(57)【要約】      （修正有）【課題】ホールスラスタの小型化及び組み立て作業性の向上に寄与することができ、カソードのインサータを小電流で加熱し得るホールスラスタ用ヒータ及びホールスラスタ用ヒータの製造方法を提供する。【解決手段】Ｃ／Ｃコンポジットから成り、カソード３のインサータ３１の外側に配置される円筒状を成していると共に、軸心に沿う方向のスリットが一端及び他端から交互に設けられたヒータ本体１１と、ヒータ本体１１の一端における複２個所から軸心に沿う方向に延びる延出部１２と、ヒータ本体１１に接触する電極が固定されるフランジ１３を備え、ヒータ本体１１及び延出部１２は、炭素繊維の配向角が互いに異なる複数の炭素繊維ブレード織物を積層して形成され、フランジ１３は、炭素繊維プリフォームで形成され、フランジ１３は、延出部１２の先端に接合されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホールスラスタにおける電子を放出するカソードの円筒状のインサータを加熱するホールスラスタ用ヒータであって、
Ｃ／Ｃコンポジットから成り、
前記カソードの前記インサータの外側に配置される円筒状を成していると共に、軸心に沿う方向のスリットが一端及び他端から交互に設けられたヒータ本体と、
前記ヒータ本体の一端における複数個所から軸心に沿う方向に延びる延出部と、
前記ヒータ本体に接触する電極が固定されるフランジを備え、
前記円筒状のヒータ本体及び延出部は、炭素繊維の配向角が互いに異なる複数の炭素繊維ブレード織物を積層して形成され、
前記フランジは、炭素繊維プリフォームで形成され、
前記フランジは、前記延出部の先端に接合されているホールスラスタ用ヒータ。
【請求項２】
前記フランジはリング状を成し、該リング状のフランジの中心を前記ヒータ本体の軸心上に位置させた状態で前記延出部の先端に接合されている請求項１に記載のホールスラスタ用ヒータ。
【請求項３】
ホールスラスタにおける電子を放出するカソードの円筒状インサータを加熱するホールスラスタ用ヒータの製造方法であって、
炭素繊維ブレード織り作業を行って炭素繊維の配向角が互いに異なる複数層の強化繊維帯から成る円筒状素材を形成するのに続いて、該円筒状素材に対するピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理をそれぞれ複数回行った後、前記円筒状素材に、軸心に沿う方向のスリットを一端及び他端から交互に形成すると共に、該円筒状素材の一端における複数個所から軸心に沿う方向に延びる延出部を形成して、ヒータ本体素材を得る工程と、
炭素繊維プリフォームで成形基材を形成するのに続いて、該成形基材に対するピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理をそれぞれ複数回行った後、前記成形基材に、前記ヒータ本体素材における前記延出部の先端との接合部を形成して、フランジ素材を得る工程と、
前記ヒータ本体素材の前記延出部の先端に対して前記フランジ素材の前記接合部を接着剤による接合、及び、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理による接合の少なくともいずれか一方の接合により一体化した後、仕上げ加工を施してホールスラスタ用ヒータを得る工程を経るホールスラスタ用ヒータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、小型衛星の軌道変更や姿勢制御に用いられる電気推進機としてのホールスラスタにおいて、電子を放出するカソードのインサータ（熱電子源）を高温に加熱するホールスラスタ用ヒータ及びホールスラスタ用ヒータの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記したホールスラスタ用ヒータに類するものとしては、例えば、特許文献１に記載された黒鉛ヒータが知られている。
この黒鉛ヒータは、筒状のヒータ本体と、このヒータ本体の一端における複数個所から軸方向に延出するターミナル部を備えている。筒状のヒータ本体には、その一端及び他端から交互にスリットが設けられており、これらのスリットによってジグザグ状に仕切られた部分が電流路（発熱帯）として機能するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2013-220954号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した黒鉛ヒータのような発熱体は、電流路断面積を小さくすれば、例えば、発熱体の肉厚を薄くすれば、電気抵抗を大きくすることができるので、コンパクト化が図れる。
