(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状の放電空間の軸方向一方から推進剤を導入して、該推進剤より生成されたイオンを電界によって加速し、該放電空間の他方の出力端より排出して推力を得る電気推進装置であって、
該放電空間の半径方向に磁場を形成する磁気回路を有し、前記電界の形成に寄与するアノード電極を該放電空間内に備えるホールスラスタと、
前記ホールスラスタの前記出力端の近傍に配設され、作動ガスが供給される円筒形の放電容器及び該放電容器に沿って配設された誘導コイルを有し、該誘導コイルに高周波電力を供給することで、前記放電容器内の放電空間において前記作動ガスをプラズマ化し、生成された電子を放出する誘導結合プラズマ電子源とを備えており、
前記ホールスラスタのアノード電極と前記誘導結合プラズマ電子源とが電気的に容量性結合するように、前記ホールスラスタと誘導結合プラズマ電子源とを配設したことを特徴とする電気推進装置。
【請求項２】
前記誘導結合プラズマ電子源は、
前記放電容器内に前記誘導コイルを配設したインナーコイルタイプのＲＦカソードにより形成されている請求項１記載の電気推進装置。
【請求項３】
前記ホールスラスタは、前記出力端近傍に、前記アノード電極を配設したアノードレイヤ型ホールスラスタである請求項１記載の電気推進装置。
【請求項４】
直流放電によりカソードを加熱して熱電子を放出する直流放電タイプの電子源をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の電気推進装置。
【請求項５】
前記ホールスラスタを複数個設け、複数個の前記ホールスラスタに対して、１つ以上の前記誘導結合プラズマ電子源が電気的に容量性結合するように配設したことを特徴とする請求項１記載の電気推進装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、宇宙空間において推進力を発生する電気推進装置に関し、特に静電加速型の１つであるホールスラスタ（Hall Effect Thruster）を用いた電気推進装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、宇宙空間において推進力を発生する電気推進装置の分野では、太陽発電衛星などの大型宇宙構造物建設用の宇宙輸送機、月や地球近傍での軌道間輸送、或いは有人惑星探査を目的とした軌道間輸送システムへの展開を念頭にした大型電気推進装置の研究開発が進められている。ホールスラスタ、イオンエンジンなどの静電加速型の電気推進ロケットは、プラズマ生成やイオンビームの中和用に電子を発生させる電子源を必要としており、この電子源の性能も電気推進システムの性能や寿命に大きく影響する。
【０００３】
下記に例示した特許文献１には、このようなイオンエンジンを用いた電気推進装置が開示されており、特許文献２及び非特許文献１には、ホールスラスタを用いた電気推進装置の構成が開示されている。
【０００４】
イオンエンジンは、静電界を用いて生成したプラズマからイオンを抽出し加速するため、高噴出速度（高比推力3000〜10000秒）すなわち低燃費を特徴とする一方、空間電荷制限則のため、単位面積当たりの推力の基準となるイオンビーム密度が制限されてしまう。これに対しホールスラスタは、比推力1500〜2000秒において５０％を超える推進効率が得られ、さらにイオン加速領域が電気的に準中性に保たれるため空間電荷制限則の影響を受けず、高い推力密度が得られる。このようなことからホールスラスタは、推力、比推力、推進効率などで示される性能のバランスに優れており、小型化が可能であり、今後の主推進装置として最も注目を集めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４９２５１３２号
【特許文献２】特許第５２９５４２３号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Semenkin,A.,  Kochergin, A., Garkusha, V., Chislov, G. and Rusakov, A. : RHETT/EPDM Flight Anode Layer Thruster Development, IEPC Paper ９７−１０６，１９９７
【非特許文献２】Ｙａｍａｍｏｔｏ，  Ｎ．，  Ｋｏｍｕｒａｓａｋｉ，  Ｋ．  and  Arakawa, Y.  :  Dischaｒge  Current  Oscillation in Hall Thrusters ,  Journal of  Propulsion and Power，  ２１  （２００５），  pp. 870-876
【非特許文献３】横田茂、安井伸輔、熊倉賢、小柴公也、荒川義博：アノードレイヤ型ホールスラスタ内部のシース構造と放電電流の数値解析、  日本航空宇宙学会論文集、  ５４  （２００６）、pp.30-44
【非特許文献４】Tony Schonherr, Rei Kawashima, Hiroyuki Koizumi and Kimiya Komurasaki, “Design and Performance Evaluation of Thruster with Anode Layer UT-58 for High-Power Application,” The 33rd International Electric Propulsion Conference, Oct. 2013, IEPC-2013-242
