(57)【要約】【課題】  推進剤の効率的な利用を図り、発生力積を増加させて長寿命化を図るとともに、推進力の微調整が可能で、簡便な構成によって信頼性の高いパルスプラズマスラスタおよびこれを用いた宇宙機を提供することにある。【解決手段】  スラスタユニット１に、その一部を推進剤８によって形成された放電室２ａおよび２ｂ、陰極３、陽極４ａおよび４ｂ、およびイグナイタ６を設けたパルスプラズマスラスタであって、前記放電室２ａおよび２ｂを複数設けるとともに、該放電室２ａおよび２ｂの内の少なくとも２以上を連通する誘発路７を設けることを特徴とする。【選択図】  図１
2007120343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラスタユニットに、その一部を推進剤によって形成された放電室、陰極、陽極、およびイグナイタを設けたパルスプラズマスラスタであって、前記放電室を複数設けるとともに、該放電室の内の少なくとも２以上を連通する誘発路を設けることを特徴とするパルスプラズマスラスタ。
【請求項２】
スラスタユニットに、その一部を推進剤によって形成された放電室、陰極、陽極、およびイグナイタを設けたパルスプラズマスラスタであって、前記推進剤を、ガラス材とすることを特徴とするパルスプラズマスラスタ。
【請求項３】
前記スラスタユニットが、前記推進剤によって形成されることを特徴とする請求項１または２記載のパルスプラズマスラスタ。
【請求項４】
前記スラスタユニットの少なくとも一面において、複数の前記放電室が配置され、該放電室の内の少なくとも２以上を連通する誘発路を複数設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパルスプラズマスラスタ。
【請求項５】
前記放電室の奥行きについて、前記誘発路によって連通された放電室群ごとに、固有の長さを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパルスプラズマスラスタ。
【請求項６】
前記推進剤を、複数の異なる素材によって構成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のパルスプラズマスラスタ。
【請求項７】
前記放電室内部空間に、絶縁性の部材を配設し、該空間容積を減少せしめることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のパルスプラズマスラスタ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のパルスプラズマスラスタを用い、前記イグナイタを制御して、複数の前記放電室を選択的に放電させることを特徴とする宇宙機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスプラズマスラスタおよびこれを用いた宇宙機に関し、具体的には、人工衛星などの宇宙機に利用可能な多数の放電室を有するパルスプラズマスラスタおよびこれを用いた宇宙機に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスプラズマスラスタ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｔｈｒｕｓｔｅｒ、以下「ＰＰＴ」という。）は、一般に固体／昇華性物質を推進剤とする電気推進機であり、近年、人工衛星等の研究開発の活発化に伴い、例えば、宇宙での人工衛星の姿勢を制御するための小型・軽量の推進手段として注目されている。特に、人工衛星等においては、その重量低減などの要請から、推進剤をより効率的に利用できるＰＰＴが求められている。
【０００３】
図１３に、一般的なＰＰＴの模式的な構成図を示し、以下その推力発生原理を説明する（例えば非特許文献１参照）。
（１）イグナイタ６に印加されるパルス状の高電圧放電により、露出面から少量のテフロン（登録商標、以下同じ）６１を昇華させ、その一部をプラズマ化させる（図１３（Ａ））。
（２）プラズマは、陽極４と陰極３の間に広がり、高導電性の領域をつくる。これにより両電極間が短絡され、両電極につながれたキャパシタ１０内の電荷が一斉に流れ、主放電が形成される（図１３（Ｂ））。
（３）この主放電による電流がジュール加熱および輻射によってテフロン６１にエネルギーを与え昇華させる。昇華したテフロン６１は、高エンタルピー気体の膨張による気体力学的加速を受ける。また、一部は電離してプラズマとなり、主放電電流とその自己誘起磁場が作る電磁力による電磁力学的加速を受ける（図１３（Ｃ））。
（４）電磁力学的・気体力学的加速を受けたプラズマは、下流方向に加速され、その放電領域を広げつつ、スラスタ外へ放出される。
（５）放電により、テフロン６１が昇華し、その表面が後退するのに対応し、スプリングで自動的に放電チャンネル内の所定の位置に供給され、新たな放電チャンネルを形成する。
【０００４】
また、推進剤の有効利用のために、図１４（Ａ）および（Ｂ）に示すＰＰＴ推進剤供給機構が提案されている（例えば特許文献１参照）。具体的には、円盤状に形成されたＰＰＴ推進剤７５を用いたＰＰＴ推進剤供給機構７０であって、ＰＰＴ推進剤７５の中心に設けられた挿通孔７６に挿通されＰＰＴ推進剤７５を回転自在に支持する固定軸７７、ＰＰＴ推進剤７５の外周面に端部を向け周方向の間隔を開けて平行に配置された陽極７２ａと陰極７２ｂ、陽極７２ａと陰極７２ｂとを固定軸７７の中心方向に付勢する引っ張り機構、ＰＰＴ推進剤７５をその周面が固定軸７７回りに陽極７２ａ側から陰極７２ｂ側へと回転移動するように付勢する回転機構を備えてなるように構成したＰＰＴ推進剤供給機構７０である。推進剤７５を有効に使い切れず、無効推進剤が残ることを防止し、実効の推進剤消費率（比推力）の向上を図っている。
【０００５】
【非特許文献１】栗木恭一、荒川義博著「電気推進ロケット入門」（東京大学出版会、２００３年５月）Ｐ．１５９−１６０
