(57)【要約】  推進システム  本発明は、少なくとも１つの化学推進エンジンと、少なくとも１つの電気推進エンジンと、推進剤フィードシステムとを有するスペースクラフトのための推進システムに関し、推進剤フィードシステムは、共通推進剤を貯蔵するための少なくとも１つのタンクを有する推進剤供給システムを有し、推進剤供給システムは、化学推進エンジンおよび電気推進エンジンの両方に、共通推進剤の制御流を供給するよう構成されている。また、本発明はスペースクラフトにおける共通推進剤の使用、および、電気推進エンジンおよび化学推進エンジンに共通推進剤を提供する方法にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの化学推進エンジンと、
少なくとも１つの電気推進エンジンと、
推進剤フィードシステムと、を備える、スペースクラフトのための推進システムであって、
前記推進剤フィードシステムは、共通推進剤を貯蔵するための少なくとも１つのタンクを有する推進剤供給システムを有し、
前記推進剤供給システムは、前記化学推進エンジンおよび前記電気推進エンジンの両方に、前記共通推進剤の制御流を供給するよう構成されている、推進システム。
【請求項２】
前記推進剤フィードシステムは、加圧ガスを含む加圧ガスシステムをさらに有する、請求項１に記載の推進システム。
【請求項３】
前記加圧ガスシステムは、再加圧システムである、請求項２に記載の推進システム。
【請求項４】
前記加圧ガスは、不活性ガスである、請求項２または３に記載の推進システム。
【請求項５】
前記不活性ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンまたは窒素である、請求項４に記載の推進システム。
【請求項６】
前記電気推進エンジンは、少なくとも１つの中和器をさらに有する、請求項２から５のいずれか一項に記載の推進システム。
【請求項７】
前記加圧ガスは、前記少なくとも１つの中和器に直接フィードされる、請求項６に記載の推進システム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの中和器は、中空カソードである、請求項６または７に記載の推進システム。
【請求項９】
前記推進剤フィードシステムは、自己加圧式加圧ガスシステムを含む、請求項１に記載の推進システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの電気推進エンジンは、蒸発器をさらに有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の推進システム。
【請求項１１】
前記蒸発器は、前記少なくとも１つの化学エンジンに必要な入口圧力以上の入口圧力を処理するよう構成されている、請求項１０に記載の推進システム。
【請求項１２】
前記共通推進剤は、前記電気推進エンジンに直接フィードされる、請求項１から９のいずれか一項に記載の推進システム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの化学推進エンジンを用いる前記推進システムの高推力モードを制御するよう構成されたプロセッサをさらに備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の推進システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの電気推進エンジンを用いる前記推進システムの高Ｉｓｐモードを制御するよう構成されたプロセッサをさらに備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の推進システム。
【請求項１５】
電力処理ユニットをさらに備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の推進システム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの化学推進エンジンは、二元推進剤エンジンまたは単元推進剤エンジンである、請求項１から１４のいずれか一項に記載の推進システム。
【請求項１７】
第２のハイパーゴリック推進剤をさらに備える、請求項１から１６のいずれか一項に記載の推進システム。
【請求項１８】
前記共通推進剤は、前記電気推進エンジンにフィードされる前に化学的に分解されない、請求項１から１７のいずれか一項に記載の推進システム。
【請求項１９】
前記共通推進剤は、２０ｅＶ未満のイオン化エネルギーおよび周囲条件において６００ｋｇ／ｍ３を超える密度を有する、請求項１から１８のいずれか一項に記載の推進システム。
【請求項２０】
前記共通推進剤は、固体単元推進剤、液体単元推進剤、または一対の液体二元推進剤物質から成る群から選択される、請求項１から１９のいずれか一項に記載の推進システム。
【請求項２１】
前記共通推進剤は、トリメチルアミンおよびトリプロピルアミン等のトリアミン、過酸化水素または高濃度過酸化水素を含む、請求項１から２０のいずれか一項に記載の推進システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、スペースクラフトの推進システムに関し、具体的にはハイブリッド推進システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
スペースクラフト推進システムは通常、化学推進エンジンまたは電気推進エンジンとして分類され得るエンジンを含む。
【０００３】
