(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力源を提供するための電源（７１０）と、
前記電源（７１０）に結合された電力分配回路（４００）と、
ヒーター要素（１９０）、エミッタ要素（１７９）およびキーパー要素（１８６）を収納し、前記電力分配回路（４００）に結合され、推力発生装置（２００）のアノード（２４２）に流れるイオンビーム（１８４）を放出するためのカソードハウジング（１００）とを備え、
前記電力分配回路（４００）が少なくとも１つのスイッチングデバイス（１４２）を備え、前記電源（７１０）からの電力を受け、受けた電力を該少なくとも１つのスイッチングデバイス（１４２）の切り替えにより、前記ヒーター要素（１９０）および前記キーパー要素（１８６）の一方または双方に選択的に分配することを特徴とする、宇宙船用の推力発生装置（２００）用の制御装置（１０）。
【請求項２】
前記カソードハウジング（１００）から排出されたイオンビーム（１８４）を制御するための磁界を発生するよう、前記カソードハウジング（１００）に作動的に関連した少なくとも１つの磁気デバイス（１７４）を更に備えることを特徴とする、請求項１記載の制御装置（１０）。
【請求項３】
少なくとも１つの前記磁気デバイス（１７４）が、前記電力分配回路（４００）に結合されており、
前記電力分配回路（４００）が前記電源（７１０）から受けた電力を少なくとも１つの前記磁気デバイス（１７４）に選択的に提供するようになっていることを特徴とする、請求項２記載の制御装置（１０）。
【請求項４】
前記電力分配回路（４００）が、
制御された量の電力を前記カソードハウジング（１００）に供給するための電力制御回路（１１８）を更に備え、
少なくとも１つの前記スイッチングデバイス（１４２）が、前記電力制御回路（１１８）に結合されており、前記電力制御回路（１１８）から送信された制御信号に応答し、前記電力制御回路（１１８）から前記カソードハウジング（１００）に電流パスを選択的に提供する、請求項１記載の制御装置（１０）。
【請求項５】
前記電力分配回路（４００）が、
前記電力制御回路（１１８）および少なくとも１つの前記スイッチングデバイス（１４２）に結合されており、前記電力制御回路（１１８）にコマンド信号を提供し、少なくとも１つのスイッチングデバイス（１４２）に制御信号を提供するためのマイクロプロセッサ（４５０）を更に備えることを特徴とする、請求項４記載の制御装置（１０）。
【請求項６】
前記電力制御回路（１１８）が点火電圧を発生し、この点火電圧をキーパー（１８６）に送信するようになっている、請求項４記載の制御装置（１０）。
【請求項７】
前記電力分配回路（４００）に結合されており、該電力分配回路（４００）に入力信号を提供するための推力発生装置制御回路（６００）と、
前記カソードハウジング（１００）および前記推力発生装置制御回路（６００）に結合されており、アノード電流を提供するための放電電源（３００）と、
前記放電電源（３００）および電力分配回路（４００）に結合されており、推力を発生するための推力発生装置（２００）とを更に備えることを特徴とする、請求項４記載の制御装置（１０）。
【請求項８】
前記電力分配回路（４００）に結合されており、この電力分配回路（４００）に更に電力を供給するための１つ以上の補助電源（１９５）を更に備えることを特徴とする、請求項７記載の制御装置（１０）。
【請求項９】
放電を発生させるための推力発生アセンブリ（２００）と、
エミッタ要素（１７９）、ヒーター要素（１９０）およびキーパー要素（１８６）を有し、宇宙船用の推力発生装置のアノード（２４２）に流れるようにイオンビーム（１８４）を発生させるためのカソードハウジング（１００）と、
前記推力発生アセンブリ（２００）に作動的に関連しており、放電を制御する磁界を発生するための少なくとも１つの磁気デバイス（１７４）と、
前記推力発生アセンブリ（２００）に電力を供給するための電源（７１０）と、
少なくとも１つのスイッチングデバイス（１４２）を含み、前記カソードハウジング（１００）、少なくとも１つの前記磁気デバイス（１７４）および前記電源（７１０）に結合されており、少なくとも１つの前記スイッチングデバイス（１４２）の切り替えにより、前記キーパー（１８６）、前記ヒーター（１９０）および少なくとも１つの前記磁気デバイス（１７４）に電力を選択的に供給するための電力分配回路（４００）とを備えることを特徴とする宇宙船用の推力発生装置（２００）用の制御システム（１０）。
【請求項１０】
前記電力分配回路（４００）が、
前記電源（７１０）からの電力を受けるための電力制御回路（１１８）を備え、
少なくとも１つの前記スイッチングデバイス（１４２）が、前記電力制御回路（１１８）に結合され、前記電力制御回路（１１８）から前記ヒーター（１９０）、またはキーパー（１８６）、または少なくとも１つの前記磁気デバイス（１７４）またはそれらの組み合わせへの電流パスを提供する、請求項９記載の制御システム（１０）。
【請求項１１】
前記電力分配回路が、
前記電力制御回路（１１８）および少なくとも１つの前記スイッチングデバイス（１４２）に結合されており、前記電力制御回路（１１８）および少なくとも１つの前記スイッチングデバイス（１４２）に制御信号を提供するためのマイクロプロセッサ（４５０）を更に備えることを特徴とする、請求項１０記載の制御システム（１０）。
【請求項１２】
前記カソードハウジング（１００）に結合されており、前記エミッタ（１７９）の電荷と反対の電荷を有する電圧を提供するためのアノード（２４２）と、
