特許 7036719 高推力電力比マイクロカソードアークスラスタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-07

(45)【発行日】2022-03-15

(54)【発明の名称】高推力電力比マイクロカソードアークスラスタ

(51)【国際特許分類】

   F03H 1/00 20060101AFI20220308BHJP

   B64G 1/40 20060101ALI20220308BHJP

   H05H 1/54 20060101ALI20220308BHJP

【ＦＩ】

F03H1/00 Z

B64G1/40 500

H05H1/54

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2018526085

(86)(22)【出願日】2016-12-06

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-01-31

(86)【国際出願番号】 US2016065168

(87)【国際公開番号】W WO2017146797

(87)【国際公開日】2017-08-31

【審査請求日】2019-09-19

(31)【優先権主張番号】62/264,074

(32)【優先日】2015-12-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】592005010

【氏名又は名称】ザ・ジョージ・ワシントン・ユニバーシティ

【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＧＥＯＲＧＥ ＷＡＳＨＩＮＧＴＯＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

(74)【代理人】

【識別番号】110001508

【氏名又は名称】特許業務法人 津国

(72)【発明者】

【氏名】キーダー，マイケル

(72)【発明者】

【氏名】ティール，ジョージ・ルイス

(72)【発明者】

【氏名】ルーカス，ジョセフ・ニコラス

(72)【発明者】

【氏名】コルベック，ジョナサン

【審査官】志水 裕司

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／１２７３２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０６－０９３９５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第７５１８０８５（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｈ １／００

Ｂ６４Ｇ １／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

マイクロ衛星用スラスタであって、：
推進剤材料からなるカソードと；
両端と両端の間に平坦な領域とを有するアノードであって、アブレーティブ材料からなるアノードと；
近位端と、放出端を有する推力チャネルを有する反対側の遠位端とを有し、アノードおよびカソードを保持するハウジングであって、アノードの平坦な領域を放出端に暴露するようにアノードが推力チャネルの放出端に近接し、アノードがカソードと放出端の間に位置するハウジングと；
アノードのアブレーションを生成するのに十分な電流を引き起こし、推力チャネルの放出端から放出されるアノードからのアブレートされた粒子を包含するプラズマジェットを引き起こす、カソードとアノードとの間に連結されたパルス電圧源と、
を含むスラスタ。

【請求項2】

アノードがはんだである、請求項１記載のスラスタ。

【請求項3】

カソードがチタン、ニッケルまたは鋼の一つである、請求項１記載のスラスタ。

【請求項4】

カソード、アノードおよびアブレーティブ材料からなるもう一つのアノードがハウジングの内側表面の間に取り付けられる、請求項１記載のスラスタ。

【請求項5】

ハウジングの内側表面とカソードとの間と接触している一対の付勢部材と、ハウジングの内側表面とアノードとの間と接触している第二の一対の付勢部材とをさらに含む、請求項４記載のスラスタ。

【請求項6】

付勢部材がばねである、請求項５記載のスラスタ。

【請求項7】

ハウジングの近位端上に磁石をさらに含み、磁石がプラズマジェットを方向付けるために磁場を放出する、請求項１記載のスラスタ。

【請求項8】

推進力を提供する方法であって、：
両端と両端の間に平坦な領域とを有するアノードであって、アブレーティブ材料のアノードを選択する工程と；
推進剤材料のカソードを選択する工程と；
アノードのアブレーティブ材料をアブレートするのに十分である電流であって、カソードとアノードとの間に電流を提供する工程と；
カソード上の電流により生成されたプラズマスポットによって発生したカソードとアノードとの間の電子流を介してアノードをアブレートする工程と；
カソードとアノードとの間のアークからのアブレートされたアノード材料を包含するプラズマジェットを放出端を有する推力チャネルで生成し、アノードの平坦な領域を放出端に暴露するようにアノードが推力チャネルの放出端に近接し、アノードがカソードと放出端の間に位置する工程と、
を含む方法。