ところが、黒鉛は、熱変形が起こり難く且つ耐食性に優れている反面、衝撃強度が低いと共に脆性破壊を起こし易いので、黒鉛ヒータの薄肉化を図ってホールスラスタに採用した場合には、スラスタ組み立て時等においてヒータ本体が潰れたりターミナル部が切断されたりする可能性が極めて高い。
【０００５】
したがって、黒鉛ヒータの場合は、肉厚を大きく、そして、スリット間隔を広げて電流路幅を広く（電流路長さを短く）してサイズを大きくせざるを得ないが、それでも機械的強度が低く且つ脆いことに変わりがないうえ、サイズを大きくする分だけ電気抵抗が小さくなってしまう。
【０００６】
その結果、ホールスラスタに採用した場合には、スラスタの小型化を阻み且つ組み立て作業性を悪くする要因になるのに加えて、電気抵抗が小さい分だけ大電流を必要とするため、電源容量が大きくなると共に電流を供給する電線等も太くなってしまい、ホールスラスタの重量増加につながるという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００７】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、衝撃強度及び材料強度を高めたことにより、ホールスラスタの小型化及び組み立て作業性の向上に寄与することができると共に、電流路断面積を小さくできて電気抵抗を大きくすることができることから、カソードのインサータを効率よく加熱することが可能であるホールスラスタ用ヒータ及びホールスラスタ用ヒータの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様は、ホールスラスタにおける電子を放出するカソードの円筒状のインサータを加熱するホールスラスタ用ヒータであって、Ｃ／Ｃコンポジットから成り、前記カソードの前記インサータの外側に配置される円筒状を成していると共に、軸心に沿う方向のスリットが一端及び他端から交互に設けられたヒータ本体と、前記ヒータ本体の一端における複数個所から軸心に沿う方向に延びる延出部と、前記ヒータ本体に接触する電極が固定されるフランジを備え、前記円筒状のヒータ本体及び延出部は、炭素繊維の配向角が互いに異なる複数の炭素繊維ブレード織物を積層して形成され、前記フランジは、炭素繊維プリフォームで形成され、前記フランジは、前記延出部の先端に接合されている構成としている。
【０００９】
また、本発明の第２の態様において、前記フランジはリング状を成し、該リング状のフランジの中心を前記ヒータ本体の軸心上に位置させた状態で前記延出部の先端に接合されている構成としている。
【００１０】
一方、本発明の請求項３に係る発明は、ホールスラスタにおける電子を放出するカソードの円筒状インサータを加熱するホールスラスタ用ヒータの製造方法であって、炭素繊維ブレード織り作業を行って炭素繊維の配向角が互いに異なる複数層の強化繊維帯から成る円筒状素材を形成するのに続いて、該円筒状素材に対するピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理をそれぞれ複数回行った後、前記円筒状素材に、軸心に沿う方向のスリットを一端及び他端から交互に形成すると共に、該円筒状素材の一端における複数個所から軸心に沿う方向に延びる延出部を形成して、ヒータ本体素材を得る工程と、炭素繊維プリフォームで成形基材を形成するのに続いて、該成形基材に対するピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理をそれぞれ複数回行った後、前記成形基材に、前記ヒータ本体素材における前記延出部の先端との接合部を形成して、フランジ素材を得る工程と、前記ヒータ本体素材の前記延出部の先端に対して前記フランジ素材の前記接合部を接着剤による接合、及び、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理による接合の少なくともいずれか一方の接合により一体化した後、仕上げ加工を施してホールスラスタ用ヒータを得る工程を経る構成としている。
【００１１】
本発明に係るホールスラスタ用ヒータは、円筒状のヒータ本体及び延出部が、炭素繊維の配向角が互いに異なる複数の炭素繊維ブレード織物を積層して形成され、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理を経て成るものとしているので、電流路の厚み及び電流路幅を小さくする加工に耐え得ることとなって、コンパクト化を図りつつ電気抵抗を大きくすることができ、その結果、カソードのインサータを小電流で加熱し得ることとなる。
【００１２】
また、フランジに固定した電極がヒータ本体に接触するようになっているので、フランジと延出部の先端とを強固に接合する必要はなく、接着剤による接合、及び、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理による接合の少なくともいずれか一方の接合により、強度を確保し得ることとなる。