前記電力分配回路（４００）に結合されており、前記アノード（２４２）に電力を供給するためのアノード電源（３００）とを更に備えることを特徴とする、請求項１０記載の制御システム（１０）。
【請求項１３】
少なくとも１つの前記スイッチングデバイスのうちの第１のスイッチングデバイス（１３８）が、非導通状態となっている時に、該第１のスイッチングデバイス（１３８）が前記電力制御回路（１１８）から少なくとも１つの前記磁気デバイス（１７４）へ電流パスを提供することを特徴とする、請求項１０記載の制御システム（１０）。
【請求項１４】
少なくとも１つの前記スイッチングデバイスのうちの第２のスイッチングデバイス（１４２）が、導通状態となっている時に、該第２のスイッチングデバイス（１４２）が前記電力制御回路（１１８）から前記ヒーター（１９０）へ電流パスを提供することを特徴とする、請求項１３記載の制御システム（１０）。
【請求項１５】
少なくとも１つの前記スイッチングデバイスのうちの第３のスイッチングデバイス（１４６）が、導通状態となっている時に、該第３のスイッチングデバイス（１４６）が前記電力制御回路（１１８）の正のターミナル（１１９）から前記電力制御回路（１１８）の負のターミナル（１２０）へ電流パスを提供することを特徴とする、請求項１４記載の制御システム。
【請求項１６】
宇宙船用の推力発生装置（２００）のアノード（２４２）に結合したイオンビーム発生デバイス（１００）を提供する工程と、
磁界を発生する宇宙船用の推力発生装置（２００）を提供する工程と、
電源（７１０）を提供する工程と、
複数のスイッチングデバイス（１３８、１４２、１４６）を操作することにより、前記電源（７１０）から前記イオンビーム発生デバイス（１００）または前記磁界を発生する宇宙船用の推力発生装置（２００）へ電力を分配する工程とを含むことを特徴とする、宇宙船用の推力発生装置（２００）の放電部品を制御するための方法。
【請求項１７】
更に、少なくとも１つの補助電源（１９５）を設けることを特徴とする、請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はカソードヒーター、カソードキーパーおよび推力発生システムの１つ以上の磁石に電流を選択的に供給するための方法および装置に関する。より詳細には、本発明はイオン推力発生装置におけるカソードヒーター、カソードキーパーおよび推力発生装置の磁石の電力レベルを効果的にモニタし、制御する、出力スイッチング機能を備えた単一の電力制御回路に関する。
【０００２】
従来の宇宙船用推力発生装置、例えばホール電流推力発生装置は、種々の作動部品を使用している。これら部品としては、カソードヒーターと、カソードエミッタと、カソードキーパーと、１つ以上の推力発生装置の磁石とが挙げられる。これら作動部品の各々は電力を必要とするので、宇宙船の電源から受ける電力量を制御するための関連する電力コントローラを有する。制御回路は場所を取り、システムに対し更に重量を大きくするので、このような構造は非効率的である。従って、衛星および宇宙船に使用する場合、推力発生装置を作動させるのに必要な機器の数量を最小にすることが望ましい。従って、推力発生装置の質量を増加しない単一装置を使って多数の機能を組み合わせるような発明が有利である。放電を発生させ、制御するための種々のシステムは下記のように要約される。しかしながら、これらのいずれも推力発生装置の要素に効率的に電力を分配するための単一電力変換兼分配回路を提供するという課題を解決していない。
【０００３】
１９９１年１２月２４日に、シューマッハ外に発行された米国特許第5,075,594号はバックイオン衝突により熱電子発生温度まで自己加熱できる中空カソードを開示している。イオンは逆極性のアノードによりプラズマから軸方向または放射状に抽出できる。カソードとキーパー電極との間でガスのプラズマ放電を維持するために、カソードとアノードとの間に配置されたキーパー電極に電圧が印加される。キーパー電極とアノードとの間には制御電極が配置されており、負の制御電極電圧を印加するか、または制御電極をカソード電位に戻すことにより、プラズマ放電をキーパー電極の領域へ再び後退させ、よってスイッチを切るようになっている。この米国特許は多数のシステムの機能を制御するための単一の配電兼制御回路については開示していない。
【０００４】
１９９２年７月２１日にゲーベル外に発行された米国特許第5,132,597号は、磁界を備えた中空のカソードプラズマスイッチを開示している。中空のカソードプラズマスイッチのカソードと制御電極との間には発散する磁界が発生され、制御電極を通して通路でプラズマを広げ、よってスイッチの電流処理能力を大幅に高めている。このような制御電極を通過するプラズマの分散により、電流密度が均一となるので、グリッドとアノード領域を広くすることにより、断続可能な全電流を大きくできる。この米国特許は、推力発生装置の部品に給電するための単一のコントローラを有する推力発生システムについては開示していない。
【０００５】
１９９４年１０月２５日にマイヤー外に発行された米国特許第5,357,747号は、内部ヒーターと仕事関数の低い材料を備えたパルスモードのカソードについて開示している。このカソードは作動温度となるまで予加熱され、次にコンデンサバンクを放電させることによって推力発生装置を点火するようになっている。
【０００６】
１９９６年１２月３日にモロゾフ外に発行された米国特許第5,581,155号は、閉じた電子ドリフトを備えたプラズマ加速器について開示している。このプラズマ加速器はイオン化および加速のための主環状チャンネルとイオン化されたガス供給手段に連動する少なくとも１つの中空カソードと環状アノードとを有する。このプラズマ加速器はイオンビームの発散を低減し、イオンビームの密度を高め、加速器の寿命を長くしている。この米国特許は変換された電力を分配するための装置については開示していない。