【特許文献１】特開２００２−３３２０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のＰＰＴでは、実際の使用時にいくつかの課題があり、殆んど実用化されないことも多くあった。
【０００７】
例えば、比較的高インパルスビットを発生できるＰＰＴにおいては、燃料供給技術の確立が課題であった。また、人工衛星の使用期間の長期化に伴う、ＰＰＴの長寿命化が重要な課題であった。
【０００８】
また、上記のＰＰＴ推進剤供給機構については、無効推進剤の低減には有効であるが、機構のコンパクト化、簡便さの面では更なる改善が求められ、エネルギー効率の面においても、更なる推進剤の有効利用が求められている。
【０００９】
さらに、人工衛星等においては、その姿勢の修正のために推進力の微妙な調整が必要となり、単純な宇宙機ではなく、推進力を複数レベルで調整しかつ瞬間的な強度を制御することができる精密な機能が必要されてきている。
【００１０】
そこで、この発明の目的は、こうした要請に対応し、推進剤の効率的な利用を図り、総発生力積を増加させて長寿命化を図るとともに、推進力の微調整が可能で、簡便な構成によって、信頼性の高いＰＰＴおよびこれを用いた宇宙機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、以下に示すパルスプラズマスラスタ（以下「ＰＰＴ」という。）およびこれを用いた宇宙機によって、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１２】
本発明は、スラスタユニットに、その一部を推進剤によって形成された放電室、陰極、陽極、およびイグナイタを設けたパルスプラズマスラスタであって、前記放電室を複数設けるとともに、該放電室の内の少なくとも２以上を連通する誘発路を設けることを特徴とする。
【００１３】
従来のＰＰＴにおいては、１つの放電室（キャビティ）を基本としてパルスの周期あるいは印加電圧などによって推進力の制御を行い、推進力の増大等のために複数の放電室を設けた場合にも放電室ごとに独立して制御する方法が実施されていた。この場合、各放電室にイグナイタを設けると、イグナイタおよびその駆動用回路（イグニッション回路）が複数必要となり、宇宙機全体として負荷が過大なものとなる。本発明は、スラスタユニットに、エネルギーを供給できるように電極を配置・接続し、その一部を推進剤によって形成された複数の放電室を設けるとともに、隣接する放電室を連通する誘発路を設け、イグナイタを単数あるいは後述するように１つの誘発路について単数とすることによって、１つのイグナイタで複数の放電室を略同時に作動させることを可能とした。
つまり、燃料供給機構を有さないＰＰＴにおいて、その一部を推進剤によって形成された複数の放電室を設けることによって、推進源を分散し寿命までの総発生力積を従来よりも増加させ、人工衛星等の宇宙機として長寿命化を図ることが可能となる。また、１つのイグナイタで複数の放電室を略同時に作動させることによって、宇宙機全体を簡素化し負荷を軽減することができる。
このように、イグナイタを制御することのみで、１つまたは複数のスラスタユニットにより、人工衛星の姿勢・位置制御が可能な、簡便な構成でかつ信頼性の高いＰＰＴを提供することが可能となった。また、推進剤の効率的な利用を図り、発生力積を増加させて長寿命化を図ることが可能となった。
なお、ここでいう「スラスタユニット」とは、放電室や電極などを設ける固体（媒体）をいい、ＰＰＴの筐体を構成する。
【００１４】
本発明は、スラスタユニットに、その一部を推進剤によって形成された放電室、陰極、陽極、およびイグナイタを設けたパルスプラズマスラスタであって、前記推進剤を、ガラス材とすることを特徴とする。
【００１５】
推進剤としては、上記のようにＰＴＦＥを用いることが多い。本発明においては、ガラス材を推進剤として用いることにより、性能が向上することを見出したもので、特に、ＰＴＦＥよりも高密度の低融点（低昇華点）ガラスを用いることにより、推進剤の減少に伴う放電室の断面積増加を実質的に緩やかにすることができる。従って、ガラス材特に低融点ガラスを用いると更なる長寿命化が可能である。
【００１６】
本発明は、上記パルスプラズマスラスタであって、前記スラスタユニットが、前記推進剤によって形成されることを特徴とする。
【００１７】
上記のように、ＰＰＴは人工衛星等への搭載を目的とすることが多く、軽量化が最大の課題の１つである。一方、ＰＰＴに使用される推進剤は、所定の成形性・剛性あるいは強度を有する素材であることから、スラスタユニットを構成することが可能である。本発明においては、スラスタユニットを推進剤によって形成することによって、部材の重複を避け、加工が容易で簡易な構造を有する軽量のスラスタユニットを構成することが可能となる。
【００１８】
本発明は、上記パルスプラズマスラスタであって、前記スラスタユニットの少なくとも一面において、複数の前記放電室が配置され、該放電室の内の少なくとも２以上を連通する誘発路を複数設けたことを特徴とする。
【００１９】
上記のように、従来の１つの放電室を有し推進剤の補充がないＰＰＴにおいては、推進剤の減少に伴う放電室断面積増大による推進力の低下を生じ、複数の放電室を設けた場合には、個々に電極やイグナイタが必要となりＰＰＴの大きな負荷となる。本発明は、スラスタユニットの少なくとも一面において、複数の前記放電室が配置され、個々の放電室におけるエネルギーを分散することによって、放電室断面積増大による性能の低下を緩やかにでき、インパルスビット（１ショット当たりの発生力積）の変化も緩やかになるため、制御が容易となる。または、多数の放電室を持つため、リスクの分散に繋がり、冗長系を削減できることから、信頼性向上、コストダウンを図ることが可能となる。さらに、特定の行または列の放電室に対して複数の誘発路を設けることによって、イグナイタの数を減少することが可能である。例えば、複数行あるいは／および複数列に多数の放電室を配列する方法などを挙げることができる。