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特に特許文献１で開示されているように、このようなホールスラスタ、特にシース型とも呼ばれるアノードレイヤ型ホールスラスタ（Thruster with Anode Layer：ＴＡＬ）では、放電電流が変動する放電振動が生じ、殆どの作動パラメータ領域において比較的大きく、放電が不安定となってプラズマを安定して形成できないという問題があった。
【０００８】
これまでにこの放電電流の振動現象を解明し、低減させるべく多くの研究が成されてきたが、アノードレイヤ型ホールスラスタの場合には、円環状の放電空間内に嵌合する形状を呈する中空のホローアノードを用いることがその最も代表的な例となっているが（非特許文献１〜３参照）、これを用いた場合にも、放電振動をある程度低減できるものの、より一層の振動低減が望まれている。また、プラズマを安定的に形成することができる作動パラメータ領域も狭いという課題もあった。
【０００９】
さらに、ホールスラスタの推力発生プロセスとして、円環状の放電空間内に電子を供給する必要があり、また、放出されたイオンビームを中和させるための電子を供給する必要もある。このため、これらに用いるための電子を発生させる電子源を備えている。この電子源には、プラズマから電子を抽出する方式が主に広く採用されており、熱電子放出による直流放電式、高周波放電式及びマイクロ波放電式に大別される。一般的には、低ガス流量・低電力で比較的十分な電子放出能力を有することなどから、ホローカソード（Hollow Cathode）と呼ばれる直流放電式が広く採用されており、宇宙空間での作動実績も多い。
【００１０】
しかし、ホローカソードは酸素等により性能や寿命が劣化するため、厳重な管理が必要であった。また、酸化物陰極が劣化し易く、寿命を制限する要因が極めて多く、寿命の個体差が大きいなど、優れた電子放出性能を有するが、長期的に安定して作動させるには熱的・化学的に様々な制約があり、劣化が進むとプラズマ点火に長時間を要するなどの課題があった。
【００１１】
本発明はこのような課題を解決すべく成されたものであり、その目的は、放電振動をより一層低減させると共に、推進剤流量、アノード電圧、磁場強度などの作動パラメータを変化させた場合にも、従前よりもより拡大された安定作動領域が得られる電気推進装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記課題を解消すべく鋭意検討した結果、電子源として一般的に大電流化が困難とされていた誘導結合プラズマ電子源の大電流化を実現し、さらにホールスラスタと誘導結合プラズマ電子源との配設関係に着目し、ホールスラスタと電子発生源とを特定の電気的結合関係を持たせた状態で配設することで、前述した放電振動が十分に抑制され、安定作動領域が拡大することを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は以下の各発明を提供するものである。
１．円環状の放電空間の軸方向一方から推進剤を導入して、該推進剤より生成されたイオンを電界によって加速し、該放電空間の他方の出力端より排出して推力を得る電気推進装置であって、
該放電空間の半径方向に磁場を形成する磁気回路を有し、前記電界の形成に寄与するアノード電極を該放電空間内に備えるホールスラスタと、
前記ホールスラスタの前記出力端の近傍に配設され、作動ガスが供給される円筒形の放電容器及び該放電容器に沿って配設された誘導コイルを有し、該誘導コイルに高周波電力を供給することで、前記放電容器内の放電空間において前記作動ガスをプラズマ化し、生成された電子を放出する誘導結合プラズマ電子源とを備えており、
前記ホールスラスタのアノード電極と前記誘導結合プラズマ電子源とが電気的に容量性結合するように、前記ホールスラスタと誘導結合プラズマ電子源とを配設したことを特徴とする電気推進装置。
２．前記誘導結合プラズマ電子源は、前記放電容器内に前記誘導コイルを配設したインナーコイルタイプのｒｆカソードにより形成されている１記載の電気推進装置。
３．前記ホールスラスタは、前記出力端近傍に、前記アノード電極を配設したアノードレイヤ型ホールスラスタである１記載の電気推進装置。
４．直流放電によりカソードを加熱して熱電子を放出する直流放電タイプの電子源をさらに備えることを特徴とする１記載の電気推進装置。
５．前記ホールスラスタを複数個設け、複数個の前記ホールスラスタに対して、１つ以上の前記誘導結合プラズマ電子源が電気的に容量性結合するように配設したことを特徴とする１記載の電気推進装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電気推進装置は、放電振動をより一層低減させると共に、推進剤流量、アノード電圧、磁場強度などの作動パラメータを変化させた場合にも、従前よりもより拡大された安定作動領域が得られるものである。
更に詳細には、本発明にかかる電気推進装置では、電子源として誘導結合プラズマ電子源を採用した。この誘導結合プラズマ電子源は、供給する高周波電力を増大させても放出される電子量の変化が少ないため、大きな電子放出量を得ることは困難であると一般的に考えられていた。しかし研究の結果、高周波電力を増大させた場合に、放出される電子量が飛躍的に増大する遷移条件が存在することが明らかになった。かかる性質を利用することにより電子放出能力を重視した場合にも、電子源としてホローカソードに替えて誘導結合プラズマ電子源を用いることが可能であることが判明し、しかもこの誘導結合プラズマ電子源を用いることにより、前述したようなホローカソードを用いた場合の欠点を全て払拭することができる。そして誘導結合プラズマ電子源が有する長所として、即時点火が可能かつ点火手順が簡素であり、構造が簡素であるため電源数の削減にも寄与でき、地上の環境雰囲気下で容易に劣化が進んでしまうような構成部材がないため地上での劣化管理が容易であり、さらに電源効率が高いなどの様々な利点を享受することが可能となる。