【０００７】
１９９７年２月２５日にメイヤー外に発行された米国特許第5,605,039号は、アークジェット推力発生装置において電気アークを点弧し、維持するためのパラレルアークジェット始動システムについて開示している。
【０００８】
１９９７年７月８日にアストン外に発行された米国特許第5,646,476号は、チャンネルイオンソースについて開示している。イオンソース内のチャンネル内およびイオンソース内に埋め込まれた中空カソード内に、プラズマを発生するようイオン化可能なガスが導入される。中空のカソードおよびキーパー電極プラズマを発生するのに、ヒーターおよびキーパー電極電源が使用される。主に１８０度の方向に中空カソードから電子を流し、これをチャンネル分布ガスに衝突させ、チャンネル放電プラズマを発生させるのに放電電源が使用される。この電力は所望する要素へ選択的に分配されない。
【０００９】
上記背景技術の説明から判るように、推力発生技術分野ではカソードヒーター、カソードキーパーおよび推力発生装置の推力発生用磁石部品を制御するための改良された方法および装置が求められている。本発明は、ヒーター、キーパーおよび磁石の機能を選択的に制御し、よって推力発生装置の部品へ電力をより効率的に供給し、この供給をより効率的に制御できる、出力スイッチング機能を備えた電力制御回路により上記要望に対する解決案を提供するものである。
【００１０】
本発明は、スイッチおよび電力分配パスを使って推力発生装置の要素へ電力を選択的に分配する方法および装置を提供することにより、不要な重量および更に必要な部品の問題を解決する装置に関するものである。
【００１１】
本発明の一実施例によれば、ヒーター要素と、エミッタ要素と、キーパー要素とを含むカソードハウジングを有する制御装置が開示される。電源は電力変換兼分配回路を通してカソードヒーターおよびカソードキーパーに分配される電力を供給する。電力変換兼分配回路はキーパーおよびヒーターへの電力を選択的に提供し、所望する制御機能をより効率的に実行しながら、推力発生システム全体の複雑さを最小にしている。このような電力の選択的な給電は、１つ以上のスイッチングデバイスによって達成されている。
【００１２】
第２実施例は、カソードハウジングからの出力を制御するために１つ以上の磁気デバイスを使用している。これら磁気デバイスも電力分配回路からの電力を受けることができる。
【００１３】
本発明の第３実施例は、電力発生装置の部品の作動を選択的に制御するための装置にある。この装置は、放電を発生するための推力発生アセンブリを含む。この装置も、エミッタと、キーパーと、ヒーター要素を備えたカソードハウジングを含む。制御方向へ磁界を発生し、またはアセンブリが発生する放電を加速するためにアセンブリに１つ以上の磁気デバイスが作動的に関連している。受けた電力を変換し、特定の要素に電力を選択的に分配する電力分配回路へ電源が電力を給電するようになっている。
【００１４】
本発明の第４実施例は、推力発生装置のプラズマ放電部品の作動を制御するための方法にある。この方法は、電源から受けた変換された電力を選択的に分配することによって、イオンビームおよび磁界を発生する工程を含む。電源からの電力は予めプログラムされた制御シーケンスで、または受信したコマンドに基づき、ビーム発生器および磁界発生器への電力を選択的にスイッチングする方法により、ビーム発生位置および／または磁界発生装置へ電源からの電力を分配するようになっている。
【００１５】
本発明は推力発生装置の部品へ電力を分配するためのより効率的な方法および装置を提供するものである。このような電源から電力発生装置への部品への電力の分配は、従来の多数の電力変換器をカソードヒーターと、カソードキーパーと、推力発生装置の磁石のそれぞれの機能を制御する単一の電力変換兼分配回路に置換することによって達成される。
【００１６】
図１はホール電流推力発生システム１０を示す。このシステム１０はカソードハウジング１００と、ホール電流推力発生装置２００と、放電電源３００と、電力変換兼分配回路４００と、推進システム５００と、推力発生装置制御回路６００と、電源７１０とを含む。図１はシステムの部品の間の複数の電気的な相互接続部も示している。
【００１７】
カソードハウジング１００はカソードエミッタ１７９と、カソードヒーター１９０と、キーパー１８６から成る。カソードハウジング１００は電子ビーム１８４を排出するためのオリフィス１８２を含む。
【００１８】
カソードエミッタ１７９は電子を熱発生するのに最適な材料から構成された中空チューブであることが好ましい。このチューブをクセノンのようなガスが通過し、中空チューブから電子を除去するのを助ける。カソードエミッタ１７９はカソードハウジング１００内のオリフィス１８２を通して電子ビーム１８４を発生する。
【００１９】
電子の発生を刺激するためのカソードエミッタ１７９の温度に高めるのに、ヒーター１９０が使用されている。カソードエミッタ１７９を熱電子発生温度（すなわちカソードエミッタ１７９が電子を発生する温度）に維持することにより、カソードエミッタの作動寿命が長くなる。その理由は、加熱されていない時にカソードエミッタから電子を放出させると、カソードエミッタは大きな腐食を受けるだけでなく、始動が困難となるからである。カソードエミッタ１７９は通常、最初にヒーター１９０によって加熱されており、定常状態の作動中はエミッタはカソード放電電流によって加熱される。
【００２０】
