(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
推進軸線（Ｘ）に沿った推力を展開するためのホール効果スラスタ（１０）であって、
磁場（Ｂ）を生成するための磁気回路（３０）と、
アノード（６２）と、第１カソード（６４）と、少なくとも前記第１カソード（６４）を介して電子を放出しかつ前記アノード（６２）を介して電子を引き付けるための電圧源（６８）と、を備える電気回路（６０）とを備えた、ホール効果スラスタにおいて、
前記ホール効果スラスタが、
前記ホール効果スラスタが、前記推進軸線（Ｘ）の周りに形成された壁（２２）内部に配置され、
前記磁気回路及び前記電気回路が前記壁（２２）の周りに磁場及び電場（Ｂ、Ｅ）を生成するように配列され、かつ、
前記推進軸線に平行でかつ前記壁に直交する全ての断面において、
前記磁気回路（３０）が、実質的に前記壁の表面に配置され相互に離間する、上流磁極（５０）と下流磁極（５２）とを有し、かつ、
前記アノード（６２）及び前記第１カソード（６４）が前記上流磁極（５０）の両側に配置される、ことを特徴とする、ホール効果スラスタ（１０）。
【請求項２】
前記磁気回路が、前記磁場（Ｂ）が前記上流磁極（５）の隣の前記壁の表面に対して概ね直交する方向を向くように配列される、請求項１に記載のホール効果スラスタ（１０）。
【請求項３】
前記電気回路（６０）が、軸線方向において前記上流磁極（５０）と前記下流磁極（５２）との間に配列された第２カソード（６６）も含む、請求項１又は２に記載のホール効果スラスタ（１０）。
【請求項４】
前記電気回路（６０）が、前記下流磁極（５２）から軸線方向に下流に配列された付加的カソード（６７）も含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のホール効果スラスタ（１０）。
【請求項５】
前記電圧源（６８）が制御可能であり、前記ホール効果スラスタの前記推力を逆転するために前記電圧源の電圧を逆転できる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のホール効果スラスタ（１０）。
【請求項６】
前記磁気回路（３０）及び／又は前記電気回路（６０）が、前記壁の周りに非軸対称の磁場及び／又は電場（Ｂ及び／又はＥ）を生成するように配列される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のホール効果スラスタ（１０）。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の少なくとも一つのホール効果スラスタ（１０）を含む宇宙船（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気吸入式ホール効果スラスタの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、空気吸入式ホール効果スラスタは、
作動時にスラスタによって粒子を収集し、加速し、噴出するためのノズルと、
アノードと、アノードの下流のカソードと、カソードを介して電子を放出しかつアノードを介して電子を引き付けるための電圧源とを備える電気回路と、
軸線方向にアノードから下流にノズルにおいて磁場を生成するための磁気回路であって、磁場が推進軸線に対して実質的に放射状の方向を向く、磁気回路とを備える。
【０００３】
例えば、上記のスラスタは、ある特許文献において説明される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
実際には、ノズルは、磁気回路が放射状磁場を生成できるようにするために概ね環状である。したがって、ノズルは、内側壁と外側壁とを備え、粒子は、２つの壁の間を通過する。
【０００５】
特に、このようなノズルのため、このようなスラスタを含む宇宙船の内部空間の特に大きな部分が占められてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／００４６９２１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、設置されたとき宇宙船において占める空間がより小さいホール効果スラスタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、推進軸線に沿って推力を展開するためのホール効果スラスタであって、ホール効果スラスタは、
磁場を生成するための磁気回路と、
アノードと、第１カソードと、少なくとも第１カソードを介して電子を放出しかつアノードを介して電子を引き付けるための電圧源と、を備える電気回路とを備え、
