速フェーズに入るとマイクロ波出力を低下させ、イオンエンジンの消費電力抑制を図ることが可能なマイクロ波電源の起動時パワーアップ回路の提供。【解決手段】イオンエンジン１のマイクロ波電源３０における起動時には、マイクロ波電力の出力を増加させ、定常的な加速フェーズに達すると、マイクロ波電力の出力を低下させる減衰器３３とその制御を行う減衰量制御回路３４とを設け、小型低消費電力イオンエンジン１の電力消費を抑制しつつ、エンジン機能の維持を図る構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を発生するマイクロ波発振回路部と、
前記マイクロ波発振回路部から出力されたマイクロ波を適切な信号レベルに減衰させる減衰器の起動時から所定の時間までの間の減衰量を定常時の減衰量よりも小さくなるように制御する制御回路と、
を備えて構成されていることを特徴とする小型低消費電力イオンエンジン用マイクロ波電源の起動時パワーアップ回路。
【請求項２】
推進剤をプラズマ化するためのマイクロ波電力を発生させるマイクロ波電源の前段に設けられたマイクロ波発振回路部から出力されたマイクロ波を適切な信号レベルに減衰させる減衰器を配置すると共に、前記減衰器に接続されて該減衰器におけるビットのＨｉ／Ｌｏｗにより減衰量を制御可能な減衰量制御回路を設け、イオンエンジン起動時には前記減衰器の減衰量を小さくすることにより前記マイクロ波電源の終段に設けられたマイクロ波電力増幅回路への入力を増加制御してマイクロ波電力の出力を上げ、前記減衰器の起動時から所定時間が経過して前記イオンエンジンが安定放電状態に至った場合には前記減衰器の減衰量を大きくすることにより前記マイクロ波電力増幅回路へのマイクロ波電力の出力を減少制御してイオンエンジンにおけるマイクロ波電力の出力を下げるようにパワー制御可能としたことを特徴とする小型低消費電力イオンエンジン用マイクロ波電源の起動時パワーアップ回路。
【請求項３】
請求項２に記載の小型低消費電力イオンエンジン用マイクロ波電源の起動時パワーアップ回路において、
前記減衰器の減衰量を定常時よりも小さくする時間を調整可能とする制御回路を備えていることを特徴とする小型低消費電力イオンエンジン用マイクロ波電源の起動時パワーアップ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型・軽量化が求められる超小型衛星等において、そのミッション遂行のために必要な軌道制御を遂行するためのイオンエンジン、それも特に小型低消費電力イオンエンジンに用いられるマイクロ波電源の起動時パワーアップ回路に関し、さらに詳しくは、放電開始時には定常状態よりも高い電力のマイクロ波電力を出力し、定常状態となった場合にはマイクロ波電力を低下させて電力の省力化を図ることができるマイクロ波電源の起動時パワーアップ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオンエンジンは、推進剤、例えば、キセノンガスを直流放電やマイクロ波放電によってプラズマ化し、プラズマ化した陽イオン（キセノンイオン）に電圧をかけて放出することにより推力を得る電気推進システムであり、人工衛星等の軌道制御や姿勢制御に利用されている。従来のイオンエンジンの概略構成を図３に示す。進剤貯蔵タンク１１にはキセノンガス等の推進剤が高圧で貯蔵されており、推進剤は配管１７を介して一旦低圧タンク１３に送られ、さらに低圧タンク１３からスラスタバルブ１９を介してイオン源３のプラズマ生成室３ａ及び中和器５のプラズマ生成室５ａへ送られるようになっている。高圧タンク１１と低圧タンク１３との間の配管１７には圧力調整用の調圧バルブ１５が配置され、また、スラスタバルブ１９の上流側には推進剤の流量を制御する流量制限器１８が配置されている。そして、配管１７はイオン源３及び中和器５にそれぞれ連通されている。
【０００３】
一方、イオン源３のプラズマ生成室３ａ及び中和器５のプラズマ生成室５ａには同軸ケーブル４０によってそれぞれマイクロ波電源３０と接続されており、
マイクロ波電源３０で発生させたマイクロ波が同軸ケーブル４０を介してプラズマ生成室３ａ，５ａへそれぞれ供給されて推進剤がプラズマ化される。また、イオン源３のプラズマ生成室３ａで生成された電子は図示しない配線により中和器５のプラズマ生成室５ａへ運ばれるようになっている。
【０００４】