【００１５】
また、ホールスラスタのアノード電極と誘導結合プラズマ電子源とが電気的に容量性結合した状態では、誘導結合プラズマ電子源に高周波電力を供給してプラズマを点火させると、隣接するホールスラスタ側ではアノード電極や磁気回路に電源を供給していない状態であっても、推進剤が導入された円環状の放電空間にプラズマの光輝が観測される。本発明においては、このように互いに電気的に容量性結合する状態となるよう、ホールスラスタに対して誘導結合プラズマ電子源を配設することで、ホールスラスタを実稼働させた場合に放電振動が大幅に軽減されることが実験的に明らかになった。このように放電振動を十分に抑制できる結果、ホールスラスタの放電空間におけるプラズマをより安定的に形成することが可能となり、誘導結合プラズマ電子源から大きな電子放出量が得られる効果と相まって、推進剤流量、アノード電圧、磁場強度などの作動パラメータを変化させた場合にも、ホールスラスタが安定して作動する安定作動領域を拡大させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】電気推進装置の全体的なシステム構成を示す模式図である。
【図２】アノードレイヤ型ホールスラスタの外観を示す斜視図である。
【図３】アノードレイヤ型ホールスラスタの軸方向断面であり、中心軸から半径方向片側のみを拡大して示す断面図である。
【図４】与圧室を構成する各部材を示す斜視図である。
【図５】ＲＦカソードに供給する高周波電力と電子放出量（アノード電流）との関係を示すグラフである。
【図６】作動ガスの種類及びアノード電圧を変化させた場合における、ＲＦカソードの電子放出量（アノード電流）の変化を示すグラフである。
【図７】ＴＡＬ及びＲＦカソードの互いの放出側端面を写した観測写真である。
【図８】アノード電極と接地電位との間に流れる放電電流及びアノード電圧を計測した結果を示すグラフである。
【図９】電気推進装置の作動シーケンスを示すチャートである。
【図１０】ＴＡＬ及びＲＦカソードの互いの放出側端面を写した観測写真である。
【図１１】ＴＡＬ及びＲＦカソードの互いの放出側端面を写した観測写真である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）はＴＡＬ及びＲＦカソードの互いの放出側端面を写した観測写真である。
【図１３】ＴＡＬ及びＲＦカソードの互いの放出側端面を写した観測写真である。
【図１４】（ａ）はＲＦカソードにおける放電電流の変化を示すグラフ、（ｂ）はホローカソードにおける放電電流の変化を示すグラフである。
【図１５】電子源にＲＦカソード／ホローカソードを用いた場合における、ＴＡＬの安定作動領域を示すグラフである。
【図１６】安定作動領域を示すグラフである。
【図１７】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ所定の推進剤流量を供給した場合に、磁束密度とアノード電圧をパラメータとして、作動安定性を評価した結果を示すグラフである。なお、（ｄ）はホローカソードを用いた場合の結果である。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ所定のアノード電圧を与えた場合に、磁束密度と推進剤流量をパラメータとして、作動安定性を評価した結果を示すグラフである。なお、（ｃ）はホローカソードを用いた場合の結果である。
【図１９】（ａ）、（ｂ）は、与える推進剤流量及びアノード電圧を所定レベルに固定し、磁束密度と放電電流をパラメータとして、作動安定性を評価した結果を示すグラフである。なお、（ｂ）はホローカソードを用いた場合の結果である。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ所定のアノード電圧を与えた場合に、磁束密度とキセノン流量をパラメータとして、作動安定性を評価した結果を示すグラフである。
【図２１】ホールスラスタ、ＲＦカソード及びホローカソードの配設状態を概略的に示す模式図である。
【図２２】ホールスラスタ及びＲＦカソードの配設状態を概略的に示す模式図である。
【図２３】ホールスラスタ及びＲＦカソードの配設状態を概略的に示す模式図である。
【図２４】ホールスラスタ及びホローカソードの配設状態を概略的に示す模式図である。
【図２５】ホールスラスタ、ＲＦカソード及びホローカソードの配設状態を概略的に示す模式図である。
【符号の説明】
【００１７】
１：電気推進装置、１０：真空チャンバ、２０：直流電源、３０：キセノンタンク、４０：高周波電源、５０：直流電源、１００：アノードレイヤ型ホールスラスタ（ＴＡＬ）、１１０：インナー磁気ポール、１２０：アウター磁気ポール、１４０：出力端、１６０：アノード電極、１９０：放電空間、２００：ＲＦカソード（誘導結合プラズマ電子源）、３００：ホローカソード
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図1に実施形態にかかる電気推進装置のシステム構成を模式的に示す。電気推進装置１は推力を発生する本体部にアノードレイヤ型ホールスラスタ（以下「ＴＡＬ」と記す）１００を備えると共に、このＴＡＬ１００に対して電子を供給し、かつＴＡＬ１００から放出されるイオンビームを中和させる電子源には誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma）電子源としてのＲＦカソード２００を備えており、これらの主要な構成部を真空チャンバ１０内に配設している。