【請求項9】

アノードがはんだである、請求項８記載の方法。

【請求項10】

カソードがチタン、ニッケルまたは鋼の一つである、請求項８記載の方法。

【請求項11】

プラズマジェットを方向付けるために磁場を発生させる工程をさらに含む、請求項８記載の方法。

【請求項12】

マイクロ衛星であって、：
ペイロードと；
推力チャネル、カソードおよびアブレーティブ材料のアノードを包含し、アノードが両端と両端の間に平坦な領域とを有するスラスタであって、推力チャネルが放出端を有し、アノードの平坦な領域を放出端に暴露するようにアノードが推力チャネルの放出端に近接し、アノードがカソードと放出端の間に位置するスラスタと；
スラスタに連結され、インダクタと、スラスタに連結されたスイッチング装置とを包含する、電力ユニットと；
アノードをアブレートしプラズマジェットを発生させるためのアノードとカソードとの間のアークを発生させるためにカソードおよびアノードに印加される電力ユニットからの電気パルスを引き起こすコントローラであって、スイッチング装置に連結されたコントローラと、
を含むマイクロ衛星。

【請求項13】

アノードがはんだである、請求項１２記載のマイクロ衛星。

【請求項14】

カソードがチタン、ニッケルまたは鋼の一つである、請求項１２記載のマイクロ衛星。

【請求項15】

カソード、アノードおよびアブレーティブ材料からなるもう一つのアノードがハウジングの内側表面の間に取り付けられる、請求項１２記載のマイクロ衛星。

【請求項16】

スラスタがハウジングの内側表面とカソードとの間と接触している一対の付勢部材と、ハウジングの内側表面とアノードとの間と接触している第二の一対の付勢部材とを包含する、請求項１５記載のマイクロ衛星。

【請求項17】

付勢部材がばねである、請求項１６記載のマイクロ衛星。

【請求項18】

スラスタがプラズマジェットを方向付けるために磁場を放出する磁石を包含する、請求項１２記載のマイクロ衛星。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

著作権
本特許文書の開示の一部は、著作権保護の対象である資料を含有する。著作権所有者は、特許商標庁の特許ファイルまたは記録に現れる形で、何人かによって特許開示が複製されることに対しては異論を唱えないが、それ以外にはいかなる著作権権利をも留保する。

【0002】

優先権
本出願は、全体を引用例として本明細書に取り込む２０１５年１２月７日出願の米国特許仮出願第６２／２６４，０７４号の優先権を主張する。

【0003】

技術分野
本発明は、一般的に、宇宙推進システム、より詳細には、マイクロカソードアークスラスタにアブレーティブアノードを使用することに関する。

【0004】

発明の背景
マイクロ宇宙機、例えば、マイクロおよびナノ衛星の開発は、構成要素のさらなる小型化と共に、過去１０年間で有意に拡大してきた。衛星ユーザーコミュニティは、多くのマイクロまたはナノ衛星を必要とする再プログラム可能／再構成可能な自律システムのコンステレーションに向かって進んでいる。そのような衛星は、十分に小さいながら、そのようなコンステレーションの衛星を位置付けるに十分な電力を提供する推進システムを必要とする。

【0005】

そのようなマイクロ宇宙機の設計は、それ故に、電力、質量および燃料システムの複雑さに関連する限定に起因する推進システムの要件に影響を与える。高度な推進システムは、ステーション維持および軌道輸送にとって衛星の寿命を延ばすために必要であり、したがって、プログラム起動コストを最小化し、衛星の生涯価値を最大化する。１０～２０％の総推力効率および非常に低い（＜１kg）スラスタ・電源ユニット（ＰＰＵ）全質量を持つ、ｎNs～μNsの広範なインパルスビットを供する新しいタイプのマイクロおよびナノスラスタは、それ故に要望される。