イオン源３には、プラズマ生成室３ａで生成されたイオンを加速するイオン加速部４が設けられており、このイオン加速部４はスクリーングリッド４ａと、アクセルグリッド４ｂを備えている。プラズマ生成室３ａ側に面してスクリーングリッド４ａが配置されており、スクリーングリッド４ａは直径０．５〜５．０ｍｍ程の開口（ホール）が多数穿設されたメッシュ状の部材である。また、スクリーングリッド４ａと隣接して配置された外側のアクセルグリッド４ｂは、スクリーングリッド４ａのホール径の半分程の孔径（直径１ｍｍ程の開口（ホール））が多数穿設されたメッシュ状の部材である。そして、このスクリーングリッド４ａとアクセルグリッド４ｂのホール中心が合致するように相互に位置決めされて配置されている。スクリーングリッド４ａのホールサイズはアクセルグリッド４ｂのホールサイズよりも大きく形成されているが、これは開口面積比率を高めて多数のイオンを抽出し外部に加速・放出するためである。尚、アクセルグリッド４ｂの後方にもう１枚のグリッド（ディセルグリッド）を設ける場合もある。
【０００５】
そして、スクリーングリッド４ａには電源ユニット７からプラスの電圧を印加し、アクセルグリッド４ｂには電源ユニット７からマイナスの電圧を印加することにより、プラズマ化されたプラスのイオンがアクセルグリッド４ｂの静電力によって引き寄せられて加速され、イオンビームとして外部へ放出される。
【０００６】
一方、プラスのイオンだけを放出していると人工衛星側がマイナスに帯電し、せっかく放出したプラスのイオンが人工衛星側に戻ってきてしまって推力にならなくなってしまうことから放出されるイオンビームと同量の電子によってイオンビームを電気的に中和し、イオンエンジンの帯電を防止するために中和器５が設けられている。そのため、中和器５にも推進剤を供給して電源ユニット７によってマイナスの電圧が印加されるようになっている。中和器５のプラズマ生成室５ａで生成されたプラスのイオンの一部は電子と一緒に放出されるが、残りのプラスのイオンはイオン源３のプラズマ生成室３ａから運ばれた電子と結合して再び中性のキセノンに戻り、さらにマイクロ波電源３０から供給されるマイクロ波によって再びプラズマ化されてリサイクルされる。
【０００７】
ここで、マイクロ波放電式のイオンエンジンの小型化において推進剤のプラズマ化に関する技術としては、例えば、特許文献１がある。特許文献１は、マイクロ波放電式のイオンエンジンにおいて、１つのプラズマ源をイオン源と電子源のどちらとしても作動できるようにしてイオンエンジンの小型化を達成しようとするものである。
また、特許文献２は、マイクロ波によってサイクロトロン共鳴を生起させることによりプラズマを生成し、イオンエンジンとして使用するプラズマ生成のための技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１６２１７８号公報
【特許文献２】特開平５−１７２０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
小型衛星に搭載するマイクロ波をエネルギーとしたイオンエンジンは推進剤として主にキセノンが使用されるが、推進剤のプラズマ化を確実に開始する際には低常時のマイクロ波出力よりも大きい電力を必要とする。
しかしながら、従来のイオンエンジンは、放電開始時に必要なマイクロ波電力によって放電が開始されて推進剤のプラズマ化が開始された後においてもマイクロ波電力を低減することなく供給していた。そのため、定常状態において必要以上の電力が供給されることとなり電力を無駄に消費していたという問題があった。特に電力収支が厳しい小型衛星では電力の無駄は極力排除されなければならない。この点、上記特許文献１、２においてもかかる課題についての認識は示されていない。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる従来の技術における問題点に鑑みなされたもので、イオンエンジンにおける初期の確実なプラズマ着火を確保すべく放電が開始される数十ミリ秒から数秒の間のみにプラズマ化に十分な電力を供給し、安定な放電状態に移行した後は、マイクロ波電力を低減して電力消費を抑制する小型低消費電力イオンエンジンに用いるマイクロ波電源の起動時パワーアップ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために請求項１に記載の本発明は、マイクロ波を発生するマイクロ波発振回路部と、前記マイクロ波発振回路部から出力されたマイクロ波を適切な信号レベルに減衰させる減衰器の起動時から所定の時間までの間の減衰量を定常時の減衰量よりも小さくなるように制御する制御回路とを備えて構成されていることを特徴とする小型低消費電力イオンエンジン用マイクロ波電源の起動時パワーアップ回路を提供する。
【００１２】