【００１９】
図２及び図３に示すように、ＴＡＬ１００は中心部に円柱形状のインナー磁気ポール１１０（図３参照）を有しており、その外周部には、インナー磁気ポール１１０との間に、円環の筒型形状の空隙を設けるような状態で、６本のアウター磁気ポール１２０を等間隔で且つ６本が一つの円周上に位置するように配設している。インナー磁気ポール１１０は鉄心１１２に対してソレノイドコイル１１４を巻き付けて構成しており、アウター磁気ポール１２０も同様に、鉄心１２２に対してソレノイドコイル１２４を巻き付けて構成している。
【００２０】
インナー磁気ポール１１０の鉄心１１２の軸方向一端側は、インナー磁気ポール１１０に比べて大きな径をなす鉄製円盤状のリターンヨーク１３０に対して固定しており、他端側は、インナー磁気ポール１１０のポール径とほぼ同じ大きさに形成した鉄製円盤状の内側ポールピース１３２を固定している。また、各アウター磁気ポール１２０の鉄心１２２の軸方向一端側も、このリターンヨーク１３０に固定し、各々の鉄心１２２の他端側は、鉄製の平板リング状に形成した外側ポールピース１３４にそれぞれ固定している。
【００２１】
各ソレノイドコイル１１４、１２４には、直流電源２０（図１参照、なお接続形態は公知の接続形態を特に制限なく用いることが可能であるため省略する）が個々に接続されており、ソレノイドコイル１１４、１２４にコイル電流が供給されることでインナー磁気ポール１１０及び各アウター磁気ポール１２０が励磁される。このような構成により、インナー磁気ポール１１０、アウター磁気ポール１２０、リターンヨーク１３０、内側ポールピース１３２及び外側ポールピース１３４によって磁気回路を構成しており、内側ポールピース１３２と外側ポールピース１３４との間に形成される円環状の空隙には、内周側と外周側との間に半径方向に沿う磁場を放射状に形成することができる。なお、この円環状の空隙が後述するように放電空間を形成する部位であり、その軸方向他方（他端側）に位置する部分が、ＴＡＬ１００からイオンビームが出力される出力端１４０となる。
【００２２】
内側ポールピース１３２と外側ポールピース１３４との間に形成される円環状の前記空隙には、リターンヨーク１３０側から順に、後述するように１カ所から供給される推進剤のガスを周方向に均一に供給するための供給予備室１５０と、一端側が開口した円環状の放電空間を形成するアノード電極１６０とを備えており、いずれも銅材によって形成している。また、この銅製の予圧室１５０及びアノード電極１６０と、これらを囲むように配設されているインナー磁気ポール１１０、アウター磁気ポール１２０及びリターンヨーク１３０との間を、セラミック材１７０によって覆っており、予圧室１５０及びアノード電極１６０は周辺の他の構成部材とは電気的に絶縁された状態となっている。
【００２３】
供給予備室１５０は、図４に示すように、円環状の底面板１５２、その内周側に設けた円筒形状の内壁板１５４、その外周側に設けた円筒形状の外壁板１５６からなる室形成部材によって区画されている。またアノード電極１６０側には円環状の仕切り板１５８（図３参照）が配設されており、図３に示すように、供給予備室１５０は図４に示す室形成部材における開放側端を仕切り板１５８によって閉塞した状態で区画される。また底面板１５２には推進剤を内部に導入する開口部１５１が形成されており、相対する仕切り板１５８には、図３に示すように、仕切り板１５８を厚さ方向に貫通する細径の導入孔１５８ａが一定の間隔を空け円周方向に沿って複数箇所に形成されている。
【００２４】
底面板１５２の開口部１５１は、推進剤としてのキセノンが充填されたキセノンタンク３０とガス供給管路系３６を介して接続されており（図１参照）、キセノンタンク３０から導かれたキセノンは、流量調節部３２、高周波漏洩遮断部３４及びガスアイソレータ３８などを経由して開口部１５１から供給予備室１５０に導入される。供給予備室１５０に導入されたキセノンは、仕切り板１５８の各貫通孔１５８ａからアノード電極１６０内側の放電空間１９０内に均一に供給される。
【００２５】
アノード電極１６０は、内周側に設けた円筒形状の内側環状電極１６２と、外周側に設けた円筒形状の外側環状電極１６４とを有しており、外側環状電極１６４は、供給予備室１５０側に比べ出力端１４０側の径が小さくなるような段差部を途中に設けている。内側環状電極１６２と外側環状電極１６４とは、それぞれ予圧室１５０側端部を仕切り板１５８に固定して閉塞させ、他端側を開放させて前述の出力端１４０を構成している。したがって、仕切り板１５８は、内側環状電極１６２と外側環状電極１６４に対して構造的にも電気的にも一体的に構成されるため、いわゆる仕切り板としての機能と共に、アノード電極１６０の底面部としても機能するものである。このように構成したアノード電極１６０には直流電源５０によってアノード電圧が印加され、内側環状電極１６２と外側環状電極１６４との間の空隙によって、円環状の放電空間１９０が形成され、その出力端１４０付近に加速チャンネルが形成される。
【００２６】