【0006】

真空アークスラスタ（ＶＡＴ）プラズマ源推進ユニットは、マイクロ衛星のための一つの選択しうる推進システムである。そのようなプラズマドライブは、絶縁体によって隔てられたカソードとアノードとを組み入れる。プラズマドライブは、インダクタに接続された電圧源を包含し、スイッチが有効にされるとインダクタに電流を提供する。インダクタの電流は、スイッチが開くまで増加し、アーク起動電位を引き起こし、カソードとアノードとの間にアークが生じる。プラズマドライブは、磁場によって遠位側に方向付けられるプラズマを外部カソード－絶縁体界面を中心に生み出す。カソードは、真空アークスラスタのための固形燃料源および推進剤としての機能を果たす。真空アークスラスタによって生成された推力は、低電圧エネルギー源により発生した拡大プラズマにより形成された圧力勾配によって支配される。真空アークスラスタの効率および寿命は、生み出された推力を方向付けるために使用される磁場によって高められることができる。そのような真空アークスラスタは、引用例として本明細書に取り込む米国特許公開番号第２０１１／０２５８９８１号に開示される。

【0007】

一つの公知のスラスタは、マイクロカソードアノードスラスタ（μＣＡＴ）である。このスラスタは、推進剤としてそれ自身のスラスタカソードを使用する外部磁場によって高められた、よく研究されている真空アークプロセスに基づく、電気推進装置である。カソード端子は、任意の導電材料であることができる。印加磁場が稼働寿命を延ばす一方で、推進剤のためのスラスタ要素の依存は、全てのCubeSat形態を包含する１～５０Kg級衛星に適合するマイクロ推進のためのシステム質量を減らす。低電圧（電力管理セクションを通じて１８Ｖ以下）は、システムに通電するために必要であり、５０Ａの瞬時ピークアーク放電および３０以下～４０VDCの持続アーク電圧は、準中性プラズマを生み出す。ニッケルおよびチタンカソードは、２２００ｓおよび２８００ｓの特定のインパルスで特徴付けられてきた。作動エネルギーは、２マイクロNsインパルスビットの場合０．１W/Hzであり、各々が５０Hzで稼働し、６００μNの推力を生み出す多様な六つのニッケルカソードスラスタチャネルを利用する予備評価は、およそ３５４０m/sのΔＶ全能力の場合約３０Ｗの電力入力が必要とされることを示す。

【0008】

しかし、既存のスラスタ設計、例えば、μＣＡＴは、印加電力の最大１５％までの効率で、およそ２０μN/Wの推力電力比を有する。このシステムの主な非効率性の一つは、放電電流のおよそ１０％のみが推力に寄与するイオン電流であるという事実と関係がある。放電電流の９０％は、アノード加熱に寄与するが推力への寄与からは外れる電子によって伝導される。

【0009】

したがって、推力出力のための電力のより効率的な使用を提供することができる推進システムが要望されている。推力の効率を増加させるために、電子によって伝導される放電電流に起因するアノード加熱を低減させることができる推進システムがさらに要望されている。マイクロまたはナノ衛星のために、推進システム設計を可能な限りコンパクトに維持することも要望されている。

【0010】

発明の概要
一つの例によって、マイクロ衛星用スラスタが開示される。スラスタは、推進剤材料からなるカソードと、アブレーティブ材料からなるアノードとを包含する。ハウジングは、近位端と、推力チャネルを有する反対側の遠位端とを有する。ハウジングは、アノードおよびカソードを保持する。パルス電圧源は、カソードとアノードとの間に連結され、アノードのアブレーションを生成するのに十分な電流を引き起こし、推力チャネルから放出されるアノードからのアブレートされた粒子を包含するプラズマジェットを引き起こす。