一般に、化学推進システムは、非電気軌道上昇（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｏｒｂｉｔ  ｒａｉｓｉｎｇ：ＥＯＲ）スペースクラフトにおいて、高速軌道上昇、タンブリング解除およびセーフモード取得を含む短期間姿勢制御運動、および化学軌道上昇等の高推力運動に用いられる。化学推進システムは通常、０．１５Ｎ以上の推力を生成し、通常５００秒未満の比推力（ＩＳＰ）において最大数百ニュートンの推力を生成可能である。化学推進システムは、二元推進剤システムまたは単元推進剤システムのいずれかであってよく、化学反応により生成されたガスをノズルを通して排出することで推力を生成できる。一般に、化学推進システムおよび推進剤のコストは低いが、極低温システムのコストははるかに高い可能性がある。
【０００４】
電気推進システムは、推力が制約とはならない、効率的な高ＩＳＰ運動、例えば、ＥＯＲスペースクラフトにおける大きなデルタＶ軌道上昇要件を持つ運動に用いられる。ホールスラスタ等の電気推進エンジンは通常、キセノンまたは他の希ガスを推進剤として用いる。これらのエンジンは、通常７００秒から最大数千秒の比推力において非常に低い推力を生成する。これらのシステムおよび推進剤のコストは一般に高い。
【０００５】
従来、高推力および高比推力のクロスオーバが必要な場合、非常に大きなコスト、容積、および質量ペナルティにおいて、２つの別個のシステムがスペースクラフトに追加される必要がある。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の第１の態様によると、少なくとも１つの化学推進エンジンと、少なくとも１つの電気推進エンジンと、推進剤フィードシステムとを備える、スペースクラフトのための推進システムが提供され、上記推進剤フィードシステムは、共通推進剤を貯蔵するための少なくとも１つのタンクを有する推進剤供給システムを有し、上記推進剤供給システムは、上記化学推進エンジンおよび上記電気推進エンジンの両方に、上記共通推進剤の制御流を供給するよう構成されている。
【０００７】
いくつかの実施形態において、推進剤フィードシステムは、さらに、加圧ガスを含む加圧ガスシステムを備える。
【０００８】
いくつかの実施形態において、加圧ガスシステムは、再加圧システムである。
【０００９】
いくつかの実施形態において、加圧ガスは不活性ガスである。
【００１０】
いくつかの実施形態において、不活性ガスはヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンまたは窒素である。
【００１１】
いくつかの実施形態において、電気推進システムは少なくとも１つの中和器をさらに含む。
【００１２】
いくつかの実施形態において、加圧ガスは、少なくとも１つの中和器に直接フィードされる。
【００１３】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの中和器は、中空カソードである。
【００１４】
いくつかの実施形態において、推進剤フィードシステムは、自己加圧式加圧ガスシステムを有する。
【００１５】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの電気推進エンジンは蒸発器をさらに有する。
【００１６】
いくつかの実施形態において、蒸発器は、少なくとも１つの化学エンジンの必要な入口圧力以上の入口圧力を処理するよう構成されている。
【００１７】
いくつかの実施形態において、推進剤は、電気推進エンジンに直接フィードされる。
【００１８】
いくつかの実施形態において、推進システムは、少なくとも１つの化学推進エンジンを用いる推進システムの高推力モードを制御するよう構成されたプロセッサをさらに備える。
【００１９】
いくつかの実施形態において、推進システムは、少なくとも１つの電気推進エンジンを用いる推進システムの高Ｉｓｐモードを制御するよう構成されたプロセッサをさらに備える。
【００２０】
いくつかの実施形態において、推進システムは、電力処理ユニットをさらに備える。
【００２１】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの化学推進エンジンは、二元推進剤エンジンまたは単元推進剤エンジンである。
【００２２】
いくつかの実施形態において、推進システムは、第２のハイパーゴリック推進剤をさらに含む。
【００２３】
いくつかの実施形態において、共通推進剤は、電気推進エンジンにフィードされる前に、化学的に分解されない。
【００２４】
いくつかの実施形態において、共通推進剤は、２０ｅＶ未満のイオン化エネルギーおよび周囲条件において６００ｋｇ／ｍ３を超える密度を有する。
【００２５】
いくつかの実施形態において、共通推進剤は、固体の単元推進剤、液体の単元推進剤または液体の二元推進剤の１つの成分から成る群から選択される。
【００２６】
いくつかの実施形態において、推進剤は、トリメチルアミンおよびトリプロピルアミン等のトリアミン、過酸化水素または高濃度過酸化水素を含む。
【００２７】
本発明の第２の態様によると、少なくとも１つの中和器を有する少なくとも１つの電気推進エンジンと、加圧ガスを含む加圧ガスシステムとを備えるスペースクラフトのための推進システムが提供され、上記加圧ガスは、上記少なくとも１つの中和器に直接にフィードされる。
【００２８】
いくつかの実施形態において、第２の態様による加圧ガスシステムは、再加圧システムである。
【００２９】
いくつかの実施形態において、第２の態様による少なくとも１つの中和器は、中空カソードである。
【００３０】
いくつかの実施形態において、第２の態様による加圧ガスは、不活性ガスを含む。