【００１３】
一方、フランジは炭素繊維プリフォームで形成されて、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理を経て成るものとしているので、ヒータ本体及び延出部よりも高密度で衝撃強度が高く、且つ、脆性破壊が起こり難い。このフランジには電極が固定されるが、電気抵抗が小さくなっているので、このフランジに電流が流れて余計に消費される電力が少なく抑えられることとなる。
【００１４】
また、ホールスラスタの組み立て時等において、ヒータ本体が潰れたり欠損したりする虞がほとんどないので、組み立て作業性が向上することとなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るホールスラスタ用ヒータでは、ホールスラスタの小型化及び組み立て作業性の向上に寄与することができると共に、カソードのインサータを小電流で加熱することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１６】
また、本発明に係るホールスラスタ用ヒータの製造方法では、衝撃強度及び材料強度がいずれも高く、且つ、高抵抗のホールスラスタ用ヒータを製造することができるという非常に優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態によるホールスラスタ用ヒータを搭載したホールスラスタを示す斜視説明図である。
【図２】図１におけるホールスラスタ用ヒータのカソードの動作原理を示す断面説明図である。
【図３】図２におけるホールスラスタ用ヒータを示す斜視説明図（ａ），図３（ａ）におけるＰ方向矢視説明図（ｂ）及び図３（ｂ）におけるＱ−Ｑ線位置に基づく断面説明図（ｃ）である。
【図４】図２におけるホールスラスタ用ヒータの製造工程説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるホールスラスタ用ヒータを搭載したホールスラスタの要部を示している。
【００１９】
図１に部分的に示すように、このホールスラスタ１は、円板状のアノード（陽極）２と、円筒状を成し軸心がアノード２の中心を通過するカソード（陰極）３と、このカソード３の周囲に同軸配置された円筒状の加速チャネル４を備えており、アノード２には、カソード３及び加速チャネル４間の空間に推進剤Ｆを噴射する複数の推進剤噴射孔２ａが配置されている。
【００２０】
加速チャネル４の軸方向には電場Ｅが印加され、半径方向には磁場Ｂが印加されており、カソード３から放出されてカソード３及び加速チャネル４間の空間に流入する電子ｅは、電場Ｅ及び磁場Ｂの作用により周方向にホール運動を行い、これによりホール電流が誘起される。
【００２１】
そして、周方向にホール運動を行う電子ｅが、アノード２の推進剤噴射孔２ａから噴射される推進剤Ｆの中性粒子と衝突することでイオン（＋）が生成され、生成されたイオン（＋）は電場Ｅで加速されて軸心方向に放出され、この反作用で推進機としてのホールスラスタ１の推力が得られる。
【００２２】
この際、放出されたイオン（＋）と同数の電子ｅがカソード３から放出されることで、ホールスラスタ１の電気的中性が保たれる。また、加速チャネル４内でホール運動している電子ｅは、電位差により獲得したエネルギを推進剤Ｆの電離に消費しつつ、徐々にアノード２へと流れる。
【００２３】
図２に示すように、電子ｅを放出するカソード３の先端部（図示右端部）の内側には、化学物質、例えば、ＬａＢ６（六硼化ランタン）から成る円筒状を成すインサータ３１が配置されており、カソード３の先端部の外側には、インサータ３１を高温に加熱するヒータ１０が配置されている。また、カソード３の先端部における電子ｅを放出する出口には、このカソード３に対して正に印加された電極であるキーパ３２が配置されている。
【００２４】
このような構造のカソード３において、ヒータ１０によりインサータ３１を高温に加熱すると、インサータ３１では熱励起された電子ｅを放出し、この熱励起された電子ｅは、上流側（図示左側）から供給される作動ガスＸｅと電離衝突してプラズマＸｅ＋を発生させる。そして、カソード３に対して正に印加されたキーパ３２にプラズマＸｅ＋が到達すると、プラズマＸｅ＋から電子ｅがカソード３の外部に引き出されて放出される。
【００２５】
カソード３のインサータ３１を高温に加熱するヒータ１０は、図３にも示すように、全体としてＣ／Ｃコンポジットから成っており、カソード３の外側に空間をおいて配置される円筒状を成すヒータ本体１１を備えている。このヒータ本体１１には、軸心に沿う方向のスリット１１ｃが一端１１ａ及び他端１１ｂから交互に設けられている。また、ヒータ１０は、ヒータ本体１１の一端１１ａにおける２個所から軸心に沿う方向に延びる延出部１２を備えている。