また出力端１４０の内周側と外周側には、内側環状電極１６２及び外側環状電極１６４に沿って放電空間１９０内に延びるガードリング１８０を設けている。２つのガードリング１８０はともにステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の円環状に形成されており、内周側のガードリング１８０は内側環状電極１６２の内周側にあって基端部を内側ポールピース１３２に固定しており、外周側のガードリング１８０は外側環状電極１６４の外周側にあって基端部を外側ポールピース１３４に固定している。２つのガードリング１８０は共にカソード側と電気的に接続されカソード電位に保たれている。このようにガードリング１８０によって出力端１４０付近の加速チャンネル壁がカソード電位に保たれているため、電子はこの付近の加速チャンネル壁に衝突せずに放電空間１９０の奥深部へ向かうように作用する。
【００２７】
一方、ＴＡＬ１００の電子源となるＲＦカソード２００は、図１に概略的に示すように簡素な部品構成となっており、円筒形の放電容器２１０の内側に、この円筒形状に沿うように誘導コイル２２０を配置したインナーコイルタイプである。なお、放電容器２１０及び誘導コイル２２０は、本実施形態においては、いずれも非磁性の金属材料により構成されている。
誘導コイル２２０にはマッチングボックス４２を介して高周波電源４０が接続されており、誘導コイル２２０には１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。なお、誘導コイル２２０はセラミックを介して放電容器２１０側に固定されており、放電容器２１０と誘導コイル２２０とは電気的に絶縁された状態である。また、作動ガスとしては推進剤と同じキセノンを用いており、キセノンタンク３０に接続されたガス供給管路系３６を介して、キセノンガスが放電容器２１０内に供給される。放電容器２１０内ではキセノンを電離させ誘導結合プラズマを発生させ、生成された電子はオリフィス２３０を介して放電容器２１０の外に放出される。また、生成されたイオンは放電容器２１０内に捕らえられ、ＲＦ電子電流として外部に出力される。なお、作動ガスとしては、推進剤とは別のガス供給系を形成して、推進剤とは異なるガス種を用いることも可能である。
【００２８】
ここでＲＦカソード２００の大電流モードについて図５を参照して説明する。
【００２９】
ＲＦカソード２００に対して、作動ガスとして流量０．６ｍｇ／ｓのキセノンガスを用い、誘導コイル２２０に供給する高周波電力（１３．５６ＭＨｚ）を徐々に増加させた場合、高周波電力が２００Ｗを超えた領域においても、電子放出量を示すアノード電流の変化は小さく、数Ａ程度である。従来、このような現象から、ＲＦカソードでは大きな電子放出量を得ることが困難であると一般的に考えられていた。しかし、実験の結果、電子の放出量が飛躍的に増大する遷移条件が存在することが明らかになった。すなわち、図５に示すように、一例としてキセノンガスの流量を０．７ｍｇ／ｓとし、供給する高周波電力を３００Ｗまで上昇させると、電子の放出量が飛躍的に増大し、アノード電流が２０Ａ以上に急激に増加する大電流モードが出現することが確認された。
【００３０】
そこで、この結果を踏まえＲＦカソードに対して供給する高周波電力を３００Ｗとして、ＲＦカソードをこのような大電流モードで作動させる状態において、作動ガスの種類及びアノード電圧を変化させた場合の結果を図６に示す。作動ガスとしてキセノンを用い１．０ｍｇ／ｓの流量で供給し、アノード電圧を増加させた場合にはアノード電流も増加する傾向にあり、例えばアノード電圧が２５Ｖ程度でアノード電流が２０Ａとなっている。これは今後の大型電気推進装置のベースとなる５ｋＷクラスのホールスラスタに必要とされる電子放出量の１５Ａ程度を十分にクリアしている。また、希少かつ高価であるキセノンと比較し、入手が容易で実用が期待されるアルゴンを作動ガスに用いた場合にも２０Ａの電子放出量を得られることが確認できた。
【００３１】
＜実施例＞
このような大電流モードで作動させるＲＦカソード２００を、ＴＡＬ１００の電子源として用いて、各種の測定を行った。なお、使用したＴＡＬ１００の直径は１７４ｍｍ、ＲＦカソード２００における放電容器２１０の直径が５１ｍｍである。またＴＡＬ１００及びＲＦカソード２００の互いの放出側端面の中心部間の距離は９０ｍｍに設定した。
【００３２】
さらにこの際、ＴＡＬ１００とＲＦカソード２００との配設関係として、互いに電気的に容量性結合状態となるように配設した。ここで容量性結合状態とは、２つの導電性部材間において、一方側の電気的なエネルギー変化が他方にも電気的なエネルギー変化として伝達されるエネルギー伝達であり、電気回路におけるコンデンサと同様に作用する状態である。具体的には、ＴＡＬ１００とＲＦカソード２００とが電気的に容量結合状態となると、以下に説明する現象が観測される。
【００３３】
図７はＴＡＬ１００及びＲＦカソード２００の互いの放出側端面を写した観測写真である。図中にＲＦ／Ｃと示した側がＲＦカソード２００の電子放出面であり、ＨＥＴと示した側がＴＡＬ１００の出力端１４０が形成された放出面である。この状態は、ＲＦカソード２００に作動ガスのキセノンを流量０．６ｍｇ／ｓで供給し、１３．５６ＭＨｚ、３００Ｗの高周波電力を供給して点火させた状態である。放電容器２１０内に生じた誘導結合プラズマが、中央のオリフィス２３０から外側に引き出された光輝が観測されている。相対するＴＡＬ１００では、キセノンは供給しておらず、アノード電圧も印加せず、ホール磁場も形成していない状態であり、光輝が観測されることはない。
この状態で、アノード電極１６０と接地電位との間に流れる放電電流と、アノード電圧を計測した結果を図８に示す。