スラスタは、
推進軸線の周りに形成された円筒形壁内部に配置され、
磁気回路及び電気回路が、壁の周りに磁場及び電場を生成するように配列され、かつ
推進軸線に平行でかつ壁に直交する全ての断面において、
磁気回路が、実質的に壁の表面に配置され相互に離間する、上流磁極と下流磁極とを有し、かつ、
アノード及び第１カソードが上流磁極の両側に配置される、ことを特徴とする、ホール効果スラスタによって達成される。
【０００９】
上述の壁は、当然、スラスタが取り付けられる宇宙船の外部壁である。
【００１０】
壁は、通常、軸対称の壁である。
【００１１】
特に、壁は、円筒形壁とすることができる。「円筒形壁」は、本明細書において、閉鎖輪郭の周りにおいて定方向の「ゼネレータ」ラインを掃引することによって生成される表面を持つ壁を意味する。
【００１２】
スラスタによって展開された推力は、概ね、壁の対称軸に沿った方向を向く。
【００１３】
但し、一つの実施形態において、磁気回路及び／又は電気回路は、壁の周りに非軸対称磁場及び／又は電場（Ｂ及び／又はＥ）を生成するように配列される。スラスタによって生成された推力は、その後スラスタの軸線（円筒形壁によって画定される）に対して側方成分を示す。したがって、円筒形壁の軸線方向に対して多少傾斜する方向を向く。
【００１４】
閉鎖輪郭は、円形、楕円形又は長円形とすることができ、例えば、競技トラックなどの形状を持つことができる。
【００１５】
本発明は、したがって、ノズル内ではなく、したがって宇宙船内ではなく宇宙船外部で粒子加速を構成することによって、ホール効果スラスタの設計を完全に逆転する。
【００１６】
本発明によれば、磁気回路によって発生した磁場は、宇宙船の円周全体で電子を捕捉する。但し、磁場は、円周の周りの位置の関数として変動する強さを持つことができる。
【００１７】
磁気回路は、概略的に、磁場が上流磁極の隣の壁の表面に概ね直交する方向を向くように、配列される。
【００１８】
壁と磁力線との間の角度は、９０°から僅かに逸れることができる。特に、７５°〜１０５°の範囲にあれば充分である。
【００１９】
本発明によれば、電気回路及び磁気回路は、このように、先行技術の設計のスラスタと比べて完全に修正される。但し、ホール効果エンジンの作動原理は、先行技術のホール効果スラスタの作動原理と実質的に同じままである。
【００２０】
一つの実施形態において、電気回路は、下流磁極から軸線方向に下流に配列された少なくとも一つの別のカソードを含む。この別のカソードは、宇宙船から下流に放出された粒子に電子を供給して、粒子を電気的に中性にするのに役立つ。
【００２１】
本発明は、以上に規定するように少なくとも一つのホール効果スラスタを組み込む宇宙船も提供する。
【００２２】
本発明は、非限定的例として下に示す実施形態の詳細な説明を読むことによって、充分に理解できかつその利点が明らかになる。説明は、下記の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるスラスタを組み込む宇宙船の部分断面図である。
【図２】図１の宇宙船の部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１及び２は、本発明のホール効果スラスタ１０を含む宇宙船１００、特に人工衛星を示す。
【００２５】
人工衛星は、地球の大気圏の軌道を回って１００キロメートル（ｋｍ）〜３００ｋｍの高度を維持する衛星である。
【００２６】
有利なことには、この高度は比較的低く、設備の一部のピース（通信設備、カメラなど）を比較的小さいサイズしたがって比較的小さい質量にできる。逆に、この高度において、地球の大気圏は、低いがゼロではない衛星の通過に対する抵抗に対抗する。したがって、その結果生じるドラグを補正する必要がある。
【００２７】
スラスタ１０の機能は、人工衛星に推力を与えて、所望の高度で作動を維持できるようにすることである。
【００２８】
スラスタは、また軌道変更または修正を行うのにも役立つ。
【００２９】
有利なことに、スラスタ１０などの本発明のスラスタは、ソーラーパネルなどの電力供給手段に結合されたとき、人工衛星を所定高度に長期間維持するために必要な推力を与えることができる。
【００３０】
人工衛星１００は、概ね軸線Ｘの周りの回転体の形式である外側保護ケーシング２０の中に配置される。スラスタ１０は、ケーシング２０の外部壁２２内部に配置される。壁２２の主要部分は円筒形の外部形状を持つ。
【００３１】
説明する実施形態において、スラスタ１０は、軸線Ｘの周りで軸対称である構造を有する。この文脈において、「上流」及び「下流」は、人工衛星したがってスラスタの正常行程方向に対して規定される。