【0011】

もう一つの例は、推進力を提供する方法である。アブレーティブ材料のアノードが選択される。推進剤材料のカソードが選択される。電流は、カソードとアノードとの間に提供される。電流は、アノードの材料をアブレートするのに十分である。アノードは、カソード上の電流により生成されたプラズマスポットによって発生したカソードとアノードとの間の電子流を介してアブレートされる。カソードとアノードとの間のアークからのアブレートされたアノード材料を包含するプラズマジェットは、推力チャネルで生成される。

【0012】

もう一つの例は、ペイロードと、カソードおよびアブレーティブ材料のアノードを有するスラスタとを包含するマイクロ衛星である。電力ユニットは、スラスタに連結される。電力ユニットは、インダクタと、スラスタに連結されたスイッチング装置とを包含する。コントローラは、アノードをアブレートしプラズマジェットを発生させるためのアノードとカソードとの間のアークを発生させるためにカソードおよびアノードに印加される電力ユニットからの電気パルスを引き起こすためのスイッチング装置に連結される。

【0013】

本発明の追加的な態様は、以下に簡単な説明が提供される図面を参照しながらの様々な実施態様の詳細な説明を考慮すると、当業者には自明である。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】高推力電力比マイクロカソードアノードスラスタユニットを組み入れる立方体マイクロ衛星の斜視図である；

【図2】図１に示す衛星内の、高推力電力比を持つ、アブレーティブアノードを有するマイクロカソードアノードスラスタの一つの回路図である；

【図3】図２に示す高推力電力比を持つマイクロカソードアノードスラスタの拡大斜視図である；

【図4】図３の原理によるスラスタの回路図の実施例である；

【図5】図２のスラスタユニットから発生した推力を測定するための測定システムの回路図である；

【図6】アブレーティブアノードと非アブレーティブアノードの場合の、比較可能な推力と電力のグラフである。

【0015】

本発明が様々な変形および代替形態を許す一方で、図面に例として特定の実施態様を示し、本明細書に詳細を記載する。しかし、本発明が開示された具体的な形態に限定されることを意図しないことが理解される。むしろ、本発明は、特許請求の範囲によって定義されるように、本発明の本質および範囲内である全ての変形、均等物および代替を網羅する。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、立方体マイクロ衛星１００の実施例の斜視図である。立方体マイクロ衛星１００は、ペイロードを保持する筐体を提供する立方状のボディ１０２を包含する。そのような衛星は、ペイロードであり得る構成要素に基づいて異なる機能を実行する、衛星のコンステレーション内で使用されることができる。ボディ１０２は、フレームワーク１０６に付けられた側面パネル１０４を包含する。側面パネル１０４は、衛星１００に電力を提供する太陽電池を包含する。ボディ１０２は、構成要素、例えば、高度制御システム、カメラシステム、伝送システムおよびアンテナシステム（図示せず）または他の構成要素を包含するペイロードを保持することができる。マイクロ衛星１００は、フレームワーク１０６上に取り付けられる二つのマイクロカソードアノードスラスタ１１０の実施例および１１２によって操作される。スラスタ１１０および１１２の各々は、カソードとアノードとの間の電気アークによって発生したプラズマジェットを介して効率的に推力を生み出すことを支援するために、アブレーティブ材料のアノードを組み入れる。

【0017】

図２は、図１のスラスタ１１０の回路図である。スラスタ１１０は、カソード２０２と、アノードユニット２０４とを包含する。磁場源、例えば、磁石２１０は、アノードユニット２０４およびカソード２０２によって生成された発生したプラズマジェットを方向付けるために、印加磁場を生成する。電気回路は、カソード２０２とアノードユニット２０４との間に電源を付けることによって作り出される。電源の出力は、カソード２０２およびアノードユニット２０４へとパルス化され、電子流を生成する。