上記課題を解決するために請求項２に記載の本発明は、推進剤をプラズマ化するためのマイクロ波電力を発生させるマイクロ波電源の前段に設けられたマイクロ波発振回路部から出力されたマイクロ波を適切な信号レベルに減衰させる減衰器を配置すると共に、前記減衰器に接続されて該減衰器におけるビットのＨｉ／Ｌｏｗにより減衰量を制御可能な減衰量制御回路を設け、イオンエンジン起動時には前記減衰器の減衰量を小さくすることにより前記マイクロ波電源の終段に設けられたマイクロ波電力増幅回路への入力を増加制御してマイクロ波電力の出力を上げ、前記減衰器の起動時から所定時間が経過して前記イオンエンジンが安定放電状態に至った場合には前記減衰器の減衰量を大きくすることにより前記マイクロ波電力増幅回路へのマイクロ波電力の出力を減少制御してイオンエンジンにおけるマイクロ波電力の出力を下げるようにパワー制御可能としたことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決するために請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の小型低消費電力イオンエンジン用マイクロ波電源の起動時パワーアップ回路において、前記減衰器の減衰量を定常時よりも小さくする時間を調整可能とする制御回路を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る小型低消費電力イオンエンジン用マイクロ波電源の起動時パワーアップ回路によれば、イオンエンジンの起動時の初期着火時の所定の短い時間の間のみマイクロ波電力の出力を高めることにより推進剤の確実なイオン化（プラズマ化）を開始させ得ることができると共に、イオンエンジンが安定な放電状態（プラズマ化状態）となった定常的な運用状態では減衰器の減衰率を高めることでマイクロ波電力の出力を低くすることでイオンエンジンの定常時の電力消費を大幅に抑制することができるという効果がある。
【００１５】
また、小型低消費電力イオンエンジンであってもエンジン起動時に確実に推進剤のイオン化によるプラズマ着火を生起させ、以後、定常的な加速フェーズに至ると省電力下の最適なマイクロ波出力で所望のエンジン推力を継続的に維持できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る小型低消費電力イオンエンジン用マイクロ波電源の起動時パワーアップ回路が組み込まれた小型低消費電力イオンエンジンの構成を示すシステム構成図である。
【図２】マイクロ波電源のマイクロ波出力と小型消費電力イオンエンジンの作動フェーズとの関係を示す図である。
【図３】従来のイオンエンジンの基本的構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る小型低消費電力イオンエンジン用マイクロ波電源の起動時パワーアップ回路の構成と作用を、同回路が組込まれた小型低消費電力イオンエンジンのシステムにおける好ましい一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る小型低消費電力イオンエンジン用マイクロ波電源の起動時パワーアップ回路が組み込まれた小型低消費電力イオンエンジンの構成を詳示するシステム構成図である。尚、従来のイオンエンジンと同様の構造部分については図３と同じ符号を付し説明を省略する。
【００１８】
初めに、図１に示すように、小型低消費電力イオンエンジン１（以下、単に「イオンエンジン１」という。）は、キセノンガス等の推進剤を、例えば、約７Ｍｐａの高圧下で貯蔵する推進剤貯蔵タンク１１と、推進剤を例えば０．０３Ｍｐａの低圧下で貯蔵する低圧タンク１３を備えており、推進剤貯蔵タンク１１と低圧タンク１３との間の配管１７には圧力調整用の調圧バルブ１５が配置されている。そして、推進剤は低圧タンク１３からスラスタバルブ１９を介してイオン源３のプラズマ生成室３ａ及び中和器５のプラズマ生成室５ａへ送られるようになっており、スラスタバルブ１９の上流側には推進剤の流量を制御する流量制限器１８が配置されている。
【００１９】
イオン源３のプラズマ生成室３ａ及び中和器５のプラズマ生成室５ａは真空と直結しているため、低圧タンク１３の圧力に応じた流量で推進剤が流入する。そして、流量制限器１８によって圧力と流量の関係が決定され、スラスタバルブ１９の開閉によって推進剤の供給のオン／オフ制御が実行される。また、イオンエンジン１は、イオン源３のプラズマ生成室３ａ及び中和器５のプラズマ生成室５ａへマイクロ波電力を供給するマイクロ波電源３０を備えており、さらにマイクロ波電源３０から出力されたマイクロ波電力を２系統へ分配する２分配器３７を備えている。２分配器３７によって分配されたマイクロ波電力は整合用のアイソレータ３８ａ、３８ｂへそれぞれ送出され、これらのアイソレータ３８ａ、３８ｂがイオンエンジン１のイオン源３及び中和器５へそれぞれ所定の出力レベルへ増幅されたマイクロ波電力を供給するように構成されている。また、調圧バルブ１５、流量制限器１８、スラスタバルブ１９及び後述する誘電体発振回路３１、減衰量制御回路３４はコントローラ５０によってその動作が制御されるようになっている。