【００２０】
本発明は、上記パルスプラズマスラスタであって、前記放電室の奥行きについて、前記誘発路によって連通された放電室群ごとに、固有の長さを有することを特徴とする。
【００２１】
ＰＰＴを用いた宇宙機が搭載された人工衛星等においては、推進力の微調整が必要となることから、ＰＰＴに対しても調整幅の大きな推進力が求められる。誘発路によって連通された放電室群ごとに、固有の奥行き（長さ）を有する放電室を配することによって、様々な長さの放電室を同一スラスタユニット内に設けられるため、広い範囲の性能を実現することができる。
【００２２】
本発明は、上記パルスプラズマスラスタであって、前記推進剤を、複数の異なる素材によって構成することを特徴とする。
【００２３】
上記のように、インパルスビットなどＰＰＴの性能は、推進剤によって異なることが分った。また、推進剤により、最良の性能を発揮する放電室径が異なると考えられることから、本発明においては、こうした依存性を利用し、複数種類の推進剤を層状に配置することによって、寿命までの総合的な性能の向上と直径が拡がった時の性能の劣化を緩和することを図ったものである。例えば、直径が拡がった場合に、初期の推進剤よりも溶融（昇華）しやすい推進剤が露出するようにすれば、ショット数によるインパルスビットの低下を緩和できると考えられ、ＰＰＴの長寿命化が可能となる。
【００２４】
本発明は、上記のいずれかのパルスプラズマスラスタであって、前記放電室内部空間に、絶縁性の部材を配設し、該空間容積を減少せしめることを特徴とする。
【００２５】
ＰＰＴにおいては、推進剤の表面積を維持したまま、放電室の断面積と内容積を減少させることができれば、輸送効率（＝［プラズマに投入されるエネルギー］／［キャパシタに充電される初期エネルギー］）が向上し、また、放電室内圧力も向上させることができるため、性能の向上が期待できる。本発明では、その手段として絶縁体の部材を放電室の中に配置し、内容積を減少せしめた放電室を構成することによって、こうした輸送効率の高い機能的なＰＰＴを可能としたものである。
【００２６】
本発明は、上記のいずれかのパルスプラズマスラスタを用いた宇宙機であって、前記イグナイタを制御して、複数の前記放電室を選択的に放電させることを特徴とする。
【００２７】
本発明のＰＰＴは、燃料供給機構などのメカ可動部を有しないため、推進機系全体でメカ可動部ゼロを実現でき、構造が単純にできるとともに、放電室を複数配列した場合にあっては、高電圧スイッチなどを一切使わずに、イグナイタの制御のみで、放電室を列毎に選択的に放電させることができるという優れた機能を有している。
従って、こうした機能は、例えば人工衛星などの宇宙機として有用であり、高い信頼性を有するとともに、コストダウンを図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
以上のように、本発明によれば、従来困難であった、長寿命化の要請にも対応可能で、簡便な構成によって信頼性の高いＰＰＴを提供することが可能となった。また、こうした信頼性の高いＰＰＴを用いるとともに、推進力の微調整が可能な機能を有する宇宙機を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
＜本発明に係るＰＰＴの基本的な構成＞
本発明に係るＰＰＴは、スラスタユニットに、放電室、陰極、陽極、およびイグナイタを設ける。また、スラスタユニット部材の一部を構成する推進剤によって放電室の一部を形成するとともに、放電室を複数設けて放電室ごとに陰極または陽極の少なくともいずれかを配設するとともに、放電室の内の少なくとも２以上を連通する誘発路を設けることを特徴とする。
【００３１】
図１は、この発明に係るＰＰＴの基本的な構成（第１構成例）を例示している。スラスタユニット１に、所定の直径を有し所定の奥行きを有する２つの放電室２ａおよび２ｂを設け、その両端に陰極（カソード）３と陽極（アノード）４ａおよび４ｂを配設する。図１では、陰極３側を放電室２ａおよび２ｂの開口部とし、放電室２ａおよび２ｂからの気流に対し広がりを有するノズル５ａおよび５ｂを設け、その先端部にイグナイタ６を配設するとともに、ノズル５ａおよび５ｂの誘発路７によって接続する構成としている。また、放電室２ａおよび２ｂは、推進剤８の一部によって形成されている。
【００３２】
稼動状態においては、図１３および既述の推進発生原理と同様、
（１）イグナイタ６に印加されるパルス状の高電圧放電により、まず放電室２ａの表面を形成する推進剤８を昇華させ、その一部をプラズマ化させる。
（２）プラズマは、陽極４ａと陰極３の間に広がり高導電性の領域をつくる。これにより陽極４ａと陰極３の間が短絡され、両電極につながれたキャパシタ内の電荷が一斉に流れ主放電が形成される。
（３）と同時に、誘発路７を介して放電室２ａにおいて生じたプラズマ中の荷電粒子が放電室２ｂの表面を形成する推進剤８を昇華させ、その一部をプラズマ化させる。
（４）プラズマは、（２）同様、陽極４ｂと陰極３の間に広がり高導電性の領域をつくり、陽極４ｂと陰極３の間が短絡され、両電極につながれたキャパシタ内の電荷が一斉に流れ主放電が形成される。
（５）これらの主放電による電流がジュール加熱および輻射によって推進剤８にエネルギーを与え昇華させる。昇華した推進剤８は、高エンタルピー気体の膨張による気体力学的加速を受ける。また、一部は電離してプラズマとなり、主放電電流とその自己誘起磁場が作る電磁力による電磁力学的加速を受ける。
（６）電磁力学的・気体力学的加速を受けたプラズマは、下流方向に加速され、その放電領域を広げつつ、ノズル５ａおよび５ｂを介してスラスタ外へ噴出される。
【００３３】