この結果より、アノード電圧はほぼ０Ｖが維持されているが、放電電流は振幅０．３Ａ程度で周期的に変化しており、その周期は７０数ｎｓ程度である。この周期はＲＦカソード２００側で作動中の高周波電源４０の周波数１３．５６ＭＨｚの１周期となる７３．７４ｎｓにほぼ一致する。これは電気回路におけるコンデンサと同様に、ＴＡＬ１００とＲＦカソード２００とが容量結合状態された状態と考えられ、一方のＲＦカソード２００側で起きている振動的な電気エネルギー変化が、対向するＴＡＬ１００のアノード電極１６０に伝わり、放電電流の変化として検出されたと考えられる。
【００３４】
図９に、このように容量結合状態で配設されたＴＡＬ１００及びＲＦカソード２００を用いた電気推進装置の作動シーケンスを示す。以下、この作動シーケンスに従って順に説明する。
【００３５】
まずＳ１０では、ＴＡＬ１００に対してキセノンを流量２．０ｍｇ／ｓで供給する。この時点では、ＴＡＬ１００側ではアノード電極１６０に電圧は印加されておらず、ソレノイドコイル１１４，１２４にも電流は供給していない状態である。またＲＦカソード２００に対しても高周波電力を印加してない状態であり、プラズマによる発光現象等は観測されることはない。
【００３６】
続くＳ１２においてＲＦカソード２００を点火する。この際、ＲＦカソード２００には作動ガスのキセノンを流量０．５ｍｇ／ｓで供給し、高周波電源４０から３００Ｗの高周波電力を供給する。この状況で観測された結果を図１０に示す。図中のＲＦ／Ｃ側に放電容器２１０内に生じた誘導結合プラズマの光輝がオリフィス２３０を介して観測されている。さらにこのとき、キセノンが供給されているＴＡＬ１００の放電空間１９０にもリング状の淡いプラズマ光輝が観測されている。このリング状の淡いプラズマ光輝は、ＴＡＬ１００が正常に作動した後、定常状態でイオンビームが出力端１４０から放出される際の輝度に比べてかなり低い輝度である。この段階ではＴＡＬ１００側ではキセノンは供給されているが、その他の電源系は停止状態であり、アノード電圧は未供給であるため電界は形成されておらず、ホール磁場も形成されていない状態である。しかし前述したように、ＴＡＬ１００側とＲＦカソード２００側が容量結合された状態であるため、ＲＦカソード２００内に形成された誘導結合プラズマが誘因となって、これと容量的に結合する容量性結合プラズマが、電離度の低いプラズマとしてＴＡＬ１００の放電空間１９０内に励起されたと考察される。
【００３７】
続くＳ１４では、直流電源２０によって各ソレノイドコイル１１４，１２４にコイル電流を供給し、円環状の放電空間１９０に半径方向に磁束密度２０ｍＴの磁場Ｂを印加する。これにより、図１１に示すように、ＴＡＬ１００の放電空間１９０内に観測されていたリング状の光輝が消失し、かつ、ＲＦカソード２００側ではオリフィス２３０から引き出されたプラズマ光輝の拡散状態が変化している。この状態を、観察角度を変えて、出力端１４０が形成されたＴＡＬ１００の放出側端面を正面から観察した結果を図１２（ａ）、（ｂ）に示す。中心から外側に向かう方向を正として磁束密度を示しており、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、磁場Ｂの方向を反転させるとＲＦカソード２００から引き出されたプラズマ光輝の拡散方向も反転している。このことからもＴＡＬ１００側とＲＦカソード２００側とが容量結合していることがわかる。なお、観測された現象や測定結果に基づいて、ＴＡＬ１００側とＲＦカソード２００側とが容量性結合であると捉えて考察したが、高周波が関わる状況下では誘導性結合も複合的に生じている可能性もあり、容量性結合以外の電気的結合関係をさらに有していることを除外するものではない。
【００３８】
続くＳ１６では、直流電源５０を作動させアノード電圧の印加を開始する。すなわち、直流電源５０の出力電圧を上昇させ、アノード電極１６０に対する印加電圧を上昇させる。直流電源５０の出力電圧が３００Ｖ〜４００Ｖ程度まで上昇すると、続くＳ１８で示すようにＴＡＬ１００の放電空間１９０内での主放電の点火が確認される。正常に放電が点火されると、放電空間１９０の出力端１４０からイオンビームが放出され始め、定常運転状態に移行する。先のＳ１４において消失した放電空間１９０のリング状光輝がＳ１８において再び観測されるが、この際に観測されるリング状光輝は正常なプラズマ放電による光輝であり、図１０で示したような薄暗い光輝ではなく、図１３に示すように極めて輝度が高いものとなっている。
【００３９】
図１４(ａ)に、このように定常運転状態となったＴＡＬ１００における放電電流の振動波形を示し、図１４(ｂ)に、電子源としてＲＦカソード２００に替えてホローカソードを用いた場合の放電電流の振動波形を示す。この結果を比較すると、ＲＦカソード２００を用いた場合には、ホローカソードを用いた場合に比べ、放電振動を示す放電電流の振動振幅を１／３〜１／４程度に抑制できることが明らかになった。
【００４０】
また図１５は、ＴＡＬ１００の作動パラメータとなる推進剤流量、アノード電圧及び磁場強度を変化させた場合に、ＴＡＬ１００の放電が落ちずに安定的に作動し得る安定作動領域を示しており、横軸が磁場強度、縦軸がアノード電圧と推進剤流量との積値で示している。このグラフでは、点線で囲まれた領域について検証を行ったものであり、この全領域内においてＲＦカソード２００は安定的に作動した。これに対して、実線で囲まれた領域がホローカソードを用いた場合の安定作動領域であり、この結果より、ホローカソードに比べてＲＦカソード２００を用いた場合に安定作動領域が十分に拡大されていることが分かる。
【００４１】