【００３１】
いくつかの実施形態において、第２の態様による不活性ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンまたは窒素である。
【００３２】
いくつかの実施形態において、第２の態様による推進システムは、少なくとも１つの化学推進エンジンをさらに有する。
【００３３】
いくつかの実施形態において、第２の態様による推進システムは、少なくとも１つの化学推進エンジンを用いる推進システムの高推力モードを制御するよう構成されたプロセッサをさらに備える。
【００３４】
いくつかの実施形態において、第２の態様による推進システムは、共通推進剤を貯蔵するための少なくとも１つのタンクを含む推進剤供給システムを有する推進剤フィードシステムをさらに備え、推進剤供給システムは、化学推進エンジンおよび電気推進エンジンの両方に共通推進剤の制御流を供給するよう構成されている。
【００３５】
いくつかの実施形態において、第２の態様による少なくとも１つの電気推進エンジンは、さらに、蒸発器を有する。
【００３６】
いくつかの実施形態において、第２の態様による推進システムは、少なくとも１つの電気推進エンジンを用いる推進システムの高Ｉｓｐモードを制御するよう構成されたプロセッサをさらに備える。
【００３７】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの化学推進エンジンは、二元推進剤エンジンまたは単元推進剤エンジンである。
【００３８】
いくつかの実施形態において、推進システムは、さらに、第２のハイパーゴリック推進剤を含む。
【００３９】
いくつかの実施形態において、第２の態様による推進システムは、電力処理ユニットをさらに備える。
【００４０】
いくつかの実施形態において、第２の態様による共通推進剤は、電気推進エンジンにフィードされる前に化学的に分解されていない。
【００４１】
いくつかの実施形態において、第２の態様による共通推進剤は、２０ｅＶ未満のイオン化エネルギーおよび周囲条件において６００ｋｇ／ｍ３を超える密度を有する。
【００４２】
いくつかの実施形態において、第２の態様による共通推進剤は、固体単元推進剤、液体単元推進剤または一対の液体二元推進剤物質の１つの成分から成る群から選択される。
【００４３】
いくつかの実施形態において、第２の態様による推進剤は、トリメチルアミンおよびトリプロピルアミン等のトリアミン、過酸化水素または高濃度過酸化水素を含む。
【００４４】
本発明の第３の態様によると、少なくとも１つの電気推進エンジンおよび少なくとも１つの化学推進エンジンを有するスペースクラフト推進システムにおける共通推進剤の使用が提供される。
【００４５】
本発明の第４の態様によると、少なくとも１つの電気推進エンジンおよび少なくとも１つの化学推進エンジンを有するスペースクラフト推進システムに、共通推進剤を提供する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
ここから本発明の実施形態の実施形態は、例として、添付図面を参照して説明される。
【図１】先行技術のスペースクラフト推進システムの例である。
【図２】第１の実施形態によるハイブリッド推進システムの図である。
【図３】第１の実施形態によるハイブリッド推進システムの図である。
【図４】第２の実施形態による推進システムの図である。
【図５Ａ】第２の実施形態によるハイブリッド推進システムの図である。
【図５Ｂ】第２の実施形態によるハイブリッド推進システムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
図１に、スペースクラフト１０の従来の推進システムが示されている。推進システムは、電気推進システム１２および別個の化学推進システム１４を含む。電気推進システム１２は、第１の推進剤供給システム１６を有し、化学推進システム１４は、第２の推進剤供給システム１８を有する。化学推進システム１４は、また酸化剤供給部２０および燃焼チャンバ２４も有してよい。化学スラスタ２８は、排気ガスを方向付けるために用いられる。電気推進システム１２は、電動スラスタ２６を有し、電動スラスタ２６はプラズマ発生器２２を組み込んでいる。 
【００４８】
スペースクラフト１０の推進システムは、電気推進エンジン１２および化学推進エンジン１４がそれぞれ、スペースクラフト１０上でのそれらの役割を必要とさせる特有の利点を有することから、電気推進エンジン１２および化学推進エンジン１４の両方を有している。特に、化学推進エンジンは通常、高推力要件のために用いられ、電気推進エンジンは、高Ｉｓｐ運動のために用いられる。あるミッションが、高推力および高効率性の両方を必要とする場合、非常に大きなコスト且つ質量ペナルティにおいて、２つの別個のシステムがスペースクラフト１０に追加される。
【００４９】
適用される実施形態は、図２に示されるようなスペースクラフト１００のための新しい変形例の推進システムを対象とする。特に、図２は、電気推進エンジン１２０および化学推進エンジン１３０を有するハイブリッド推進システム１４０を示す。単一の共通推進剤フィードシステム１１０が、化学エンジン１３０および電気エンジン１２０の両方に接続されている。ハイブリッド推進システム１４０は、単一のハイブリッドシステム内に、化学推進エンジンの低コスト技術、プロセス、高推力エンジンおよび推進剤と、電気推進エンジンの高比推力の利点とを組み合わせてよい。
【００５０】