また、放電室の数は、図１においては、２ａおよび２ｂの２つの放電室を有する場合を例示したが、むろん２以上の放電室を有するＰＰＴを構成することができる。また、その配置についても特に制限はなく、ＰＰＴの使用条件などによって最適な推進効率となる配置が選定される。例えば、３つの縦列的に配置した場合や三角形状に配置した場合（図２（Ａ）および（Ｂ））、あるいは後述するさらに多数の放電室を配置した場合などを挙げることができる。
【００３４】
ここで、放電室２ａおよび２ｂの形状、特に放電室の奥行きＤは比推力と推力電力比に関係する。本発明においては、様々なミッションの要求に対して放電室２ａおよび２ｂの形状を選択しつつ、優れた推進機能を確保することが可能となった。具体的には、放電室２ａおよび２ｂの内径が１〜５ｍｍ程度、奥行きＤが１０〜３０ｍｍ程度にピークを有すると推算している。実機においては、さらに、推力電力比、寿命までの総発生力積などを考慮して形状設定が行われる。
【００３５】
推進剤８は、別途放電室に順次供給する手段を設けるよりも、その一部によって放電室２ａおよび２ｂを形成することが好ましい。放電室２ａおよび２ｂの表面の推進剤８の昇華に伴う新規推進剤８の供給が可能となり、駆動部を設けることによるエネルギー供給の必要性やＰＰＴの機能の複雑化を防止することができる。
【００３６】
また、スラスタユニット１を、推進剤８によって形成することが好ましい。ＰＰＴは人工衛星のような人為的な保守が不可能な用途が主であり、構造の複雑化を排除することが好ましく、軽量化の要請にも対応可能である。つまり、所定の成形性・剛性あるいは強度を有する素材であれば、図１のように、スラスタユニット１を、推進剤８によって形成するとともに、簡単な加工処理によって放電室２ａおよび２ｂを形成することが可能である。また、推進剤８の使用に伴うスラスタユニット１の減量によって、ＰＰＴ自体の負荷の軽減にも役立つこととなる。
【００３７】
むろん、スラスタユニット１を別素材とし、用途に応じた最適の推進剤８を選択することも可能である。例えば、図２（Ａ）のような３つの放電室２ａ、２ｂおよび２ｃを有する構成において、円形パイプ型推進剤およびセラミックなどこれと異なる素材のノズル５ａ、５ｂおよび５ｃを用い、イグナイタ６をノズル部５ａに設置した構成例を挙げることができる。
【００３８】
推進剤８としては、従前のようにＰＴＦＥを用いることも可能であるが、高密度の素材の方が推進剤の減少が小さく、融点が低いほど高濃度の物質昇華による大きな推進力を期待することができる。具体的には、低融点のガラス材を推進剤８として挙げることができ、同一の推進力を得るために必要な推進剤８の体積をＰＴＦＥに比べ少なくすることができる。従って、推進剤８の減少によって生じる放電室の断面積増加を実質的に緩やかにすることができ、推進剤８の長寿命化を図ることが可能となる。
ここで、低融点ガラスとは、例えば融点が１００〜７００℃程度で軟化するガラス材の総称をいい、具体的には、鉛ガラスなどを挙げることができる。本発明においては、特に３００〜５００℃程度で軟化する低融点ガラスが好ましい。
また、後述するように、推進剤８としては、１種類の素材ではなく複数種の素材を組み合わせることも可能である。
【００３９】
次に、推進剤としてＰＴＦＥを用いた場合と低融点ガラスを用いた場合について、比較検証を行う。固体燃料にＰＴＦＥより密度の高い低融点ガラスを用いると，放電室の断面積の拡大をさらに緩やかにでき，総発生インパルスのさらなる向上が期待できる。
【００４０】
（１）実験条件
・低融点ガラスの組成および組成から予想される物性値：表１のとおり
〔表１〕
2007120343.tif 000003
・他の実験条件：表２に示す。材料の影響のみの比較を行えばよいため，放電室の個数は1つとした。
〔表２〕
2007120343.tif 000004
【００４１】
（２）実験結果
初期性能を表３に示す。
〔表３〕
2007120343.tif 000005
ここで、マスショットΔｍ（Ｍａｓｓ  ｓｈｏｔ）とは１ショット当たりの燃料消費量をいい、比推力Ｉｓｐ（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｍｐｕｌｓｅ）とはＩｂ／（Δｍｇ）をいい（ｇ：重力加速度）、推進効率ηｔ（Ｔｈｒｕｓｔ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）とは、Ｉｂ２／（２ΔｍＥ０）をいう（Ｅ０：初期エネルギー)。
【００４２】
低融点ガラスを用いたときの初期インパルスビットはＰＴＦＥを用いたときの６０％程度であり、比推力には大差はない。従って，推進効率は低融点ガラスを用いたときの方が低い。
しかしながら，図３（Ａ）および（Ｂ）に示すように，低融点ガラスの方がインパルスビットの低下が緩やかである。後述する方法で総インパルスを見積もると、低融点ガラスを用いた場合は７．２１Ｎｓ，ＰＴＦＥを用いた場合は３．６６Ｎｓとなり，低融点ガラスの方が大きな総発生インパルスが見積もられる。従って，多放電誘発機構において、固体燃料を低融点ガラスにすることにより総発生インパルスはさらに向上すると考えられる。また、低融点ガラスの組成や種類は無数にあり，融点や密度などの物性を狙って任意に調合できるため，使用条件に合致した最適な組成を設定することが可能である。
なお、密度が高く、ある程度の低融点（数１００℃）の材料であれば低融点ガラスに限らず，推進剤として用いると総発生インパルスが向上する可能性がある。
【００４３】
放電室２ａからノズル５ａあるいは放電室２ｂからノズル５ｂに繋がる空間形状は、図１では、プラズマの噴出を安定化させるように、円錐状に開口した超音速ノズルを形成している。ただし、必ずしもこれに限定されるものではなく、ストレート管状あるいは半球状に広がりを有する形状やこれらの組合せなど種々の形状を設定することが可能である。
【００４４】