なお、非特許文献１では、電子源としてホローカソードを用いたホールスラスタが開示されており、非特許文献１で開示された各種作動パラメータとの比較結果を図１６〜図２０において示す。いずれの結果でも、電子源にホローカソードを用いた非特許文献４のホールスラスタに比べ、ＲＦカソードを採用した本実施形態のホールスラスタの方が、より作動条件が厳しい作動パラメータの領域においても安定して作動することが分かる。この中で、図１６のグラフは、横軸を磁場強度、縦軸をアノード電圧と推進剤流量との積値で示しており、「ＴＭＵ−ＨＥＴ」が実施例で示した電気推進装置１のデータであり、「ＵＴ−５８」が非特許文献４で示した電気推進装置のデータである。
【００４２】
以上説明した実施形態では、ＲＦカソード２００を、ホールスラスタの定常電子源として用いたが、ホールスラスタの主放電の点火装置として利用することも可能である。この場合の使用方法としては、ホールスラスタの放電空間内に推進剤ガスを供給し、アノード電圧を印加せず、かつ、ホール磁場も形成しないか或いは極く弱いホール磁場を形成した状態とする。この状態でＲＦカソードを作動させると、ホールスラスタの放電空間には、図１０で示した淡い光輝を発する容量結合性のプラズマが形成される。
このような使用方法によって、ＲＦカソードを主放電のプラズマ点火用に用いることができる。そして、主放電が正常に点火された後にはＲＦカソードをオフ状態とし全ての機能を停止させ、消費電力を低減する。このように作動させることで、ホローカソードを用いた場合に比べて極めて短時間に主放電を点火させることができる。
【００４３】
また、実施形態で例示したＲＦカソードに加えてホローカソードを配設し、この双方を電子源として利用することも可能である。この場合の使用例としては、電源供給により直ちに作動可能なＲＦカソードを主放電の点火初期時に使用し、定常運転状態に移行した後、立ち上がりに時間がかかるホローカソードから電子が放出されるタイミングで、ＲＦカソードを停止させ、ホローカソードをその後も継続して使用する。このように使用することで、消費電力の大きいＲＦカソードを主放電の点火初期時にのみ使用して、主放電を直ちに点火できると共に、その後にホローカソードに切り替えて作動させるため消費電力を抑えることができる。
【００４４】
さらに、実施形態で例示した１つのＲＦカソードを中心として、周囲を囲むように複数のホールスラスタを配し、ＲＦカソードと各ホールスラスタとが電気的に容量性結合するように設置し、１つのＲＦカソードを、周囲に配した各ホールスラスタの主放電点火用に用いることも可能である。この場合の使用例としては、各ホールスラスタの放電空間内に推進剤ガスを供給し、アノード電圧を印加せず、かつ、ホール磁場も形成しないか或いは極く弱いホール磁場を形成した状態とし、この状態で中央のＲＦカソードを作動させる。各ホールスラスタの放電空間には、図１０で示した淡い光輝を発するプラズマが形成される。ここで形成されたプラズマをいわば主放電点火用の種火として利用する。この後、まずアノード電極にアノード電圧を印加して電界を形成し、次いで磁気回路によって磁場を形成する。これによって放電空間に主放電となるプラズマを形成することができる。なお、ホールスラスタの主放電を終了させる際の手順としては、まず電界のオフ操作を行った後に磁界のオフ操作を行えば良い。
【００４５】
また、図２１に示すように、ＴＡＬ１００の電子源として実施形態で例示したＲＦカソード２００に加えて、別の電子源として、カソードを加熱して電子を放出するホローカソード３００を配設し、この双方を電子源として利用することも可能である。このホローカソード３００は特許文献２などで開示されているように、電子源として従前から採用されており、直流放電によりカソードを加熱して熱電子を放出する直流放電タイプである。この場合の使用例としては、電源供給により直ちに作動可能なＲＦカソード２００を主放電の点火初期時に使用し、定常運転状態に移行した後、立ち上がりに時間がかかるホローカソード３００から電子が放出されるタイミングで、ＲＦカソード２００を停止させ、ホローカソード３００をその後も継続して使用する。このように使用することで、消費電力の大きいＲＦカソード２００を主放電の点火初期時にのみ使用して、主放電を直ちに点火できると共に、その後にホローカソード３００に切り替えて作動させるため消費電力を抑えることができる。
さらに、図２２で示すように、実施形態で例示した１つのＲＦカソード２００を中心として、周囲を囲むように複数のホールスラスタ１００を配し、ＲＦカソード２００と各ホールスラスタ１００とが電気的に容量性結合するように設置し、１つのＲＦカソード２００を、周囲に配した各ホールスラスタ１００の主放電点火用に用いることも可能である。この場合の使用例としては、各ホールスラスタ１００の放電空間内に推進剤ガスを供給し、アノード電圧を印加せず、かつ、ホール磁場も形成しないか或いは極く弱いホール磁場を形成した状態とし、この状態で中央のＲＦカソード２００を作動させる。各ホールスラスタ１００の放電空間には、図１０で示した淡い光輝を発するプラズマが形成される。ここで形成されたプラズマをいわば主放電点火用の種火として利用する。この後、まずアノード電極にアノード電圧を印加して電界を形成し、次いで磁気回路によって磁場を形成する。これによって放電空間に主放電となるプラズマを形成することができる。なお、ホールスラスタ１００の主放電を終了させる際の手順としては、まず電界のオフ操作を行った後に磁界のオフ操作を行えば良い。
【００４６】