本明細書で説明するハイブリッド推進システムは、化学エンジンおよび電気エンジンの両方ともが共通推進剤により燃料補給される、化学エンジンおよび電気エンジンを有する推進システムを指す。かかるハイブリッド推進システムは、化学‐電気ハイブリット推進システムとして定義されてよい。適用されるハイブリッド推進システムは、化学推進のために液体推進剤および固体推進剤を用いるハイブリッドロケット技術には関係しない。
【００５１】
ハイブリッド推進システムは、化学推進および電気推進の両方に単一の推進剤を用いてよい。このようにして、ハイブリッド推進システムは、単一の共通推進剤フィードシステムを用いて、ＥＯＲ、化学軌道上昇（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｏｒｂｉｔ  Ｒａｉｓｉｎｇ：ＣＯＲ）、化学ステーション若しくは電気ステーションの維持／姿勢制御または任意の他の運動を可能にしてよい。これにより、同一のスペースクラフト上に別個の化学推進システムおよび電気推進システムを用いる必要性がなくなり、システムサイズおよびコストを著しく低減させつつも、高推力および高比推力両方の能力も依然としてもたらす。
【００５２】
ハイブリッド推進システムは、別個の電気推進エンジンおよび化学推進エンジンを持つ従来の推進システムよりも、必要とされるコンポーネント数が少ない。また、電気推進エンジンおよび化学推進エンジン間の区別がなく、同時に安価で、潜在的に毒性が少ない推進剤を用いる。これにより、装置の部品点数を通して、直接システム費を低減し、システム質量を低減することで打ち上げ費用を低減し、統合およびテストの複雑さ、コストおよび期間を低減し、処理制約および安全対策を低減し、打ち上げサイトでの操作を低減する。
【００５３】
さらに、ハイブリッド推進システムの一貫性アーキテクチャは、様々なプラットフォーム機能について維持されてよい。つまり、共通推進剤フィードシステムは、すべてのプラットフォームタイプに用いられてよい。これにより、柔軟性を低減させることなく、複雑さを低減できる。
【００５４】
高推力および高ＩＳＰの両方を供給可能なハイブリッド推進システムから恩恵を受けるケースとしては、小型衛星、コンステレーション、テレコミュニケーションプラットフォーム、イメージング衛星、ルーナーサプライ、高電力電気推進、軌道上サービスミッションおよび深宇宙ミッションが含まれる（これらに限定はされない）。
【００５５】
本開示のハイブリッド推進システムの実施形態によりもたらされる追加の利点は、予備的な推進剤分解ステージがないことである。換言すると、いくつかの実施形態において、推進剤は、電気推進エンジンにフィードされる前に、化学的に分解されていない、または、化学的に変更されていない。代替的に、電気推進エンジンに燃料補給するために用いられる推進剤は、化学推進エンジンに燃料補給するために用いられる推進剤と化学的に同一であると説明できる。
【００５６】
本明細書で開示されるハイブリッド推進システムは、１つのシステム内に、化学推進の低コスト技術、プロセス、高推力エンジンおよび推進剤と、電気推進の高比推力エンジンを組み合わせている。
【００５７】
ここで図３を参照すると、一実施形態において、ハイブリッド推進システム２００は、化学推進エンジン２０２、蒸発器２１４を有する電気推進エンジン２０４、推進剤供給システム２０６、加圧ガスシステム２０８、第２のハイパーゴリック推進剤供給部２１０および電力処理ユニット２１２を有してよい。わかりやすさのため、単一の化学推進エンジン２０２および単一の電気推進エンジン２０４のみが示されているが、ハイブリッド推進システムは各タイプのエンジンを２以上有してよいことが理解されるであろう。
【００５８】
いくつかの実施形態において、推進剤フィードシステムは、タンク等の推進剤を貯蔵するための装置を有する。代替的に、推進剤フィードシステムは、推進剤供給システムと称されてもよい。
【００５９】
電気推進エンジンは、電気エネルギーを運動エネルギーに変換することで、高ＩＳＰを持つ推力を生成するよう構成されている。電気推進エンジンは、電場、磁場または電磁場を用いてイオンまたはプラズマを加速化させるよう構成された少なくとも１つの電動スラスタを有する。このようにすることで、電気推進エンジンは、スペースクラフトに作用する推力を生成する。また一般に、電気推進エンジンは、１または複数の中和器を含む。例えば、電気推進エンジンは、中空カソード等のカソード中和器を有してよい。
【００６０】
いくつかの実施形態において、電気推進エンジン２０４は、静電推進エンジンを有してよい。イオンスラスタ等の静電推進エンジンは、加速化のためにクーロン力に依存する。他の実施形態において、電気推進エンジン２０４は、電磁推進エンジンを有してよい。電磁推進エンジンは、イオンを加速化させるために、ローレンツ力または電磁場の効果に依存する。代替的に、電気推進エンジンは、イオンを加速化させる、つまりイオン化を必要とするエンジンとして説明されてよい。
【００６１】
好適な静電エンジンおよび電磁エンジンとしては、ホールスラスタ、グリッド式イオンエンジン、イオンエンジン、無線周波数イオンエンジン、マグネットプラズマダイナミックスラスタ、コロイドスラスタ、電界放射式電気推進（ＦＥＥＰ）、ヘリコンダブルレイヤスラスタ、高効率マルチステージプラズマスラスタ（ＨＥＭＰＴ）を含むカスプ場スラスタ、可変比推力マグネットプラズマロケット（ＶＡＳＭＩＲ）、バキュームアークスラスタ、ＲＦスラスタ、電子サイクロトン共鳴スラスタおよびカウフマンタイプスラスタが含まれる。静電スラスタおよび電磁スラスタの使用は、得られるＩＳＰひいてはシステム性能の観点からより大きな利点を可能とする。
【００６２】
アークジェットおよびレジストジェット等の電熱的スラスタは、本明細書で説明するハイブリッド推進システムにおける使用の範囲に含まれない。