【００２６】
この際、ヒータ本体１１及び延出部１２は、ヒータ本体１１の軸心方向に対する炭素繊維の配向角が互いに異なる２軸の強化繊維帯、例えば、配向角が±４５°の２軸の強化繊維帯をブレード織りして成る２軸織物を複数積層して形成されている。或いは、ヒータ本体１１の軸心方向に対する配向角が、例えば、０°の１軸の強化繊維帯を上記２軸の強化繊維帯に加えた合計３軸の強化繊維帯をブレード織りして成る３軸織物を複数積層して形成されている。
【００２７】
さらに、ヒータ１０は、ヒータ本体１１に接触する電極１４が固定されるリング状を成すフランジ１３を備えており、このフランジ１３は、炭素繊維プリフォームで形成されている。このリング状を成すフランジ１３の内周面には、接続部１３ａが形成されており、フランジ１３は、その中心をヒータ本体１１の軸心上に位置させた状態で、接続部１３ａに延出部１２の接合用先端１２ａを接合することでヒータ本体１１に一体化されている。
【００２８】
このホールスラスタ用のヒータ１０は、図４に示すように、ヒータ本体素材を得る工程と、フランジ素材を得る工程と、ヒータ１０の完成品を得る工程を経て製造される。
【００２９】
ヒータ本体素材を得る工程において、まず、炭素繊維ブレード織り作業を行って、炭素繊維の配向角が互いに異なる２軸の強化繊維帯から成る２軸織物（或いは、３軸織物）を形成し、この２軸織物（或いは、３軸織物）を複数積層して円筒状素材を形成する。
【００３０】
次いで、この円筒状素材に対して、ピッチ含浸処理，高圧で圧縮するＨＩＰ処理及び高温で黒鉛化する焼成炭化処理を順次行い、これらの処理を複数回（この実施形態では２回）繰り返す。
【００３１】
この後、機械加工によって円筒状素材に軸心に沿う方向のスリット１１ｃを一端１１ａ及び他端１１ｂから交互に配置して電流路（発熱帯）を形成すると共に、一端１１ａにおける複数個所（この実施形態では２個所）から軸心に沿う方向に延びる接合用先端１２ａを有する延出部１２を形成して、ヒータ本体素材を得る。
【００３２】
次のフランジ素材を得る工程では、まず、炭素繊維プリフォームで成形基材を形成する。これに続いて、この成形基材に対しても、ピッチ含浸処理，高圧で圧縮するＨＩＰ処理及び高温で黒鉛化する焼成炭化処理を順次行い、これらの処理を複数回（この実施形態では３回）繰り返す。
【００３３】
この後、円筒状素材と同様に、機械加工によってリング状を成すフランジ素材を形成すると共に、このリング状のフランジ素材にヒータ本体素材における延出部１２の接合用先端１２ａとの接合部１３ａを形成する。
【００３４】
そして、ヒータ１０の完成品を得る工程では、リング状のフランジ素材の中心をヒータ本体素材の軸心上に位置させた状態で、ヒータ本体素材の延出部１２の先端に対して接着剤を介してフランジ素材の接合部１３ａを接合して一体化することで、ヒータ素材を形成する。
【００３５】
これに続いて、一体化したヒータ素材に対して、ピッチ含浸処理，高圧で圧縮するＨＩＰ処理及び高温で黒鉛化する焼成炭化処理を順次行い、これらの処理を少なくとも１回ずつ行った後、仕上げ加工を施してホールスラスタ用ヒータ１０を得る。
【００３６】
なお、フランジ素材の接合部１３ａは、ヒータ本体素材の延出部１２の先端に対して、接着剤による接合、及び、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理による接合の少なくともいずれか一方の接合によって一体化すればよいが、ヒータ本体素材の延出部１２の先端に対するフランジ素材の接合部１３ａの接合強度を確保するうえで、本実施例のように、接着剤、及び、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理の双方によって一体化することが望ましい。
【００３７】
このようにして得られるホールスラスタ用ヒータ１０は、円筒状のヒータ本体１１及び延出部１２が、炭素繊維の配向角が互いに異なる複数層の２軸織物（或いは、３軸織物）で形成され、ピッチ含浸処理，高圧で圧縮するＨＩＰ処理及び高温で黒鉛化する焼成炭化処理を経て成るものとしているので、電流路の厚み及び電流路幅を小さくする加工に耐え得ることとなって、コンパクト化を図りつつ電気抵抗を大きくすることができ、その結果、カソード３のインサータ３１を小電流で加熱し得ることとなる。
【００３８】
また、フランジ１３に固定した電極１４がヒータ本体１１に接触するようにしているので、接着剤による接合、及び、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理による接合の双方により、接合強度を確保し得ることとなる。