【００２０】
次に、本発明の要部となるマイクロ波電源３０と、このマイクロ波電源３０に備えられたれたエンジン起動時におけるマイクロ波電力の出力をパワーアップし、定常的な加速フェーズにおいてはマイクロ波出力を低下させ得るマイクロ波電源のパワーアップ回路について以下に詳述する。
【００２１】
既出のマイクロ波電源３０は、概略として、マイクロ波を発生するマイクロ波発振回路部３０ａと、マイクロ波発振回路部３０ａから出力されたマイクロ波を適切な信号レベルに減衰させる減衰器３３と、減衰器３３からの出力を所定の出力まで増幅するマイクロ波増幅回路部３０ｂを備えて構成されている。マイクロ波発振回路部３０ａは、基本周波数のマイクロ波を発生する誘電体発振回路３１と、この誘電体発振回路３１の発振周波数を安定化させる緩衝増幅器３２を備えている。また、減衰器３３には減衰量のコントロールを可能とする減衰量制御回路３４が設けられている。尚、減衰器３３としては、例えば、６ビットデジタル減衰器等が利用される。マイクロ波増幅回路部３０ｂは、前置増幅器３５と終段増幅器３６を備えて構成されている。
【００２２】
誘電体発振回路３１で発振されたマイクロ波は緩衝増幅器３２により発振周波数が安定化された状態で減衰器３３によって所定のレベルまで減衰される。このとき、減衰器３３の起動時、すなわち、イオン源３のプラズマ生成室３ａ及び中和器５のプラズマ生成室５ａへマイクロ波電力の供給を開始した時の減衰量は減衰量制御回路３４によってあらかじめ定めた定常時の減衰量よりも小さくなるように制御する。具体的には、減衰量制御回路３４は減衰器３３の起動時には、例えば、ＴＴＬ（transistor-transistor logic）レベルで“Ｈｉ”レベルを保ち、一定時間経過後は“Ｌｏｗ”レベルに移行するように減衰器３３の制御を行う。“Ｈｉ”から“Ｌｏｗ”への移行時間は数十ミリ秒から数秒の範囲で選択可能であり、例えば、トランジスタ回路のベースに挿入した積分回路でコレクタ電流をＯＮ／ＯＦＦすることで減衰器３３のビットを制御する。これにより、プラズマ着火が確実に行われ、プラズマ化が安定した定常状態となるまでの時間をあらかじめ設定しておくことができる。このように、減衰器３３を制御することにより、イオンエンジン１の起動時にプラズマ化に十分な電力が供給されて確実なプラズマ着火を確保すると共に、安定な放電状態に移行した後は供給するマイクロ波電力が低減されるので電力消費が抑制されることになる。
【００２３】
図１を再度参照すると、イオン源３のプラズマ生成室３ａ及び中和器５のプラズマ生成室５ａには、既述のように推進剤タンク１１に充填されたキセノンガス等の推進剤が管路１７を経てそれぞれに供給されるようになっており、プラズマ生成室３ａ及びプラズマ生成室５ａに供給された推進剤にアイソレータ３８ａ、３８ｂを介して出力された所定出力のマイクロ波を衝突させてイオン化ないしプラズマ化が行われる。
【００２４】
尚、イオン源３では加速領域でプラズマ化された推進剤、例えば、キセノンイオンが加速されてスクリーングリッド４ａ、４ｂを経てイオンビームとして噴射される。このキセノンイオン噴射の反力がイオンエンジン出力として利用される。他方、中和器５ではキセノンイオンが収集、除去することによって生成された電子「ｅ−」が噴射される。これにより、イオン源３から噴射されたキセノンイオンを中和器５から噴射された電子ビームによって電気的に中和して人工衛星側がマイナスに帯電することを防止する。
【００２５】
次に、パワーアップ回路を備えたマイクロ波電源のマイクロ波出力と小型消費電力イオンエンジンの作動フェーズとの関係について説明する。図１における終段部のマイクロ波増幅回路部３０ｂから出力されて２分配器３７へ入力されるマイクロ波のパワーレベルを図示のように“Ａ”と表示すると、本発明においては、このパワーレベル“Ａ”は、図２に示すような制御が行われる。すなわち、イオンエンジン１のイオン源３において実行されるプラズマ化に着目した場合、イオンエンジン起動フェーズ、つまりイオンエンジン１の着火時には確実にプラズマ着火が行われるように、２分配器３７からアイソレータ３８ａを経て入力されるマイクロ波出力のパワーレベル“Ａ”は高レベルに維持される。そして、イオンエンジン１が始動フェーズ状態を経て定常的な加速フェーズ（定常状態）に入るタイミングに達したときは、同アイソレータ３８ａを経てイオン源３に入力されるマイクロ波出力のパワーレベル“Ａ”をその定常的な加速フェーズで作動するイオンエンジン１の作動状態に最も適したパワーレベルまで減衰器３３及び減衰器３３に接続された減衰量制御回路３４の両者の作用によって図２に示すように低下させるものである。この際、イオンエンジン１の始動フェーズから定常的な加速フェーズに入る時期は、図２に示す時間ｔ1を数十ミリ秒から数秒までの時間範囲で選択設定することが好ましく、これは上記のようにコントローラ５０からの指令信号を用いて選択設定することができる。