ノズル５ａまたは５ｂを形成する素材としては、図１のように、スラスタユニット１の一部として推進剤８によって形成することが可能である一方、図２（Ａ）のように、プラズマの噴出を安定化させるために、燃料を消費していく際に放電室２ａおよび２ｂがスロート形状を持たないように、ＰＴＦＥのような融点の低い素材が好ましい。
【００４５】
また、上記においては中空形状の放電室２ａおよび２ｂを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図４（Ａ）〜（Ｄ）に例示するように、内部空間に、絶縁性の部材（ガラス棒）２ｚを配設し、該空間容積を減少せしめた放電室２を形成することも可能である。ガラス棒２ｚを放電室２の中に配置（陽極４に取り付けられる）し、ドーナツ状の断面を持つ放電室２を構成することによって、輸送効率（＝［プラズマに投入されるエネルギー］／［キャパシタに充電される初期エネルギー］）が向上し、また、放電室内圧力も向上させることができる。ガラス棒２ｚの材質は、炭素などの付着が起こりにくい、例えばパイレックスガラス（登録商標）が最良であると考えられる。
図４（Ａ）および（Ｃ）はノズル５が超音速ノズルを形成している場合を示している。図４（Ｂ）および（Ｄ）はノズル５をストレートとするかわりに、ガラス棒２ｚを下流に向かうにつれて縮小することにより断面積拡大の効果を持たせ、超音速ノズルの機能を待たせることができる。これにより、ノズル５の出口の直径を小さくすることができ、多数の放電室を配置する際の間隔を小さくすることができるため、スラスタユニット１の推力密度を向上できる。また、通常のノズル５では発散による運動量とエネルギーの損失があるが、このノズル形状では発散角が抑えられることによって、推進性能が向上する効果が期待できる。
【００４６】
次に、絶縁性の部材を用いた場合の効果をシミュレーションによって実証する。
（１）条件
ノズル形状：長さ１０ｍｍ、半頂角１５°
初期充電エネルギー：１４．６Ｊ
放電室形状：直径３ｍｍ、長さ１９ｍｍ
ガラス棒：直径２ｍｍ、表面は断熱条件とした。
（２）本シミュレーション結果
非定常数値シミュレーションで計算されたガラス棒の有無による推進性能の違いを、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す。横軸は放電回路の直流抵抗である。
図５（Ｂ）のように比推力Ｉｓｐには違いが見られないが、図５（Ａ）のようにインパルスビットμＮｓはガラス棒があるほうが大きい。その結果、図５（Ｃ）のように推進効率も絶縁体棒の配置により向上する。本シミュレーションモデルでは、すべての計算結果は実験値よりも若干大き目に計算される傾向があるが、定性的な評価や性能予測には十分利用可能なものである。
【００４７】
本シミュレーションで用いた回路の直流抵抗は０．０５Ωである。放電回路およびキャパシタ（キャパシタブロック）の役割については後述するが、放電回路の値を大きくしたのは、キャパシタとスラスタユニット間の距離を長くすることを想定したものである。計算結果では、主放電回路の直流抵抗が大きいほど絶縁体棒配置による性能の向上の効果が大きい。これは、絶縁体棒配置することにより、放電室断面積縮小するため、プラズマの直流抵抗が大きくなり、プラズマに投入されるエネルギーが増加するためである。従って、もともと回路におけるエネルギー損失が大きい、主放電回路の抵抗が大きい範囲で、絶縁体棒配置による性能向上が顕著である。言い換えると、絶縁体棒配置により、キャパシタとスラスタユニット間の距離を長くしても、良い性能を維持できる。このことは、複数のスラスタユニットでキャパシタブロックを共用しやすいことを意味する。すなわち、人工衛星用に使用するのに適した機能を有することとなる。
【００４８】
基本構成である図１に示すように、誘発路７は、１つのイグナイタ６によってパルス放電を起こし、１つの放電室（例えば、放電室２ａ）におけるプラズマを発生させるとともに、その発生プラズマ中の荷電粒子を隣接する放電室（例えば、放電室２ｂ）に導いて誘発させるもので、複数の放電室に対して、順次誘発させていくことができる。
【００４９】
本発明に係るＰＰＴの構成は、上記に加え、種々の応用が可能であるが、その１つとして、推進剤を複数の異なる素材によって構成することを挙げられる。
具体的には、図６（Ａ）に例示するように、３種類の推進剤８ａ、８ｂ、８ｃによって放電室２およびノズル５が形成され、ショット数が増加するに伴い、図６（Ｃ）に例示するように、まず推進剤８ａが消耗し、次に推進剤８ｂ、８ｃが順次消耗することとなる。このとき、推進剤８ｃを、推進剤８ａまたは８ｂと同一にすることも可能であり、推進剤とせずにスラスタユニットとすることも可能である。
【００５０】
また、図６（Ｂ）に例示するように、４種類の推進剤８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄによって放電室２およびノズル５が形成され、ショット数が増加するに伴い、図６（Ｄ）に例示するように、まず推進剤８ａおよび８ｃが消耗し、次に推進剤８ｂ、８ｄが順次消耗することとなる。このとき、上記同様、推進剤８ｃを、推進剤８ａまたは８ｂと同一、あるいはスラスタユニットとすることも可能であり、推進剤８ｄを、推進剤８ａ、８ｂまたは８ｃと同一、あるいはスラスタユニットとすることも可能である。
【００５１】
さらに、推進剤８の層数や種類を増加することや混合層を介して境界面を作製しない構成にすることも可能である。推進剤８の種類により、性能（インパルスビットなど）の放電室の径への依存性が異なると考えられるため、数種類の燃料を層状に配置することにより寿命までの総合的な性能の向上と、直径が拡がった時の性能の劣化を緩和することができる。例えば、直径が拡がった場合に、初期の燃料よりも溶融（昇華）しやすい燃料が露出するようにすれば、ショット数によるインパルスビットの低下を緩和することができる。
【００５２】