キーパー１８６はカソードエミッタ１７９およびヒーター１９０が推力発生装置２００からのイオンにより破壊されないようにこれらを保護するための選択的なバリアとなっている。このキーパー１８６は、カソードエミッタ１７９に対して正の電位に維持されている。キーパー１８６はカソードエミッタから電子を引き出し、カソードの放電を開始させる。
【００２１】
推力発生装置２００はイオン化チャンバ２４１と、アノード２４２と、ホール電流の力を発生するための磁極１７４（ａ）および１７４（ｂ）とを有する。このホール電流の力は、カソードエミッタ１７９からアノード２４２への電流を制動するのに使用される。磁界に起因するホール電流によりトラップされる電子は、電界を発生させ、この電界はアノード２４２内の分配システム２４４を通って電磁チャンバ２４１へ与えられるイオン化された推進剤を加速する。
【００２２】
カソードハウジング１００および推力発生装置２００は、推進システム５００からの、所定量の推進剤、例えばクセノン、または所望するパラメータ内でイオン化可能な他のガスを受ける。推進システム５００は流れ分割器５０１と、バルブ５０２、５０５、推進剤源５０６と、流れパワー制御回路５０３を含む。流れ分割器５０１は低圧フィラー５０２からの推進剤を受け、導管５１２を介してカソードハウジング１００へ推進剤を与え、導管５１１を介して推力発生装置２００に推進剤を与える。流れパワー制御回路５０３は、簡単な流れ制限器または熱スロットルのように流量を能動的に制御できる装置とすることができる。この装置は低圧バルブ５０２の推力発生装置側に設けてもよい。推進システム５００はガスの圧力を、例えば３００ＰＳＩのような低圧に低下させる圧力レギュレータ５０４も一般に含む。高圧バルブ５０５は高圧推進剤貯蔵源５０６を分離している。この高圧バルブ５０５はパイロバルブ（高圧スクイブバルブ）のような１回使用のバルブでもよいし、ラッチバルブまたは保持タイプのバルブでもよい。
【００２３】
推力発生装置２００を作動させるように、相互接続手段、例えばワイヤ３０１を介し、アノード２０２に放電電力供給回路３００が給電するようになっている。この放電電源回路３００は相互接続手段、例えばワイヤ３０２を介し、カソードハウジング１００に適当に接続されている。この放電電源回路３００は入力端７１０にて宇宙船から受けた電力をアノード２４２のための電力に変換する。この放電電源回路３００はカソードハウジング１００から宇宙船の電源リターン部７１４までの放電パス３０２も提供する。この接続部は電源センサ（図示せず）のような付加的スルー要素とすることができる。放電電源回路３００は推力発生装置制御回路６００からの入力信号６０３も受ける。放電電源回路３００はアノード２４２に必要な給電を行うように、アノード２４２の正のターミナルに結合されている。
【００２４】
カソードハウジング１００は複数の相互コネクタ、例えばワイヤ４０１、４０２および４０３を介して電力変換兼分配回路４００から電流を受ける。電力変換兼分配回路４００は電源７１０からの電力を受け、リターン部７１４を介して電力を戻す。この回路４００はパス６０１を介して推力発生装置の制御回路６００からの制御信号も受ける。
【００２５】
電力変換兼分配回路４００は導管４０２を介し、カソードヒーター１９０を予加熱するための電力を提供する。この電力変換兼分配回路４００はカソード内で放電を開始するためのカソード点火電圧およびカソードの放電を維持するための維持電流を発生する。更に、この電力変換兼分配回路４００は相互接続手段４０４および４０５を介して推力発生装置の電磁石１７４（ａ）および（ｂ）を作動させるための電流を供給する。
【００２６】
一部の応用例では、放電電流により磁石１７４（ａ）および（ｂ）を作動させる。これとは異なり、磁石１７４（ａ）および（ｂ）は適当な永久磁石としてもよい。このような状況では、磁石に給電するための電力変換兼分配回路４００は不要である。
【００２７】
電力変換兼分配回路４００に付加的電力を供給するために、補助制御電源１９５および１９６が設けられている。これら電源１９５、１９６は航空機のアース１７４または関連する制御アース（図示せず）に結合できる。過電圧による故障モードを防止するために、これら補助電源と共にツェナーダイオード（図示せず）を使用できる。
【００２８】
推力発生装置の制御回路６００は推力発生システム１０の他のサブシステムに対する入力信号を与えるための制御回路である。推力発生装置の制御回路６００は、例えば他のサブシステムへ予めプログラムされた制御信号を送信するようにプログラムされたプログラマブルマイクロプロセッサである。
【００２９】
これとは異なり、推力発生装置の制御回路６００は別のプロセッサ、例えば宇宙船に設けられているプロセッサまたはリモート位置に設けられたプロセッサからポート７１２を介して入力信号を受けるように適当に構成してもよい。
【００３０】
推力発生装置制御回路６００は相互接続部６０１を介し、電力変換兼分配回路４００へ信号を送る。これら信号はカソードハウジング１００および磁石１７４（ａ）および（ｂ）へ分配される電力を制御するよう、電力変換兼分配回路４００によって使用できる。推力発生装置の制御回路６００は相互接続部６０２を介し推進サブシステム５００へ制御信号を与えるようにもなっている。この信号は、推進サブシステム５００から推力発生装置２００および／またはカソードハウジング１００へ与えられる推進剤の量を制御できる。推力発生装置制御回路６００は相互接続部６０３を介し、放電電源回路３００へ制御信号を送るようにもなっている。これら信号は放電電源回路３００がどれだけ多くの電力をアノード２４２に与えるかを制御する。