【００６３】
化学推進エンジンは、燃焼反応により、推進剤の化学内部エネルギーを運動エネルギーに変換することで高推力を生成するよう構成されている。高推力化学推進エンジンは通常、様々な化学的に活性化された固体、液体または気体の推進剤を用いて、ノズルを通して気体を熱力学的に排出することで推力を生成する。これらのシステムは、通常５００秒未満の比推力で高推力（通常、０．１５Ｎ以上で最大数百ニュートンまで）を生成する。
【００６４】
好適な化学推進エンジン２０２としては、単元推進剤エンジンおよび二元推進剤エンジンが含まれる。
【００６５】
いくつかの実施形態において、ハイブリッド推進システムは、第２のハイパーゴリック推進剤供給部２１０を有する。ハイブリッド推進システムが第２のハイパーゴリック推進剤を有する場合、化学推進エンジンは二元推進剤として定義されてよい。好適な第２のハイパーゴリック推進剤としては、四酸化二窒素等の窒素ベースの化合物、窒素、硝酸、亜酸化窒素、赤煙硝酸および過塩素酸アンモニアの混合酸化物、並びに、過酸化水素および酸素が含まれるがこれらに限定はされない。
【００６６】
いくつかの実施形態において、共通推進剤、すなわち、電気推進エンジンおよび化学推進エンジンの両方に共通の推進剤は、推進剤フィードシステム内のタンク内に貯蔵される。スペースクラフトでは、推進剤は、推力を生成するために用いられる物質として説明されてよい。推進剤は、固体、液体または気体の形態で貯蔵されてよい。
【００６７】
いくつかの実施形態において、推進剤フィードシステムは自己加圧式である。
【００６８】
発熱化学反応を受けることができる推進剤は通常、化学推進エンジンで用いられてよい。容易にイオン化され得る推進剤は通常、電気推進エンジンで用いられてよい。いくつかの実施形態において、共通推進剤は、化学推進エンジンにおいて化学変換を受けることが可能である。例えば、共通推進剤は、推力を生成すべく、化学推進エンジン中で化学的に燃焼されることが可能であってよい。例えば、共通推進剤は、化学推進エンジン中で燃焼可能であるとして説明されてよい。
【００６９】
化学推進エンジン中で、自己反応可能で、推力を自己生成可能である推進剤は、単元推進剤と呼ばれる。単元推進剤の例はヒドラジンである。２つの液体、すなわち、燃料および酸化剤を必要とする化学推進エンジンは、二元推進剤と呼ばれる。例示的な二元推進剤エンジンは、推進剤として液体水素を、酸化剤として液体酸素を、またはモノメチルヒドラジンおよび四酸化二窒素を利用してよい。共通推進剤は、単元推進剤であってよく、あるいは、ハイパーゴリック二元推進剤の何れかの推進剤であってよい。 
【００７０】
いくつかの実施形態において、共通推進剤は、２０ｅＶ未満のイオン化エネルギーを有する。例えば、イオン化エネルギーは、１８ｅＶ未満、１５ｅＶ未満、１２ｅＶ未満または１０ｅＶ未満であってよい。いくつかの実施形態において、共通推進剤は、７から８ｅＶの範囲内のイオン化エネルギーを有する。
【００７１】
いくつかの実施形態において、共通推進剤は、液体またはガスとして貯蔵される。共通推進剤は、周囲温度および貯蔵圧力において液体であってよい。
【００７２】
周囲温度は、正常な動作条件におけるスペースクラフトの周囲温度であってよい。いくつかの実施形態において、周囲温度は、約０から約７５℃の間であってよい。
【００７３】
いくつかの実施形態において、タンク内の共通推進剤の周囲貯蔵圧力は、約４バール（４００，０００Ｐａ）から約２５バール（２，５００，０００Ｐａ）の間である。
【００７４】
いくつかの実施形態において、共通推進剤は、周囲温度および周囲貯蔵圧力において、６００ｋｇ／ｍ３を超える密度を有する。例えば、共通推進剤は、６５０ｋｇ／ｍ３を超える、７００ｋｇ／ｍ３を超える、または７５０ｋｇ／ｍ３を超える密度を有する。
【００７５】
いくつかの実施形態において、共通推進剤は、トリメチルアミンおよびトリプロピルアミン等のトリアミン、過酸化水素または高濃度過酸化水素を含む。
【００７６】
上記の共通推進剤は、それらが化学推進エンジンおよび電気推進エンジンの両方で使用できるようにするために必要な化学特性を有する。特に、これらの化学品は化学推進エンジン中で燃焼可能であり、また適合性の問題を受けることなく、電気推進エンジンにおいても使用可能である。
【００７７】
トリアミンの使用に関連する別の利点は、トリアミンは、ステンレススチール、チタニウムおよびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と適合性があり、従って、既存のコンポーネントおよびシステムを用いることができ、新しいシステムコンポーネントを開発する必要性を回避できる点である。
【００７８】
本明細書で説明されるハイブリッド推進システムで使用可能な共通推進剤は、安価で容易に入手可能である。これにより、通常高価であり、抽出／精製が困難で、貯蔵に課題があり、"グリーン"、すなわち環境フレンドリーとみなされない従来の推進剤を使用する必要性をなくす。
【００７９】
例えば、大半の従来の電気推進エンジンは、キセノンを推進剤として用いる。キセノンは、最もレアなガスの１つであり、精製に大量のエネルギーを要し、推進剤のグリーンレーティングに大きな影響を有する。電気推進システムの燃料コストだけで、キログラム当たりＵＳＤ１３００を優に超えることは珍しくない。キセノンの希少性はまた、その供給が間欠的であり得ることを意味し、十分安定した供給を確保するたためには長期の契約が必要となる。
【００８０】