また、スラスタユニットとして、推進剤８よりもはるかに融点（昇華点）の高い材料（セラミック等）を用いた場合、推進剤８とは区分される。
【００５３】
なお、気体力学的には、ノズル５入口部で断面積が小さくなることは、スロート形状となり、より確実に超音速流に達する助けとなることも考えられるが、実際にスロート形状を簡易的に設けて実験した結果、著しい性能の低下が見られた。スロ一ト形状を設けることによるロス（急縮小、漏れの増加など）などの影響であると考えられる。上述のようなノズル５によって、十分超音速ノズルとして機能している。
【００５４】
（２）陰極にノズル形状を持たせた場合
上記の構成においては、ノズル５について超音速ノズルを形成した場合について説明したが、いずれもノズル５の開口端部に陰極３を設け、陰極３については、特に形状に限定を設けていない。図６（Ｅ）は、陰極３にノズル形状を持たせた場合を例示するもので、ノズルを別途設けた場合に比べ、陰極３の厚み分だけ放電室を短くすることができる。特に、複数のＰＰＴを配置した宇宙機においては、宇宙機全体のコンパクト化に貢献することが可能となる。
【００５５】
＜１つの放電室を有するＰＰＴと２つの放電室を有するＰＰＴの比較実験＞
次に、複数の放電室を有する構成の優位性について検証する。
（１）実験条件
表４に１または２つの放電室を有するＰＰＴの実験条件を示す。２つの放電室を有するＰＰＴ（以下「ＰＰＴ２」という。）を作動させるときの初期エネルギーの合計は、１つの放電室を有するＰＰＴ（以下「ＰＰＴ１」）の初期エネルギーと同じであり，それが２等分されて各放電室に投入される。放電周期は２秒（０．５Ｈｚ）で，１００００ショットの連続作動を行い，インパルスビット，マスショットを測定した。ここで、マスショットとは、１ショット当たりの燃料消費量をいい、２つの放電室の合計となる。また、インパルスビット（Ｉｍｐｕｌｓｅ  Ｂｉｔ）とは、１ショット当たりの発生力積をいい、２つの放電室の合計となる。
〔表４〕
2007120343.tif 000006
【００５６】
（２）実験結果
図７に、ロゴスキーコイルで測定された放電電流波形を示す。ＰＰＴ２では，約３μｓ後に，第１の放電とほぼ同様の第２の放電が誘発されていることがわかる。コンデンサの電荷が２等分されるため、ＰＰＴ１の電流波形よりもピークは低く放電時間も短い。ＰＰＴ１の電流波形の時間積分値は、ＰＰＴ２の放電電流の時間積分値の合計にほぼ等しい。初期性能を表５に示す。ＰＰＴ１と比べて，ＰＰＴ２のマスショットとインパルスビットは１割ほど小さいが，ほぼ同レベルである．
〔表５〕
2007120343.tif 000007
【００５７】
図８（Ａ）に、連続作動試験における初期値（Ｉｂ０）で無次元化したインパルスビット（Ｉｂ）の変化を示す。ＰＰＴ１と比較して，インパルスビットの低下率が小さい（ほぼ半分）。これは，エネルギーが２等分されると，１つの放電室当たりのマスショットが約半分になるため，放電室の断面積の拡大率も約半分となるためである。図中にはＰＰＴ２の結果に対して，Ｉｂ（ｎ）／Ｉｂ０＝（ａｎ＋１）ｂ（ａ，ｂ：フィッティングにより決定する定数、ｎ：ショット数）の関数を仮定して求めたフィッティングカーブと，同じａ，ｂの値を用いて減少率を２倍にして描いた曲線も示す。２つの曲線はそれぞれの実験結果をよく近似している。
【００５８】
図８（Ｂ）は、無次元化したインパルスビットの総燃料消費量に対する依存性を示す。任意のＮショットまでの総燃料消費量Ｍ（Ｎ）は、連続作動試験中に測定したｎショット目におけるマスショットΔｍ（ｎ）の変化（図示せず）に対するフィッティングカーブΔｍ（ｎ）＝Δｍ０（ｃＮ＋１）ｄ（Δｍ０：初期のマスショット、ｃ，ｄ：フィッティングにより決定する定数）を用いて，次式１で計算される。
〔式１〕
2007120343.tif 000008
・・（式１）
また、放電室１個当たりの最大総燃料消費量は，次式２の通りである。
〔式２〕
2007120343.tif 000009
・・（式２）
ここで，ｒ０は初期の放電室の内径，ｒｍａｘは放電室の最大（限界）半径,Ｌは放電室長さ，ρは固体燃料の密度を表す。ここでは仮に，ｒｍａｘは４ｍｍ（ノズル出口半径は、ほぼ３．９ｍｍ）とした。
このとき、スラスタユニット当たりの最大総燃料消費量は，
（スラスタユニット当たりの放電室の数）×（放電室１個当たりの最大総燃料消費量）
である。
図中に示したスラスタユニット当たりの最大総燃料消費量におけるインパルスビットの値が、最終のショット（寿命のショット数）におけるインパルスビットであると予想される。従って，この値を図８（Ｂ）において考慮すると，最大のショット数Ｎｍａｘが求められ，総発生インパルスＩｍａｘ（寿命までの総発生力積）を次式３で見積もることができる。
〔式３〕
2007120343.tif 000010
・・（式３）
総発生インパルスは、ＰＰＴ１で９．３５Ｎｓ，ＰＰＴ２で１６．７Ｎｓと見積もられ，複数の放電室を有するＰＰＴの優位性が示された（約１．８倍）。
【００５９】
また、図２（Ｂ）に示すような、３つの放電室を有するＰＰＴにおいても、すべての放電室で安定した主放電の発生が確認できた。従って、本誘発機構により，更に多放電室化することが可能であることが示唆された。
【００６０】
上記においては、放電室が２つの場合を中心に説明したが、その数が増加するに伴い、その配列によって、ＰＰＴの機能および形態に大きな影響があり、本発明に係るＰＰＴの応用として、放電室の配列の多様性を確保することが好ましい。つまり、複数行あるいは／および複数列に多数の放電室を配列し個々の放電室におけるエネルギーを分散することによって、放電室断面積増大による性能の低下を緩やかにでき、インパルスビットの変化も緩やかになるため、制御が容易となる。または、多数の放電室を持つため、リスクの分散に繋がり、冗長系を削減できることから、信頼性向上、コストダウンを図ることが可能となる。さらに、特定の行または列の放電室に対して複数の誘発路を設けることによって、イグナイタの数を減少することが可能である。また、全ての放電室にイグナイタをつけた場合には不可能であったような、例えば４行×３列のような放電室の配置が可能となった。