【００３１】
電力変換兼分配回路４００には電源７１０が接続されており、この電源７１０は一般には約７０ボルトの大きさの正の電源となっている。衛星は一般に２２ボルト〜１５０ボルトの電源バス電圧を使用している。リターン部７１４は電源７１０のための電圧リターン部であり、電源７１０および電源リターン部７１４は放電電源回路３００にも接続されるようになっている。
【００３２】
図２は、電源変換兼分配回路４００、カソードハウジング１００および磁石１７４（磁石１７４は図１に示された磁石１７４（ａ）および（ｂ）を示す）のより詳細な図を示す。
【００３３】
電源変換兼分配回路４００は電力制御回路１１８と、関連するスイッチと、点火電圧出力端１２７とを含む。電力制御回路１１８は点火電圧を発生し、ワイヤー１２７を介してこの電圧を出力できる。電力制御回路１１８は誘導出力を提供できる。この電圧の大きさは一般に２００〜７００ボルトの間、好ましくは４００〜６５０ボルトの間である。
【００３４】
電力制御回路１１８は電源７１０からの電力を受け、この電力を推力発生装置の磁石１７４（必要な場合）、カソードヒーター１９０およびカソードキーパー１８６へ選択的に電力を分配するのに適した、制御された電流に変換する。
【００３５】
電力制御回路１１８はスイッチ１３８、１４２、１４６および１５０をドライブするための、プログラムされた論理回路を有することができるし、またコマンド装置、例えば１つ以上のマイクロプロセッサから出力できるコマンドをライン６０１および６２０を介し受信できる。この電力制御回路１１８は出力信号１１９および点火電圧１２７のより入力端７１０から受けた変換電力を分配する。電力制御回路１１８は補助電源１９５および１９６からの入力信号を適当に受信する。電力制御回路１１８は制御アース１７４にも接続されており、共通モードのノイズに耐えるよう十分にロバストである。電力制御回路１１８によって発生された制御された出力電流は、スイッチ１３８、１４２、１４６および１５０によって必要な位置へ分配される。スイッチ１３８、１４２および１４６はＭＯＳＦＥＴであることが好ましいが、電流をＯＮ／ＯＦＦできる任意のデバイスを使用できる。スイッチ１５０は一般にダイオードであるが、電流の向きを定めることができるような他のデバイスも使用できる。スイッチ１３８、１４２、１４６および１５０は電力制御回路１１８からの電流がカソードヒーター１９０、カソードキーパー１８６または推力発生装置の磁石１７４のいずれか、またはこれらの組み合わせに供給されるように、所望するパスに電流を通過させるように作動される。これとは異なり、永久磁石を使用する実施例では、磁石１７４は電流を必要としない。電力制御回路１１８で発生され、ワイヤー１２７を通して出力される点火電圧を制限するように直列インピーダンス１２６を追加してもよい。点火電圧からの電流を制限する別の方法も使用できる。点火電流は常時存在していてもよいし、カソード点火をするのに必要な時だけオンにしてもよい。
【００３６】
電力変換兼分配回路４００の作動はスタートの例によって最良に示される当業者に明らかな、図示したシーケンスには多数の変形例が可能であることを理解すべきである。
【００３７】
放電発生装置２０を始動する最初の工程は、カソードヒーター１９０に電流を加えることによりカソードエミッタ１７９を予加熱することである。この予加熱はスイッチ１４６を開放し（すなわち電流を伝えない状態にし）、スイッチ１４２を閉じる（すなわち電流を伝える）ことにより達成される。スイッチ１３８は開放状態でも閉じた状態でもよい。電力制御回路１１８はマイクロプロセッサ１５０からのコマンドによりオンにされ、この電力制御回路１１８はカソードエミッタ１７９を予加熱するための必要な電流を発生させる。必要な電流はカソードヒーター構造に応じて決まるが、２アンペア〜３アンペアの大きさであることが多い。この電流は電子の放出を開始するための適当な温度にカソードエミッタ１７９が達することができる十分な時間の間維持される。この温度はカソードハウジング１００の構造よびカソードエミッタを製造するのに使用される材料に応じて決まり、通常７５０℃を越える温度であり、一般に８００〜９００℃である。この予加熱時間は温度の目安としてヒーターの電圧が低下するタイミングまたはこの電圧低下を使用して決定できる。電流は推力発生装置（図示せず）を予加熱するためのこの時間中に、推力発生装置の磁石１７４へも与えることができる。このような電流の供給は、電力制御回路１１８から磁石１７４を電流が通過できるようにスイッチ１３８を開放することによって行われる。この電流はスイッチ１３８を閉じることによりこの時間中、推力発生装置の磁石１７４をバイパスできる。
【００３８】
第２工程は、カソードハウジング１００に推進剤を供給することである。この時点で推力発生装置へ推進剤を供給してもよいし、バルブがフレキシビリティを可能にしている場合には推進剤の供給を遅延してもよい。
【００３９】
第３工程は、構造により点火電圧をオフにできる場合、出力端１２７を介して点火電圧を加えることである。この電圧は、推進剤をイオン化させ、初期のブレークダウンを開始させるのを助ける、一般に３００〜６００ボルトの大きさである。この電圧は電力制御回路１１８から発生できる。１つの発生方法は電力制御回路１１８のトランス（図示せず）に巻いた補助巻線を使用することである。この点火電圧は常時附勢してもよいし、必要なときに附勢してもよい。出力端１２７上に発生する電流を制御するために、直列抵抗器１２６または当業者に知られている他の手段も使用できる。この電流は約６ミリアンペアに制限できる。
【００４０】