【００３２】
スラスタ１０は、磁気回路３０と電気回路６０とを有する。
【００３３】
磁気回路３０は、壁２２の軸線方向に（軸線Ｘに対して「軸線方向」）上流の部分に概ね放射状の磁場を生成するように配列される。
【００３４】
このために、軸線Ｘの周りで軸対称に配列される複数の同一の個別の磁気回路３２を有する。
【００３５】
各回路３２は、Ｕ字形の軸線断面を有する軟鉄芯３４を備える。芯３４は、壁２２に近接して軸線Ｘに平行に延びる長いロッド３６を有する。また、屈曲区分の端部が壁２２の表面のすぐ下に配列されるように、壁２２へ向かって曲がる屈曲区分３８も有する。これらの区分３８に対面して、ケーシング２０は、磁場が通過できるようにするために、非磁気、電気絶縁材料のリング４０を有する。リング４０は、例えばセラミック、多結晶立方晶炭素（ダイアモンドとして知られる）又はアルミナで作ることができる。
【００３６】
各回路３２は、ロッド３６の周りに配列されたソレノイドを形成するコイル４６も有する。
【００３７】
回路３２のコイル３６の端末は、電圧源４４の端末に接続される。電圧源は、コイル４６へ加えられた電圧の効果を受けて、壁の周りに安定した磁場Ｂを生成できるように選択される。また、電流源を使用することも可能である。
【００３８】
電圧源４４によってコイル４６へ電圧が加えられたとき、各磁気回路３２は、磁場Ｂを生成する。この磁場は、回路３２によって人工衛星の傍らの空間において衛星１００の外部へ放射される。形成される磁力線を図１に示す。この図に示すように、屈曲区分３８の端部は、回路３２のための磁極、即ち上流磁極５０及び下流磁極５２を形成する。
【００３９】
上流磁極５０の隣において、磁場Ｂは壁２２の表面に対して実質的に直交する方向を向く。
【００４０】
図から分かるように、２つの隣り合う別個の磁気回路３２の上流磁極は、相互に接近するように又は可能であれば接触するように形成される。同じことが下流磁極にも言える。これによって、磁気回路は、任意の軸平面において上流磁極と下流磁極を持つことができ、磁極は磁場を生成する。これによって、磁場Ｂは、壁２２の周縁全体において実質的に均等に生成される。
【００４１】
別の実施形態において、各回路３２は、基本的に、実質的に軟鉄芯３４と同じ形状を有する磁石によって構成できる。この場合、スラスタ１０の周りに磁場Ｂを生成するためにコイル４６及びこれに動力を供給する電圧源４４を設置する必要がない。
【００４２】
スラスタ１０は、電気回路６０も有する。この回路は、アノード６２と、第１カソード６４と、第２カソード６６と、第３カソード６７（又は付加的カソード）と、アノード６２を第１、第２に及び第３カソード６４、６６及び６７に接続する電圧源６８と、を備える。
【００４３】
アノード６２は、導電性でかつ好ましくは非磁気性の材料例えばグラファイト、ステンレス鋼又は他の金属で作られる。
【００４４】
カソードは、電子を放出するように設計され、六ほう化ランタン（ＬａＢ6）、バリウム含浸タングステン（ＷＢａ）の任意の一つの材料で作ることができる。
【００４５】
カソードはリング形である必要はなく、スポットカソード（中空カソード）でもよい。具体的には、磁気位相距離（magnetic topological distance）は、物理的距離ではなく力線によって決まる。カソードがスポットカソード（中空カソード）である場合、電気回路においてリング６４は明白な役割を持たない。即ち、壁２２に静電気が蓄積するのを避けるために表面において単に導電体を使用することが可能である。
【００４６】
アノード６２は、上流磁極５０から軸線方向に上流に配置される。第１カソード６４は、上流磁極５０から下流に但しこれに近接して（望ましくはそのすぐ隣に）したがって下流磁極５２から上流に所定距離に配置される。
【００４７】
第２カソード６６は、上流磁極５０と下流磁極５２との間に配置される。
【００４８】
したがって、第２カソードは、上流磁極５０の下流でかつ下流磁極５２の上流にある。
【００４９】
第３カソード６７は、下流磁極５２の下流に配置される。
【００５０】
カソード６６及び６７の各々は、下流磁極５２に近接して、したがって、第１カソードから下流に所定距離に配置される。
【００５１】
回路６０は、３つのカソード６４、６６及び６７を持つが、他の実施形態において、一つのカソードしか設置しないことが可能であり、２つのカソードを設置することも可能である。一つのカソードの位置又は２つのカソードの位置は、カソード６４、６６及び６７の位置から自由に選択できる。
【００５２】