【００６１】
＜複数の放電室を有するＰＰＴの機能＞
本発明においては、上記ＰＰＴの基本構成、およびこれを駆動するキャパシタに加え、電力供給機能あるいはＰＰＴを制御する機能も重要な役割を果たしている。つまり、上記のような、誘発路７の配設によって、イグナイタ６の低減とともに、イグニッション回路の低減を図ることができる。つまり、図９に示す構成において、電極間に印加する高電圧についても、陰極３−陽極４ａ間、陰極３−陽極４ｂおよび陰極３−陽極４ｃ間において、安価なダイオード２０を用いた電気回路２１により各放電室へのエネルギーを均等に分散させることができる。また、高電圧スイッチなどを一切使わずに、イグナイタ６の制御のみで、放電室２ａ、２ｂおよび２ｃを放電させることができる。隣り合う放電室２ａ、２ｂおよび２ｃの間をノズル５ａ、５ｂおよび５ｃの出口付近において貫通する誘発路７ａを，第１の主放電で生成された荷電粒子が通過し，放電室２ｂにおける主放電を誘発する。その後同様にして、放電室２ｃで主放電が誘発される。
【００６２】
キャパシタ１０は，通常のＰＰＴにおけるキャパシタブロックを３つのブロックに均等に分割し，それぞれのキャパシタブロック１０ａ、１０ｂおよび１０ｃで蓄えられたエネルギーがそれぞれ１つずつの放電室２ａ、２ｂおよび２ｃに供給されるよう接続される。通常、ＰＰＴ用に用いられる高耐電圧のキャパシタは、容量が非常に小さいため複数のキャパシタを並列に接続して用いられる場合が多く、キャパシタブロックを分割することは多くの場合可能である。
【００６３】
充電回路中にダイオード２０ａ、２０ｂおよび２０ｃが使用されているのは，第１の主放電が誘発される放電室２ａに，３つのキャパシタ内の全エネルギーが投入されるのを防ぐためである。これらのダイオード２０ａ、２０ｂおよび２０ｃは数１０００Ｖの高い逆電圧に耐え得るものでなければならないが、非常に小型・軽量であるため、ダイオードの追加による重量・体積増加分は、推進系全体の重量・体積と比較すると無視できる。
以上の構造を応用して，さらに多くの放電室を１つのイグナイタ６で誘発することが可能であり、イグナイタ６の数を増やせば、数１０個以上の放電室を有するスラスタユニットを構成することができる。一例として、３６個の放電室を有するスラスタユニットを、図１０に示す。本誘発構造により、燃料を供給する代わりに、多数の放電室の推進剤を消費することができる。本ＰＰＴは従来のＰＰＴにおける唯一の機械可動部であった燃料供給機構を持たないため、充電・放電回路も含めたシステム全体として、メカ可動部ゼロを実現することができ、信頼性が格段に向上する。
【００６４】
また、図１０（Ａ）は、３６個の放電室を細密充填状に配置した場合を例示している。それぞれ６つずつの放電室を連通する６つの誘発路７ａ、７ｂ・・７ｆ（図示せず）を直線状に複数設けた場合を示し、裏面にキャパシタブロック１０ａ、１０ｂ・・１０ｆを設けた場合を示している。
【００６５】
イグナイタを６ａ、６ｂ、・・６ｆと６個設け、１のイグナイタ６ａによって１行目の放電室２ａａ、２ａｂ、・・２ａｆを、次のイグナイタ６ｂによって２行目の放電室２ｂａ、２ｂｂ、・・２ｂｆを、さらに次のイグナイタ６ｃによって３行目の放電室２ｃａ、２ｃｂ、・・２ｃｆを、各行ごとに６個の放電室を誘発させることができる構成を示している。イグナイタ６ａ、６ｂ、・・６ｆを１行ごとに相対する位置に設け、異なる方向から誘発させることによって、３６個の放電室をバランスよく駆動し推進力を発生させることができる。また、各放電室は、必ずしも1行目から駆動させるものではなく、面内の配列を生かした駆動を制御することができる。
【００６６】
また、このとき、各イグナイタ６ａ、６ｂ、・・６ｆによって誘発される放電室の奥行きについて、誘発路７ａ、７ｂ、・・７ｆが形成された列ごとに、固有の長さを有することが好ましい。つまり、上記のように、放電室の奥行き（長さ）を変えることによって昇華する推進剤８の量および気体力学的推力を変えることが可能であり、誘発路が形成された列ごとに、固有の推進力を形成することによって、広い範囲の推進力の微調整を実現することができる。従って、推進機に対して調整幅の大きな推進力が求められる人工衛星等においては、非常に有用な機能を実現することが可能となる。
【００６７】
キャパシタブロック１０ａ、１０ｂ・・１０ｆについては、アノード４ａ、４ｂ・・４ｆを設けた場合を示している。アノードは６個の放電室に共通（列毎に共通）でよく、例えばアノード４ａは放電室２ａａ、２ｂａ・・２ｆａに共通となっている。また、カソードは（図示せず）、全ての放電室に共通でよい。
【００６８】
さらに、放電室はスラスタユニットの１面のみに設ける場合だけではなく、図１０（Ｂ）にように、１つのスラスタユニットの２面あるいはそれ以上の面に放電室を設けることも可能である。この場合、アノード４ａ、４ｂ・・を共通とすることができ、イグナイタ６ａ、６ｂ、・・あるいは６’ａ、６’ｂ、・・を順次作動させることによって、放電室２ａａ、２ｂａ・・あるいは放電室２’ａａ、２’ｂａ・・を放電させることができ、１つの軸方向に対して正方向および負方向の推進力を形成させることができる。
【００６９】
＜複数の放電室を有するＰＰＴの運用方法＞
誘発型ＰＰＴの実使用においては、事前の地上実験でショット数とともに低下するインパルスビットのデータを取得しておき、その変化曲線を参照しながら、実機における任意の総ショット数における発生インパルスビットを把握すればよい。
【００７０】