キセノンは、電気エンジンに広く用いられる推進剤である。その理由は具体的に、（ｉ）それが不活性ガスであること、（ｉｉ）それが高圧縮性であり、中程度の圧縮および容積での貯蔵を可能にすること、（ｉｉｉ）それが、容易にイオン化可能で、高い質量／電荷比率を有することにより、全体的に良好な電気推進システム効率性をもたらすことである。本明細書で説明されるハイブリッド推進システムで使用可能な共通推進剤は、これらの利点を提供しつつ、キセノンに関連するコスト、供給の課題および環境示唆を回避できる。
【００８１】
トリメチルアミンおよびトリプロピルアミン等のトリアミン、過酸化水素および高濃度過酸化水素は、比較的"グリーン"な推進剤を表わし、驚くべきことには、化学推進エンジンおよび電気推進エンジンの両方で用いることが可能である。
【００８２】
いくつかの実施形態において、電気推進エンジン２０４はさらに蒸発器を有する。蒸発器は、推進剤の電気推進エンジンとの適合性を高めるべく、共通推進剤を蒸発するよう構成されてよい。
【００８３】
いくつかの実施形態において、共通推進剤は、電気推進エンジンに直接フィードされる。例えば、電気推進エンジンは、蒸発器を有していなくてよい。かかるシステムにおいては、推進剤は、他の手段、例えば、電気エンジン内に配置されたアノードまたはガスディストリビュータと直接接触することで蒸発されてよい。
【００８４】
いくつかの実施形態において、電気推進エンジンは、質量流量コントローラを有する。電気推進エンジンが通常、化学推進エンジンより低い入口圧力を必要とし、且つ、制御された質量流量を必要とするため、質量流量コントローラが必要とされてよい。ハイブリッド推進システムの全体的な圧力は、化学推進エンジンの圧力要件により決定され、そのため、コントローラが必要である。
【００８５】
いくつかの実施形態において、化学推進エンジンは、約４バール（４００，０００Ｐａ）から約２５バール（２，５００，０００Ｐａ）の間の圧力を扱うように構成されている。
【００８６】
いくつかの実施形態において、質量流量コントローラは、約５バール（５００，０００Ｐａ）未満の圧力で、推進剤を電気推進エンジンに供給するよう構成されている。例えば、圧力は４バール（４００，０００Ｐａ）未満、３バール（３００，０００Ｐａ）未満、２バール（２００，０００Ｐａ）未満、または１バール（１００，０００Ｐａ）未満であってよい。
【００８７】
いくつかの実施形態において、ハイブリッド推進システムはさらに、少なくとも１つのプロセッサを有する。例えば、ハイブリッド推進システムは、１、２、３、４、または５個のプロセッサを有してよい。プロセッサは、推進システムを制御するよう構成されてよい。例えば、プロセッサは、化学推進エンジンを用いるシステムの高推力モードを制御するよう構成されてよい。追加的にまたは代替的に、プロセッサは、電気推進エンジンを用いるハイブリッド推進システムの高Ｉｓｐモードを制御するよう構成されてよい。
【００８８】
いくつかの実施形態において、化学エンジンは、約５００秒の最大ＩＳＰおよび約０．１５Ｎの最小推力を有する。
【００８９】
いくつかの実施形態において、電気エンジンは、約５００秒の最小ＩＳＰおよび約１Ｎの最大推力を有する。
【００９０】
化学エンジンおよび電気エンジンのための従来の推力値およびＩＳＰ値が表１に示されてよい。
【表１】
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【００９１】
いくつかの実施形態において、推進剤フィードシステム２０６は、化学推進エンジンおよび電気推進エンジンの両方に推進剤の制御された質量流が供給されるよう構成されてよい。推進剤フィードシステムは、化学推進剤フィードシステムとして説明されてよい。 
【００９２】
フィードシステムは、推進剤の状態および両エンジンへの質量流量を制御するための弁、オリフィスおよびヒータ等の配管および流量制御装置を有してよい。
【００９３】
いくつかの実施形態において、ハイブリッド推進システム２００は、電力処理ユニット２１２を含む。電力処理ユニット２１２は、スペースクラフトのパワーサプライから来る電力の電気パラメータを管理して、電力が電気エンジンの要件に合うようにする。電力処理ユニット２１２は、ダイレクトドライブソリューションに代わるものを表わす。
【００９４】
いくつかの実施形態において、ハイブリッド推進システム２００は、加圧ガスシステム２０８をさらに有する。加圧ガスシステムは、推進剤タンク内の圧力を制御してよい。
【００９５】
いくつかの実施形態において、加圧ガスシステムは、加圧剤を含む。例えば、加圧剤は、不活性ガスであってよい。不活性ガスは、一般に他の物質と反応しないガスである。換言すると、不活性ガスは非反応性ガスである。不活性ガスは、希ガス等の元素ガスおよび分子ガスの両方を含んでよい。不活性ガスの例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンおよび窒素が含まれる。好ましくは、不活性ガスは、ヘリウムまたはアルゴンである。
【００９６】
いくつかの実施形態において、加圧ガスシステムを含むハイブリッド推進システムは、圧力制御システム、再加圧システムまたはブローダウンシステムである。ハイブリッド推進システムは圧力制御されることが好ましい。
【００９７】
いくつかの実施形態において、推進剤は自己加圧式である。
【００９８】
図４に示される本発明の第２の態様によると、スペースクラフト推進システム３００は、電気推進エンジン３０２、推進剤供給システム３０４、加圧ガスシステム３０６、および電気推進エンジン３０４内に配置された中和器３０８を有する。図４に図示される通り、加圧ガスシステム３０６からの加圧ガスは、中和器３０８に直接フィードされる。