【0018】

パルスからの印加電流は、アノードユニット２０４とカソード２０２の間に電気アークを生成する。アークは、カソード２０２上に高温プラズマの局所的な領域または「カソードスポット」２１４を形成する。カソードスポット２１４は、カソード２０２の表面上の小さい区間である。電気アークは、効率的な低推力を提供する高速プラズマジェットを生成する。電力制御によって起動された電気アークの各充放電パルスは、プラズマ排気または「インパルスビット」を生成する。推力レベルは、各秒毎のパルス数を増加または低減させることによって制御されることができる。したがって、カソード２０２は、スラスタ１１０のための推進剤である導体材料である。アノードユニット２０４は、スラスタ１１０のための追加的な推進剤としての機能を果たす導電材料でもある。

【0019】

具体的には、電子流は、カソード２０２上のカソードスポット２１４の近くの矢印２１２によって表されるように生成される。電子流２１２は、カソード２０２を通る電流から発生したイオン２２０を包含する。中性原子２２２は、アノードユニット２０４を通過し、アノード材料をアブレートする電流によって生成される。以下に説明されるように、アノードユニット２０４は、主として電子によって搬送される十分な電流が印加される際にアブレートするアブレーティブ材料、例えば、すずはんだで作製される。中性原子２２２は、カソードスポット２１４とアノードユニット２０４との間の加速区間に搬送される。矢印２１６は、アノードユニット２０４とカソード２０２との間への電流の印加によって生成されたイオン電流を表す。イオン電流中のイオン２２０および中性原子２２２は、カソード２０２とアノードユニット２０４との間で加速される。アノードユニット２０４のアブレーションは、スラスタ１１０の増加した推力電力比をもたらす。

【0020】

図３は、マイクロカソードアノードスラスタユニット３００、例えば、図１および２のスラスタ１１０または１１２の物理的構成要素の一つの例の斜視図である。マイクロカソードアノードスラスタ３００は、上半分３１２および下半分３１４を有する長方形ハウジング３１０を包含する。上半分３１２は、スラスタユニット３００によって生み出されたプラズマジェットの放出のための円形開口３１６を包含する。したがって、上半分３１２は、推力チャネルとしての機能を果たす円形開口３１６を持つ遠位端であり、下半分３１４は、近位端である。

【0021】

一対のアノード３２０および３２２は、ハウジング３１０の上半分３１２にわたって横方向に取り付けられる。アノード３２０および３２２は、図２のアノードユニット２０４を形成する。アノード３２０および３２２は、この例では一般的に長方形形状であるが、異なる形状で形成されることができる。当然ながら、任意の数の別個のアノードを使用することができる。アノード３２０および３２２は、開口３１６を介して暴露される区間３２４および３２６をそれぞれ包含する。アノード３２０および３２２の各端は、アノード３２０および３２２の端とハウジング３１０の上半分３１２の内側の側面との間に設置された付勢部材、例えば、ばね３３０と接触している。ばね３３０は、スラスタユニット３００の稼働中にアノード材料がアノード３２０および３２２からアブレートされるにつれ、アノード３２０および３２２が所定位置に保持されることを確実にする。

【0022】

カソード３４０は、スラスタユニット３００の下半分３１４に横方向に取り付けられる。カソード３４０は、この例では一般的に長方形形状であるが、異なる形状で形成されることができる。この例では単一のカソードが使用されているが、複数のカソードを使用できることが理解される。カソード３４０は、下半分３１４に形成されたもう一つの開口３５２を通じて開口３１６に暴露される区間３４２を包含する。この例では、カソード３４０は、導電材料、例えば、チタンから製造されるが、他の材料、例えば、ニッケル、カーボン、アルミニウム、クロム、鉄、イットリウム、モリブデン、タンタル、タングステン、鉛またはビスマスを使用することができる。電源は、カソード３４０とアノード３２０および３２２との間に連結され、したがって、カソードスポットは、アノード３２０および３２２に向かってプラズマジェットを生成するために、暴露された区間３４２上に形成される。この例では、アノード３２０および３２２は、アブレーティブ導電材料、例えば、Ｓｎ６３／Ｐｂ３７はんだから製造される。当然ながら、カソード材料の融点に対して比較的より低い溶融温度およびアノードのための電流密度の大きさを持つ他のアブレーティブ材料、例えば、銅、ニッケル、マンガンまたはベリリウムを使用することができる。例として、アノード３２０および３２２が銅から製造される場合、カソード３４０は、チタン、ニッケルまたはタングステンから製造されることができ、３０～１００Ａの電流がアノードアブレーションのために印加される。