アノード６２及び第１、第２及び第３カソード６４、６６及び６７は、全てリング形である。これらのリングは、各々、軸線Ｘに対して概ね直交する平面（又はより正確には軸線に直交する２つの近接する平面の間）において壁２２の円周全体に延びる。３つのリングの各々は、壁２２の表面と同一平面に在り、壁の一部分を構成する。
【００５３】
アノード６２とカソード６４、６６及び６７との間で電圧源６８によって電圧が加えられるとき、電場Ｅは、人工衛星の外部空間において、壁２２の周りのアノード６２と第１カソード６４との間に形成される。電場は、軸線Ｘに対して実質的に平行の方向を向く。
【００５４】
逆に、電場Ｅは、下流磁極５２の近隣においては極めて低い。したがって、スラスタ１０によって生成される力は、上流磁極５０に近接して生成され、電場Ｅがないところでは、対抗力は実際には下流磁極に近接して生成されない。
【００５５】
また、電圧源６８は制御可能である（図には示さない）。即ち、スラスタからの推力を逆転するために電圧を逆転できる。
【００５６】
具体的には、２つの極は、アノードと第１及び第２カソードとの間で加えられる電圧を逆転したい場合、要望に応じて交換可能である。この逆転は、例えば、大気圏に再進入する際人工衛星１００にブレーキを掛けるために、スラスタ１０によって加えられる力を逆転するのに役立つ。
【００５７】
アノード及びカソードの役割は、それを可能にする性質のものであれば交換可能である。
【００５８】
別の実施形態において、上流極５０の上流にカソードをその下流にアノードを設置することが可能であり、電圧源６８は推力逆転モードで極に接続される。
【００５９】
このカソード及びアノードは、アノード６２とカソード６４、６６及び６７の代わりに推力逆転モードで使用される。
【００６０】
スラスタ１０は、下記のように作動する。
【００６１】
電圧、典型的には１５０ボルト（Ｖ）〜８００Ｖの範囲の電圧が、上流アノード６２の下流のカソード６４、６６及び６７の間に設定される。カソード６４、６６及び６７は、その後電子を放出し始める。この電子の大部分は、磁気回路３０によって生成され所望の性能に適合化された磁場によって形成された磁気エンクロージャに捕捉される。所望の性能は、典型的には１００ガウス〜３００ガウス程度である。この磁気エンクロージャに捕捉された電子は、仮想カソードグリッド７０を形成する。但し、ある程度の高さのエネルギー電子（典型的には、１０電子ボルト（ｅＶ）〜４０ｅＶ）は、磁気エンクロージャ７０から逃れて、アノード６２へ向かう。
【００６２】
人工衛星１００は、大気圏に対して移動しているので、粒子は常に仮想カソードグリッド７０の中へ浸透する。グリッドの中に保持される電子とこれらの粒子の原子との間の衝突は、原子をイオン化する。電気回路６０によって生成された電場Ｅの効果を受けて、イオン化粒子は、人工衛星の後部へ向かって加速する。このようにして、スラスタ１０は、壁２２から下流に人工衛星の後部へ向かってＸ方向に非常に高速で噴出されるプラズマジェットを生成する。対称形なので、生成される推力は、実質的に中心軸線Ｘと整列する。
【００６３】
電圧源６８によって加えられた電圧の方向に応じて、スラスタ１０によって生成される力は、一つの方向又はＸ軸に沿った他の方向とすることができる。
【００６４】
スラスタ１０の作動時に、第２及び第３カソード６６及び６７は、人工衛星１００の下流に放出された粒子に電子を供給し、それによって、粒子が電気的に中性になるようにする。
【００６５】
第２カソードの使用は、特に任意である。スラスタ１０によって加速された粒子を中性化するために必要な電子を供給するのは、主に、下流磁極５２の下流に配置される第３カソード６７である。
【００６６】
有利なことには、本発明のスラスタは、ほとんどのホール効果スラスタと異なり、推進ガスの供給を必要としない。
【００６７】
更に、人工衛星の外部壁にスラスタを配置することによって、人工衛星内部において大量の空間を解放し、それによって、内部における大きなペイロードを可能にする。
【００６８】
また、スラスタは、非軸対称に配列しても、本発明の範囲内に在ることが分かるはずである。特に、コイル４６は、同一である必要はない。例えば、コイルは、磁場が壁の一方の側において反対側より強くなるように配列できる。このような状況においては、スラスタによって生成された推力は、壁の軸線に沿った方向ではなく、壁の軸線に対して多少偏った方向を向く。
【図１】
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【図２】
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