【００９９】
加圧ガスを電気推進エンジンの中和器に直接フィードすることにより、既存の電気推進エンジンおよび任意の潜在的な中和器の適合性の問題に必要とされる修正を最小限にする。
【０１００】
電気推進エンジンの最も繊細なコンポーネントの１つが中和器（例えば、カソード）であること、および、用いられる推進剤により中和器の状態を低下させることにより、電気推進エンジンの効率性を低下することになり得る、または、電気推進エンジンの全体的動作を妨げることにすらなり得るので、中和器の状態低下はあってはならないことが知られている。この結果、非常に具体的な化学品のグループのみが電気推進エンジンにおける使用に適していることが知られている。このような好適な既知の化学品の１つが、上記のキセノンである。
【０１０１】
いくつかの実施形態において、共通推進剤が電気推進エンジンのための推進剤として用いられ、不活性ガス（例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンまたは窒素）等の加圧剤が電気推進エンジンの中和器に直接フィードされる。加圧剤を中和器に直接フィードすることにより、推進剤が電気推進エンジンのカソードを破壊させることを防ぎ、比較的安価で、容易に入手可能で、"グリーン"である推進剤の使用を可能にする。
【０１０２】
本発明の第２の態様の詳細な概略図が図５Ａおよび５Ｂに示されている。図５Ａおよび５Ｂに開示されたスペースクラフト推進システムは、共通推進剤（この場合、燃料）を含むタンク、燃料をタンクから化学推進エンジン（例えば、ＲＣＴ）へ、および電気推進エンジン、具体的には電気推進エンジンのアノードへ直接移動するよう構成された移動フィードラインを有する。好適な電気推進エンジンには、ＨＥＴおよび本技術分野で知られる他のものが含まれる。いくつかの実施形態において、例えば、図５Ａに示される実施形態においては、化学推進エンジンは、推進剤および酸化剤の使用を必要としてよい。図５Ｂに示されるような他の実施形態においては、化学推進エンジンは、単一の推進剤を用いて動作される。図５Ａおよび５Ｂに示されるように、加圧剤は、電気推進エンジンのカソードに直接フィードされる。
【０１０３】
カウフマンタイプスラスタ等の他の既知の電気推進エンジンもまた使用されてよい。周知のように、カウフマンタイプ推力は、排出チャンバの背後に配置されたイオン化カソードからの電子を排出することで動作する。いくつかの実施形態において、カウフマンタイプスラスタが用いられる場合、中和カソード、すなわち中和器に加圧剤をフィードすることに加え、イオン化カソードに加圧剤がフィードされてよい。
【０１０４】
アノードフローを用いて、ＨＥＴ等の電気推進エンジンのアノードを通るフローを説明してよい。メインフローを用いて、カウフマンタイプスラスタ等の他のタイプの電気スラスタを通る中和カソードフローまたはイオン化カソードフローではないフローを説明してよい。
【０１０５】
本発明の実施形態について図示および説明したが、当業者であれば、本発明から逸脱することなく、これらの実施形態に変更を加え得ること、および本発明の範囲は添付の特許請求の範囲において定義されることが理解されるであろう。実施形態を基礎づける原理が相容れる場合、異なる実施形態の様々なコンポーネントを組み合わせてよい。
（項目）
以下の項目は本発明の実施形態について記載したものであり、特許請求の範囲ではない。
（項目１）
スペースクラフトのための推進システムであって、
少なくとも１つの中和器を有する少なくとも１つの電気推進エンジンと、
加圧ガスを含む加圧ガスシステムと、を備え、
上記加圧ガスは、上記少なくとも１つの中和器に直接フィードされる、推進システム。
（項目２）
上記加圧ガスシステムは、再加圧システムである、項目１に記載の推進システム
（項目３）
上記少なくとも１つの中和器は、中空カソードである、項目１または２に記載の推進システム。
（項目４）
上記加圧ガスは、不活性ガスを含む、項目１から３のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目５）
上記不活性ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンまたは窒素である、項目４に記載の推進システム。
（項目６）
上記推進システムは、少なくとも１つの化学推進エンジンをさらに備える、項目１から５のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目７）
上記少なくとも１つの化学推進エンジンを用いる上記推進システムの高推力モードを制御するよう構成されたプロセッサをさらに備える、項目６に記載の推進システム。
（項目８）
共通推進剤を貯蔵するための少なくとも１つのタンクを有する推進剤供給システムを有する推進剤フィードシステムをさらに備え、
上記推進剤供給システムは、上記共通推進剤の制御流を上記化学推進エンジンおよび上記電気推進エンジンの両方に供給するよう構成されている、項目６または７に記載の推進システム。
（項目９）
上記少なくとも１つの電気推進エンジンは、さらに、蒸発器を有する、項目１から８のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目１０）
上記少なくとも１つの電気推進エンジンを用いる上記推進システムの高Ｉｓｐモードを制御するよう構成されたプロセッサをさらに備える、項目１から９のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目１１）