次の工程は、スイッチ１４２を開放し、キーパー１８６へ電流を転流できるようにすることにより、放電を維持するのに必要な初期電流をキーパー１８６に供給することである。このモードのための代表的な電流は０.５〜８アンペアである。この時間中、推力発生装置のスタートの準備をするためにスイッチ１３８を閉じる。
【００４１】
カソードエミッタ１７９が作動していると、スイッチ１４２が開放された状態で、必要な電流を維持できる。カソードエミッタ１７９が点火しない場合、更に予加熱が必要であ。
【００４２】
次の工程は推力発生装置に放電電圧を印加することである。アノード電流が存在することを検出した時にスイッチ１３８をＯＦＦ（開放状態）にすることにより、磁石の電流を加えることができる。
【００４３】
推力発生装置の磁石１７４は放電チャンバ（図示せず）内のプラズマを更にイオン化し、宇宙船を推進し、またはスラスト力を調節する磁界を発生する。
【００４４】
カソードヒーター１９０が所定の温度を越えると、スイッチ１４２はＯＦＦになり、スイッチ１４６がＯＦＦであればノード１５２およびダイオード１５０を通ってキーパー１８６へ電流が流れる。この電流はカソードエミッタ１７９の定常状態のキーパー放電作動モードを開始させる。このモードでは、電源制御回路１１８からの電流パスが磁石コイル１７４、またはバイパススイッチ１３８を通過し、ダイオードスイッチ１５０を通過し、キーパー１８６とカソードエミッタ１７９との間を通ってリターン部１２０へ戻る。この電流は実際には主にカソードエミッタ表面から放出された電子によりキーパー１８６とカソードエミッタ１７９との間の領域１７８内で搬送される。これら電子は負の電荷を有するので、電流方向と反対方向に移動する。推力発生装置が始動された後に、電子はカソードエミッタ１７９から推力発生装置のビーム（図示せず）または推力発生装置（この推力発生装置は図１に示されている）へ流れる。推力発生装置のビームおよび推力発生装置に十分な電子の流れが形成されると、キーパーの電力を維持する必要はなくなる。磁石の電流を流しながらキーパー電力を低減するために、スイッチ１４６をＯＮにする。スイッチ１４６をＯＮにすると、電力変換器１１８からノード１５２およびスイッチ１４６を通って電流が流れ、電力変換器１１８の負のリターン部１２０へ戻る。カソードエミッタ１７９が定常状態のモードで作動し、放電を維持するためのキーパー電流を必要としなくなると、スイッチ１４６はＯＮにされる。
【００４５】
図３は、電力変換兼分配回路４００と、磁石１７４（番号１７４は図１に示した磁石１７４（ａ）および（ｂ）を示す）と、カソードハウジング１００とを含む放電発生器２０を示す。この電力変換兼分配回路４００は電力制御回路１１８および相互接続部１９７を介して電力制御回路１１８に接続されたマイクロプロセッサ４５０を含み、相互接続部１９７はマイクロプロセッサ４５０と制御回路１１８との間を電気的に連通させる適当な任意の手段とすることができる。
【００４６】
マイクロプロセッサ４５０はスイッチ１３８、１４６および１４２に接続されており、ワイヤー４５１、４５２および４５３を介してスイッチへ制御信号を送る（ワイヤー４５１、４５２および４５３は図３に示されるように２本のワイヤーから成る）。マイクロプロセッサ４５０はカソードエミッタ１７９の始動のシーケンス制御を行い、作動モードに適当な出力電流を発生するように電力変換器１１８に命令する。マイクロプロセッサ４５０はコンピュータまたはマイクロコントローラで実現してもよいし、専用のアナログ回路とデジタル回路で実現してもよい。
【００４７】
マイクロプロセッサ４５０は好ましくは入力信号６０１および６２０を受信する。これら入力信号は別のプロセッサへ送ることができる。例えば入力信号６０１は、推力発生装置の制御回路（図１では要素６００として示されている）からの入力信号であり、入力信号６２０は別の宇宙船のコンピュータまたは宇宙船から離間して設けられたコンピュータから受信される入力信号であることが好ましい。これとは異なり、マイクロプロセッサ４５０を予めプログラムすることもできる。
【００４８】
一部の応用例では、入力電源７１０から電力制御回路１１８のための電力を直接供給してもよい。補助電源１９５および１９６は電力制御回路１１８を作動させるための別の電力を供給する。一部の実現例では、補助電源１９５と１９６とは同じである。これら補助電源は一般に約±１０ボルト〜±１５ボルトの間であり、デジタル論理回路では一般に約２〜９ボルトの低電圧が使用される。特定の例では、補助制御電源１９５は±１０ボルトの電圧を有し、許容差は±１ボルトである。制御電源１９５は設計上の選択に応じ、宇宙船のアースと同じ制御アースにアースされるか、またはアース１１２にアースされる。補助制御電源１９６の特定の例は±１３.５ボルトの電圧と±１ボルトの許容差を有する電源である。補助制御電源１９６は設計上の選択に応じ、共通モードのＥＭＩフィルタリングの後に宇宙船のアース７１４に適当にアースされるか、またはこれとは異なりアース４８２にアースされる。
【００４９】