【００２６】
すなわち、推進剤の初期イオン化による着火時にはマイクロ波出力のパワーレベル“Ａ”をマイクロ波増幅回路部３０ｂの増幅作用を経て増加させ、初期着火時期から一定の選択設定された時間範囲を経過後、イオンエンジン１における推進剤のイオン化が安定する定常加速フェーズに達するとマイクロ波のパワーレベル“Ａ”を始動時着火レベルよりも低下させるのである。これによって初期エンジン始動時以外はマイクロ波の出力は低下した状態に維持され、イオンエンジンの作動が安定して継続的に維持されるので、マイクロ波出力による電力消費の節減を十分に図ることが可能となる。
【００２７】
尚、初期のイオンエンジン始動フェーズから定常的な加速フェーズに入る図２に示す時間ｔ1を数十ミリ秒から数秒までの時間範囲で選択設定するには、コントローラ５０からの入力指令に応じて作動される減衰量制御回路３４を介して減衰器３３の減衰量を制御する際に、減衰量制御回路３４においてトランジスタ回路と同トランジスタ回路のベースに挿設した積分回路とでコレクタ電流をＯＮ／ＯＦＦ制御し、これによって減衰器３３のビットを制御して同減衰器３３の減衰量を低下又は増加する等の構成等とすることができる。
【００２８】
すなわち、イオンエンジン１の初期イオン着火時には減衰器３３の減衰量をＴＴＬレベルで“Ｈｉ”に保持して減衰量を予め選定して定めたイオンエンジンの定常的作動状態の減衰量より低下させるようにし、このような低下した減衰量のマイクロ波を減衰器３３の出力端から出力し、次いでマイクロ波増幅回路部３０ｂで増幅すれば、初期イオン着火時点には大きなマイクロ波出力を確保することができる。そして、既述した予め選定した所定時間（図２に示す数十ミリ秒〜数秒の間の選定時間ｔ1）後に、減衰器３３の減衰量をイオンエンジンの定常作動状態における減衰量、つまり、“Ｌｏｗ”レベルへ復帰させて減衰量を回復増大させれば、次段のマイクロ波増幅回路部へのマイクロ波出力は上記初期イオン着火時よりも低減され、イオンエンジン１のイオン源３及び中和器５（図１参照）へ送出されるマイクロ波電力が低減されることになる。これにより、イオンエンジン１における電力消費の低減を図ることが可能なマイクロ波電源３０が実現される。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上のように、本発明によれば小型低消費電力型イオンエンジンにおける推進剤のプラズマ化を行うためのマイクロ波電源においてその出力増強制御可能なパワーアップ回路が設けられることから、小型又は超小型人工衛星や宇宙探査機に搭載される低消費電力型イオンエンジンの電力消費を低減させることができ、また、イオンエンジン自体の長寿命化と安定化を図り、ひいては電力収支の厳しい小型又は超小型人工衛星においても所望とされる達成使命ないしミッションの遂行をより確実化し、ミッション遂行上の信頼性をより一層向上させることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１      小型低消費電力イオンエンジン
３      イオン源
４      イオン加速部
５      中和器
７      電源ユニット
１０      プラズマ着火用ガス供給システム
１１      推進剤タンク
１３      低圧タンク
１５      調圧バルブ
１７      配管
１８      流量制限器
１９      スラスタバルブ
３０      マイクロ波電源
３０ａ      マイクロ波発振回路部
３０ｂ      マイクロ波増幅回路部
３１      誘電体発振回路
３２      緩衝増幅器
３３      減衰器
３４      減衰量制御回路
３５      前置増幅器
３６      終段増幅器
３７      ２分配回路
５０      コントローラ
【図１】
2014173534.tif 000003
【図２】
2014173534.tif 000004
【図３】
2014173534.tif 000005