上記少なくとも１つの化学推進エンジンを用いる推進システムの高推力モードを制御するよう構成されたプロセッサをさらに備える、項目６から８のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目１２）
上記少なくとも１つの化学推進エンジンは、二元推進剤エンジンまたは単元推進剤エンジンである、項目６から８のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目１３）
第２のハイパーゴリック推進剤をさらに備える、項目６から８のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目１４）
電力処理ユニットをさらに備える、項目１から１３のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目１５）
上記共通推進剤は、上記電気推進エンジンにフィードされる前に化学的に分解されない、項目８に記載の推進システム。
（項目１６）
上記共通推進剤は、２０ｅＶ未満のイオン化エネルギーを有し、周囲条件において６００ｋｇ／ｍ３を超える密度を有する、項目８に記載の推進システム。
（項目１７）
上記共通推進剤は、固体単元推進剤、液体単元推進剤、または一対の液体二元推進剤物質から成る群から選択される、項目１６に記載の推進システム。
（項目１８）
上記推進剤は、トリメチルアミンおよびトリプロピルアミン等のトリアミン、過酸化水素または高濃度過酸化水素を含む、項目１７に記載の推進システム。
（項目１９）
少なくとも１つの電気推進エンジンおよび少なくとも１つの化学推進エンジンを有するスペースクラフト推進システムにおける共通推進剤の使用。
（項目２０）
少なくとも１つの電気推進エンジンおよび少なくとも１つの化学推進エンジンを有するスペースクラフト推進システムに共通推進剤を提供する方法。
（項目２１）
少なくとも１つの化学推進エンジンと、
少なくとも１つの電気推進エンジンと、
推進剤フィードシステムと、を備える、スペースクラフトのための推進システムであって、
上記推進剤フィードシステムは、
共通推進剤を貯蔵するための少なくとも１つのタンクを含む推進剤供給システムを有し、
上記推進剤供給システムは、上記化学推進エンジンおよび上記電気推進エンジンの両方に、上記共通推進剤の制御流を供給するよう構成されている、推進システム。
（項目２２）
上記推進剤フィードシステムは、加圧ガスを含む加圧ガスシステムをさらに有し、上記加圧ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンまたは窒素等の不活性ガスを含む、項目２１に記載の推進システム。
（項目２３）
上記電気推進システムは、中空カソード等の少なくとも１つの中和器をさらに有し、上記加圧ガスは、上記少なくとも１つの中和器に直接フィードされる、項目２２に記載の推進システム。
（項目２４）
上記少なくとも１つの化学推進エンジンを用いる上記推進システムの高推力モードを制御するよう構成されたプロセッサおよび／または上記少なくとも１つの電気推進エンジンを用いる上記推進システムの高Ｉｓｐモードを制御するよう構成されたプロセッサをさらに備える、項目２１から２３のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目２５）
上記共通推進剤は、上記電気推進エンジンにフィードされる前に、化学的に分解されない、項目２１から２４のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目２６）
上記共通推進剤は、２０ｅＶ未満のイオン化エネルギーを有し、周囲条件において６００ｋｇ／ｍ３を超える密度を有する、項目２１から２５のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目２７）
上記共通推進剤は、トリメチルアミンおよびトリプロピルアミン等のトリアミン、過酸化水素または高濃度過酸化水素を含む、項目２１から２６のいずれか一項に記載の推進システム。
（項目２８）
少なくとも１つの中和器を有する少なくとも１つの電気推進エンジンと、
加圧ガスを含む加圧ガスシステムと、を備える、スペースクラフトのための推進システムであって、
上記加圧ガスは、上記少なくとも１つの中和器に直接フィードされる、推進システム。
（項目２９）
上記加圧ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンまたは窒素等の不活性ガスを含む、項目２８に記載の推進システム。
（項目３０）  上記推進システムは、少なくとも１つの化学推進エンジンをさらに備える、項目２８または２９に記載の推進システム。
（項目３１）
共通推進剤を貯蔵するための少なくとも１つのタンクを有する推進剤供給システムを有する推進剤フィードシステムをさらに備え、
上記推進剤供給システムは、上記化学推進エンジンおよび上記電気推進エンジンの両方に、上記共通推進剤の制御流を供給するよう構成されている、項目３０に記載の推進システム。
（項目３２）
上記共通推進剤は、２０ｅＶ未満のイオン化エネルギーを有し、周囲条件において６００ｋｇ／ｍ３を超える密度を有する、項目３１に記載の推進システム。
（項目３３）
上記共通推進剤は、トリメチルアミンおよびトリプロピルアミン等のトリアミン、過酸化水素または高濃度過酸化水素を含む、項目３１または３２に記載の推進システム。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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