【００３９】
一方、フランジ１３は炭素繊維プリフォームで形成され、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理を経て成るものとしているので、ヒータ本体１１及び延出部１２よりも高密度で衝撃強度が高く、且つ、脆性破壊が起こり難いものとなっている。
【００４０】
この際、フランジ１３には電極１４が固定されるが、電気抵抗が小さくなっているので、このフランジ１３に電流が流れて余計に消費される電力が少なく抑えられることとなる。
【００４１】
さらに、ホールスラスタ１の組み立て時等において、ヒータ本体１１が潰れたり欠損したりする虞がほとんどないので、組み立て作業性が向上することとなる。
【００４２】
そこで、炭素繊維の配向角が互いに異なる複数層の３軸の強化繊維帯で形成されて、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理を３回ずつ繰り返して得た円筒状のヒータ本体素材（実施例１；Ｃ／Ｃ軸糸あり（３ＨＩＰ））と、炭素繊維の配向角が互いに異なる複数層の２軸の強化繊維帯で形成されて、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理を３回ずつ繰り返して得た円筒状のヒータ本体素材（実施例２；Ｃ／Ｃ軸糸なし（３ＨＩＰ））と、炭素繊維プリフォームで形成されて、ピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理を４回ずつ繰り返して得たフランジ素材（実施例３；Ｃ／Ｃ（４ＨＩＰ））と、密度が１．８９g/cm3程度の高密度グラファイトで形成されたヒータ本体との各強度を比較した。
【００４３】
実施例１，２のヒータ本体素材と、実施例３のフランジ素材と、比較例のヒータ本体との各密度（g/cm3），衝撃吸収エネルギ（kJ/m2），曲げ強度(MPa)及び電気比抵抗(μΩ・m)を表１に示す。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１から判るように、実施例１，２のヒータ本体素材は、比較例の高密度グラファイトから成るヒータ本体と比べて密度で劣るものの、衝撃吸収エネルギ，曲げ強度及び電気比抵抗でいずれも比較例のヒータ本体を上回っており、特に、実施例１の３軸の強化繊維帯で形成されたヒータ本体素材は、衝撃吸収エネルギ及び曲げ強度で大幅に上回っており、このことから、本実施例１に係るヒータ本体素材は、比較例のヒータ本体と比べて、衝撃強度が高く、且つ、脆性破壊が起こり難いことが実証できた。
【００４６】
また、表１から判るように、実施例３のフランジ素材では、当然ではあるが、実施例１，２のヒータ本体素材と比べて、敢えて高密度にして電気比抵抗を低くすることで、フランジ素材で余計な電流が消費されるのを少なく抑えつつ、衝撃吸収エネルギ及び曲げ強度で大幅に上回っており、このことから、本実施例３のフランジ素材は、フランジに要求される衝撃強度及び脆性強度をいずれも有していることが実証できた。
【００４７】
上記した実施形態では、ヒータ本体素材の円筒状素材に対するピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理を２回繰り返し、フランジ素材の成形基材に対するピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理を３回繰り返すようにしているが、処理回数はこれに限定されるものではない。
【００４８】
また、上記した実施形態では、ヒータ本体素材にフランジ素材を一体化したヒータ素材に対するピッチ含浸処理，ＨＩＰ処理及び焼成炭化処理を１回行うようにしているが、処理回数はこれに限定されるものではない。
【００４９】
本発明に係るホールスラスタ用ヒータ及びホールスラスタ用ヒータの製造方法の構成は、上記した実施形態の構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５０】
１      ホールスラスタ
３      カソード（陰極）
１０    ホールスラスタ用ヒータ
１１    ヒータ本体
１１ａ  ヒータ本体の一端
１１ｂ  ヒータ本体の他端
１１ｃ  スリット
１２    延出部
１２ａ  延出部の接合用先端
１３    フランジ
１３ａ  フランジの接合部
１４    電極
３１    インサータ
【図１】
2019129091.tif 000004
【図２】
2019129091.tif 000005
【図３】
2019129091.tif 000006
【図４】
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