つまり，ＰＰＴにおいては、余程の低エネルギー作動（２Ｊ／ｃａｖｉｔｙ程度以下）では推力電力比［μＮ／Ｗ］（＝単位総初期エネルギーあたりのインパルスビット［μＮｓ／Ｊ］）は急激に低下するが、ほとんどの領域で初期エネルギーとインパルスビットＩｂは比例する（＝一定の推力電力比）ため、充電時間の調節による充電エネルギーの調節により、その時点での最大発生インパルスビット以下のインパルスビットＩｂであれば無段階に発生させることができる。その様な運用をする場合は、事前の地上試験において、図１１に例示するような、インパルスビットＩｂとマスショットΔｍの総燃料消費量Ｍに対する依存性を参照用データとして取得しておくべきである。ここで、Ｅ０は総初期エネルギー（Ｔｏｔａｌ  ｓｔｏｒｅｄ  ｅｎｅｒｇｙ）を、Ｉｂ（Ｍ１）は総燃料消費量Ｍ１のときのインパルスビットを表す。
なぜならば，任意のエネルギーで作動させる場合、マスショットは初期エネルギーにほぼ比例するため、ミッション中に様々なエネルギーで作動させた場合、参照するデータの横軸を総燃料消費量であれば、その時点での発生インパルスビットがわかるからである。人工衛星には各ＰＰＴの１の誘発路によって連通された放電室群ごとに、投入した累計のエネルギーを記憶させ、その値から総燃料消費量を計算し、地上実験におけるデータを参照して、その時点での発生インパルスを把握することができる。
【００７１】
また、上記においては、単一のスラスタユニットにおいて、単一のＰＰＴを作動させる場合について説明したが、本発明では、イグナイタの制御のみで、誘発路によって連通された放電室群ごとに選択的に放電させることができるという優れた機能を有することから、単一のスラスタユニットにおいて、複数のＰＰＴを作動させることが可能である。つまり、単一のスラスタユニットにおいて、複数のスラスタユニットを用いた場合と同様、多軸方向のＰＰＴの作動を制御することが可能となり、これによって、宇宙機の小型化・軽量化を図ることが可能となる。
【００７２】
＜上記ＰＰＴを用いた宇宙機の構成例＞
次に、上記ＰＰＴを人工衛星などの宇宙機に適用した場合の宇宙機の構成例について説明する。燃料供給機構などのメカ可動部を有せず、高電圧スイッチなどを一切使わずに、イグナイタを制御して、前記放電室を選択的に放電させることを特徴とする。
【００７３】
図１２は、上記ＰＰＴを用いた宇宙機の１つの構成を例示する。宇宙機３０に３個のスラスタユニット３１ａ、３１ｂ、および３１ｃが設けられ、それぞれ３つの異なる噴出方向を有するように配置されて、３軸の位置制御および３軸の姿勢（回転）制御が可能な構成となっている。また、宇宙機３０の中央には、各スラスタユニット３１ａ、３１ｂ、および３１ｃへの電源供給手段（キャパシタ）３２が設置されている。キャパシタ３２は、マイカペーパコンデンサやダイオードなどによって上記の電気回路２１を構成する。
【００７４】
ここで、スラスタユニット３１ａ、３１ｂまたは３１ｃを、上記図１０（Ｂ）に例示した１軸方向に対して正負両方向の推進力を有するタイプを用いることによって、各スラスタユニット３１ａ、３１ｂまたは３１ｃのいずれかを駆動して行うことによって、宇宙機３０つまり、人工衛星を異なる３方向の任意の回転を制御することが可能となる。特に微調整が必要な場合には、初期エネルギーＥ０、印加のタイミングなどを調整することによって、宇宙機３０のバランスをとりながら適切に制御することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係るＰＰＴの基本的な構成を例示する説明図。
【図２】本発明に係るＰＰＴの複数の放電室の配列を示す説明図。
【図３】推進剤として低融点ガラスを用いた場合の特性を例示する説明図。
【図４】放電室に絶縁性部材を配置した構成を例示する説明図。
【図５】放電室に絶縁性部材を配置した場合の特性を例示する説明図。
【図６】複数の推進剤を使用した構成を例示する説明図。
【図７】放電室を単数および複数配置した場合の特性を例示する説明図。
【図８】放電室を単数および複数配置した場合の他の特性を例示する説明図。
【図９】本発明に係る複数の放電室を有するＰＰＴの構成を例示する説明図。
【図１０】本発明に係る複数の放電室を有するＰＰＴの放電室の配列状態を含む構成を例示する説明図。
【図１１】本発明に係る複数の放電室を有するＰＰＴの特性を例示する説明図。
【図１２】本発明に係るＰＰＴを用いた宇宙機の構成を例示する説明図。
【図１３】一般的なＰＰＴの模式的な構成を例示する説明図。
【図１４】従来技術に係るＰＰＴ推進剤供給機構の構成例を概略的に示す説明図。
【符号の説明】
【００７６】
１    スラスタユニット
２、２ａ、２ｂ、２ｃ  放電室（キャビティ）
３    陰極（カソード）
４、４ａ、４ｂ、４ｃ  陽極（アノード）
５、５ａ、５ｂ、５ｃ  ノズル
６    イグナイタ
７、７ａ、７ｂ  誘発路
８、８ａ、８ｂ、８ｃ，８ｄ    推進剤
１０  キャパシタ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  キャパシタブロック
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ  ダイオード
２１  電気回路
【図１】
2007120343.tif 000011
【図２】
2007120343.tif 000012
【図３】
2007120343.tif 000013
【図４】
2007120343.tif 000014
【図５】
2007120343.tif 000015
【図６】
2007120343.tif 000016
【図７】
2007120343.tif 000017
【図８】
2007120343.tif 000018
【図９】
2007120343.tif 000019
【図１０】
2007120343.tif 000020
【図１１】
2007120343.tif 000021
【図１２】
2007120343.tif 000022
【図１３】
2007120343.tif 000023
【図１４】
2007120343.tif 000024