スイッチ１３８、１４２および１４６は、マイクロプロセッサ４５０の一部であるシーケンス制御論理回路によって制御される。スイッチ３はＮチャンネルの電力ＭＯＳＦＥＴから構成されたスイッチ１３８、１４２および１４６と、ダイオードから構成されたスイッチ１５０を示す。これらスイッチ素子はバイポーラトランジスタ、ＰチャンネルのＭＯＳＦＥＴ、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）のようなサイリスタまたはリレーとすることも可能である。これらスイッチ素子を駆動するための実際の論理回路は特定のシステムの仕様に応じて決まる。マイクロプロセッサ４５０の制御論理回路は、例えば２〜１０ボルトの低電圧出力を有するデジタル論理回路またはマイクロコントローラであることが好ましい。制御論理回路の電圧は制御されたスイッチを駆動できるアイソレートされた駆動電圧に変換する必要がある。ＭＯＳＦＥＴを使用する場合、スイッチゲート駆動電圧を約３〜１２ボルト、好ましくは４〜６ボルトのスイッチＯＮ電圧に変換し、約０ボルトのスイッチＯＦＦ電圧に変換する必要がある。マイクロプロセッサ４５０は作動モードに必要な電流に一致させるよう、電力制御回路１１８からの出力電流を設定する。例えばヒーターの電流を５アンペアとしなければならない場合、電力制御回路１１８は５アンペアとするような命令をする。磁石電流を２アンペアとしなければならない場合、２アンペアとするような命令が出される。この方法は、変換器１１８からの単一電流で、必要なすべての機能を達成できるよう、カソードヒーターと推力発生装置の磁石構造とを調和させなければならない。磁石電流を電力変換器１１８の出力電流よりも小さくするように、デューティーサイクル制御モードまたはリニアモードでスイッチ１３８を作動させることにより、磁石電流を変化させることも可能である。一部の応用例では、スイッチ１３８と直列に抵抗器を追加することによって、推力発生装置とカソード電流のコンパーチビリティを改善することもできる。
【００５０】
電力制御回路１１８からの出力電圧および電流は、推力発生装置およびカソードエミッタの作動モードに応じて決まる。出力電圧は制御マイクロプロセッサ４５０によって命令され、電圧はスイッチ１３８、１４６、１４２、１５０の構造だけでなく、カソードおよび磁石の電圧低下によって決まる。出力端１１９および出力リターン部１２０は基本的には入力接続部１９７および制御アース４８２からアイソレートされている。制御アース４８２は一般に宇宙船の電位とされるが、必ずしもそのようにする必要はない。出力リターン部１２０は一般に宇宙船のシャーシに対して−１０〜−４０ボルトとなっているカソードエミッタ１７９の電位となる。
【００５１】
放電発生器２０は予加熱モード、スーパー加熱モード、通常加熱モード、キーパーモード、キーパー電源による磁石電流モードおよび定常状態の作動給電モードを含む複数のモードで作動できる。
【００５２】
第１の作動モードは、電力制御回路１１８の正のターミナル１１９からＯＮになっているスイッチ１４２を介し、カソードヒーター１９０に電流を送ることにより、カソードのエミッタ１７９を予加熱することである。スイッチ１３８がＯＦＦとなっている場合、電流は電磁石１７４を通過できる。電磁石１７４を通過する電流は推力発生装置を予加熱し、推力発生装置が宇宙の温度にさらされることにより低温状態になっている時の始動を改善するのに使用できる。これとは異なり、スイッチ１３８がＯＮであれば、スイッチ１３８を電流が通過し、電磁石１７４をバイパスする。予加熱モードではスイッチ１４６はＯＦＦである。電磁石１７４を電流が流れない状況では、電源１１８の正のターミナル１１９からスイッチ１３８およびスイッチ１４２を通ってヒーター１９０へ電流が流れる。次にこの電流はヒーター１９０から電源１１８の負のターミナル１２０へ戻る。この例では、ヒーターのリターン部はカソードエミッタ１７９と共通に接続されている。この電流の大きさは一般に３〜９アンペアの間であるが、この大きさはカソードハウジングの構造によって決まる。または電圧の大きさはカソードヒーターの構造だけでなくヒーターの温度によって決まる。代表的な構造では、カソードエミッタ１７９を加熱した後に、７〜２３ボルトの電圧が供給される。この作動条件はクセノンのような推進剤がカソードエミッタ１７９から電子を放出できるような温度にカソードエミッタの温度を高めるのに十分な時間の間、続く。予加熱に必要な時間は一般に３〜５分である。
【００５３】
スーパー加熱モードは電力制御回路１１８からヒーター１９０へ送られる電流を約３０％だけ増加することにより達成される。この追加された電流はカソードエミッタの温度を高め、始動を容易にする。スイッチ１４２をＯＮにし、スイッチ１４６をＯＦＦにし、必要であればスイッチ１３８をＯＮにする。このスーパー加熱モードは、カソードエミッタ１７９の始動が困難となった場合に余分な熱を供給するのに使用される。カソードエミッタ１７９は点火に先立ち、カソードハウジング１００上の不純物を燃焼させるために熱を加えることによって条件化することも可能である。このような条件は、カソードエミッタの材料に応じて決まり、空気に露出された後にカソードを最初に作動させる時にしか必要でない。このモードで必要な電流は約４〜１２アンペアの大きさであり、必要な電圧は約８〜１５ボルトの大きさである。
【００５４】
通常の加熱モードは電力制御回路１１８からヒーター１９０への電流を約１.５〜５.０アンペアの間、好ましくは約３.５アンペアに低減することによって達成される。電圧は２.５〜７.０ボルトの間、好ましくは約３.９ボルトにする。このモードはカソードエミッタが作動温度よりも低い温度まで冷却するのを防止するのに十分な作動温度にするのに使用される。
【００５５】
カソードの点火は一般に２００ボルト〜７００ボルトの間、好ましくは３５０〜６００ボルトの間の電圧となっている高電圧入力信号によって補助される。この高電圧信号は電流制御デバイス、例えば抵抗器または図３に抵抗器１２６として示されているような一連の抵抗器のストリングを通して送られる。この高電圧は高温のカソードエミッタ表面１７９からの電子の放出を開始させる強力な電界を発生させる。
【００５６】