さらに他の実施形態として、装置の冗長構成を組む場合の例について説明する。人工衛星や宇宙機など、一旦打ち上げてしまったあとは容易に修理補修ができない装置では、装置の動作の要となるような重要な部品については、その部品が万一故障した時のために、部品を何台か用意しておき、故障した際に予備の部品に切り替える、という冗長構成が用いられる。たとえば実施形態で例示した電子推進装置１では、ホールスラスタ１００を複数台、ＲＦカソード２００を複数台、設けることが考えられる。
たとえば、先に示した図２２を参照して説明すると、６台のホールスラスタ１００が設けられており、中央にRFカソード２００が一台設けられている。前述の構成と同様、中央のＲＦカソード２００を動作させることによって、周囲の６台のホールスラスタ１００を同時に安定に点火することが可能である。さらに、６台のホールスラスタ１００が冗長系として用意されている場合、たとえばそのうちの２台だけを動作させたいときは、その２台のアノード電極に電圧を印加することで２台だけを動作させ、他のホールスラスタ１００は点火しない、ということが可能である。
同様に、図２３では、１台のホールスラスタ１００に対して、２台のＲＦカソード２００a及びＲＦカソード２００ｂが設けられている。つまりRFカソード２００について冗長系を組んだ場合である。まず比較のため、図２４を参照して、従来の直流放電式のホローカソード３００で冗長系を組む場合を考える。つまり、１台のホールスラスタ１００に対してホローカソード３００aおよびホローカソード３００ｂが設けられている場合である。このうちホローカソード３００aの陰極を加熱し、電圧を印加して動作させて、ホローカソード３００ｂは動作させないとする。この状態でホールスラスタ１００を点火させると、ホールスラスタ１００のアノード電極に電子が流入するため、ホローカソード３００aから電子が引き出される。このとき、ホローカソード３００ｂは、加熱もなにもされていないが、電位としては陰極電位つまりホローカソード３００aと同電位であり、ホールスラスタ１００のアノード電極に対して電位差を持っている。この電位差によってホローカソード３００aが出力すべき電子の一部が、ホローカソード３００ｂから出力を始める可能性がある。つまりホローカソード３００ｂの陰極から電子が流れだし、その電流によって陰極が加熱される。この加熱によってホローカソード３００ｂの陰極が電子を出しやすくなり、さらに大量の電子が放出されるようになる。つまり、冗長系を意図してホローカソード３００を複数用意し、その一部を待機させても、ホールスラスタ１００が点火してホローカソード３００の一部が電子の放出を開始したら、待機中の他のホローカソード３００も電子を放出し始める可能性があり、それによって待機中のホローカソード３００の陰極が経年劣化する可能性もある。つまり、ホローカソード３００を単に並列に配置しただけでは、冗長系を構成することができない。
一方、ＲＦカソード２００の場合は、ＲＦカソード２００aを動作させ、ＲＦカソード２００ｂを停止したままにしておく場合、ＲＦカソード２００aに高周波電力を印加して起動し、ホールスラスタ１００を点火することで、動作が可能になるが、このとき動作していないＲＦカソード２００ｂについては、何の影響も発生しない。つまりホールスラスタ１００の動作の影響を、予備のＲＦカソード２００ｂが受けないため経年劣化の心配がない。このことは冗長系を組む場合に極めて重要な特徴となる。
ＲＦカソード２００を複数用いる場合、あるＲＦカソード２００が生成した高周波磁界が、他のＲＦカソード２００に影響する可能性がある。このため、特に上記のようにＲＦカソード２００を複数用いる場合、ＲＦカソード２００の外殻部となる放電容器２１０（図１）を、鉄などの磁性体で構成すると、高周波磁界がＲＦカソード２００の外部に漏れることがなく他のＲＦカソード２００への影響も少なく、もちろん他の機器への電磁ノイズの影響も小さくすることができる。
このように放電容器２１０及び誘導コイル２２０を磁性体で構成することもでき、それにより上述のような作用効果を奏させることもできる。
【００４７】
さらに上述の各例を組み合わせて使用することも可能である。例えば図２５に示すように、２台のホールスラスタ１００に対してＲＦカソード２００とホローカソード３００とを配設し、ＲＦカソード２００を２台のホールスラスタ１００に対して電気的に容量性結合するように設置する。このような配置にすることで、各ホールスラスタ１００の主放電点火用に１台のＲＦカソード２００を用いたり、主放電の点火初期時にのみＲＦカソード２００を使用し、その後にホローカソード３００に切り替えて作動させたり、或いは、一方を他方の冗長系として備えるなど様々な利用可能性がある。
【００４８】
また、以上説明した各例では、ホールスラスタとしてアノードレイヤ型ホールスラスタを例示したが、アノード電極が放電空間の奥深部に配設し、加速チャンネルのチャンネル長をチャンネル幅よりも長く形成したＳＰＴ（Stationary Plasma Thruster）タイプと称されるリニア型ホールスラスタを採用することも可能である。すなわち、リニア型ホールスラスタを用いた場合にも、このホールスラスタ内のアノード電極と誘導結合プラズマ電子源とが、互いに電気的に容量性結合するように配設することで、本実施形態と同様な効果が発揮されると考えられる。
【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８】
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【図９】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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