キーパーモードはＯＦＦ状態となっているスイッチ１４２およびスイッチ１４６によって作動する。スイッチ１３８は推力発生装置の磁石電流が必要であるかどうかに応じて、ＯＮまたはＯＦＦにできる。推力発生装置の始動能力を改善するための好ましいモードはスイッチ１３８をＯＮにさせることである。カソードハウジング１００がキーパー１８６に電子を放出するキーパー作動モード中、電力制御回路の電流は一般にカソードエミッタ１７９が信頼できる状態で作動できる最小電流までに制御される。この電流は一般に約１〜５アンペアの大きさを有し、この電流は電流コマンド１９７を介し、制御マイクロプロセッサ４５０によって制御される。
【００５７】
変換器１１８によって供給できる電圧はカソードハウジング１００が電子の放出をスタートできるように約１５〜４０ボルトの大きさである。既に述べたように、カソードエミッタ１７９とカソードキーパー１８６との間のカソード放電電圧は一般に５〜２５ボルトの間、より一般的には１０〜２０ボルトの大きさである。この電圧は供給される電流だけでなく、カソードハウジングの設計の仕様によっても決まる。キーパーモードは電子がカソードハウジング１００からキーパー１８６へ流れるためのパスを維持する。このように、カソードエミッタ１７９はアノード電力が供給されるとすぐに推力発生装置へ電子を供給し、イオンビーム（図示せず）を中和する準備状態となる。
【００５８】
放電電源３００からアノード電流を印加することによって推力発生装置が始動される。このアノード電圧は宇宙船のパワーバスに反射される電力の過渡現象を最小にするように、徐々に加えることができる。好ましい始動モードは、ホール電流推力発生装置の設計の仕様に応じて決まる。図示した例では、推力発生装置にかかる電圧は約１５０〜２５０ボルトの間に昇圧され、電流限界はフル電流の約３０％である。通常、３００ボルトで作動する３キロワットの推力発生装置の場合、この電流は３アンペアの制限電流となる。推力発生装置のアノード電流が検出されると、磁石電流を流すことができるように、スイッチ１３８を開にする。次に、制御マイクロプロセッサ４５０が磁石電流を推力発生装置の始動用の所望する電流までに調節する。この電流はアノード電流に応じて決めることができる。アノード電圧および制限電流を次に最終値まで高める。アノード２４２への放電が安定した後、キーパー電流を除くことができる。これはキーパー１８６から磁石電流を分流するようにスイッチ１４６をＯＮにすることによって達成される。
【００５９】
キーパーの電力モードによる磁石電流はスイッチ１３８、１４２および１４６をＯＦＦ状態にすることによって働く。電力変換器１１８によって供給される電圧はキーパーからカソードエミッタへの電圧と磁石電圧の低下分との和である。マイクロプロセッサ４５０から電力変換器１１８への電流コマンドは、初期作動中に最適な推力発生装置の磁界を維持するように設定される。
【００６０】
定常状態の作動は、推力発生装置がキーパー１８６を作動させる必要がない作動モードである。この定常状態の作動モードでは、スイッチ１４６はＯＮであり、アノードにかかる電圧は約２００〜４００ボルトの間、好ましくは約３００ボルトの定常状態の大きさまで高められており、電流の大きさは約１.５〜９アンペアの間の大きさである。定常状態の作動は推力発生装置を作動状態に維持するのに、電源７１０からの多くのエネルギーは必要でないので、このような定常状態の作動が望ましい。
【００６１】
推力発生装置を使った例を参照して本発明について説明したが、カソードを使用する実質的に任意の工業的プロセスも使用できることに留意すべきである。イオンエンジンも本システムの別の応用例である。特に電力制御兼分配システムは１９９８年１月２７日にスレッジル外に発行された米国特許第5,713,075号、１９９８年２月２４日に木村外に発行された米国特許第5,722,042号、および１９９８年４月１４日にライロン外に発行された米国特許第5,740,164号に開示されている、２方向衛星システムおよび低軌道衛星システムで使用できる。
【００６２】
電磁石１７４をアノード放電電流またはカソード電流と直列にすることにより、放電電流を使って本システムの電磁石１７４にバイアスをかけることは、本発明の別の実施例である。この実施例ではスイッチ１３８は必要ではない。このシステムの構造は磁石の電力出力レベルで連続的に作動するのに、熱的に適当にしなければならないが、短期間ではヒーター１９０およびキーパー１８６の作動しか必要でない。
【００６３】
アースを基準とするアナログ入力信号によって電流が設定されるが、この電流はデジタル値としたり、またはアノード電流に比例させることも可能である。
【００６４】
本発明によれば、ヒーター、キーパーおよび推力発生装置の磁石のそれぞれの機能を制御するための方法および装置が提供されることは明らかである。本発明の特定の実施例と組み合わせて本発明について説明したが、当業者がこれまでの説明を検討すれば、多数の代替例、変形例および変更例が明らかとなろう。従って、本発明は添付した請求の範囲に入るかかるすべての代替例、変形例および変更例を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係わる推力発生システムの略図である。
【図２】  本発明の推力発生システムで使用するための制御回路の第１実施例の図である。
【図３】  本発明の推力発生システムで使用するための制御回路の第２実施例の図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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