【0023】

一対の付勢部材、例えば、ばね３４４および３４６は、ハウジング３１０の下半分３１４の内側壁とカソード３４０のそれぞれの端との間に取り付けられる。カソード３４０の材料がスラスタ３００の稼働によって消費されるにつれ、ばね３４４および３４６は、カソード３４０が所定位置に保持されることを確実にする。

【0024】

アノード３２０および３２２とカソード３４０とを接触させる付勢部材は、それぞれのアノード３２０および３２２ならびにカソード３４０を互いおよびハウジング３１０に対して一定の位置に維持する力を提供するのに十分な任意の付勢装置であることができる。例として、付勢部材は、圧縮ばね、定荷重ばね、ねじりばねおよび同種のものであることができる。あるいは、付勢部材は、アノード３２０および３２２ならびにカソード３４０を一定の位置に押す、引く、さもなければ付勢するための電気機械アクチュエータまたは同種のものであることができる。

【0025】

下半分３１４は、プラズマジェットを導くために磁場を発生させるために使用される円筒形磁石ユニット３５０も包含する。この例における磁石ユニット３５０は、カソード３４０の均一なエロージョンを生み出すようにカソード３４０上のアークスポットを誘導する磁場を生み出すソレノイドである。この例では、ハウジング３１０は、セラミック絶縁体、例えば、Teflonで形成される。

【0026】

開口３５２は、アノード３２０および３２２と、アノード３２０および３２２とカソード３４０との間のアークを促進するための導電コーティングを有するカソード３４０との間に形成された円形内側表面３５４から形成される。

【0027】

図４は、図３のマイクロカソードアノードスラスタ３００と共に使用される電力・制御ユニット４００の回路図である。図３の同じ要素は、図４でも同じ番号で標識される。電力・制御ユニット４００は、この例ではバッテリーである電圧源４１０を包含する。電圧源４１０は、図１のマイクロ衛星１００の外側の太陽パネルから再充電されることができる。電力・制御ユニット４００は、電圧源４１０に連結されたエネルギー蓄積インダクタ４１２を包含する。エネルギー蓄積インダクタ４１２は、電圧源４１０に連結されたレジスタ４１６の一つに直列に連結されたスイッチング装置４１４に連結される。レジスタ４１６の他の端は、アースに連結される。スラスタユニット３００は、スイッチング装置４１４およびレジスタ４１６に並列に連結される。

【0028】

スイッチング装置４１４は、スイッチング装置４１４に連結されたパルス出力４２２を有するコントローラ４２０によって制御される。この例におけるコントローラ４２０は、可変パルスおよび制御信号を発生させるに十分な計算能力を有する任意の論理デバイスである。コントローラ４２０は、異なるレベルの推力を供するための処理能力を包含することができる。ハウジング３１０内の第一のコネクタ４３０は、スイッチング装置４１４の一つの端子をアノード３２０および３２２に接続させる。第二のコネクタ４３２は、スイッチング装置４１４の他の端子をカソード３４０に接続させる。したがって、スイッチ４１４を開くことは、アノード３２０および３２２を通じたインダクタ４１２とカソード３４０との間の回路を閉じる。

【0029】

電圧源４１０は、バッテリー、一つのもしくは複数の太陽光電池または同種のものであることができる。電圧源４１０は、スイッチング装置４１４がコントローラ４２０からの制御信号を介して有効にされるとエネルギー蓄積インダクタ４１２に電流を提供する。インダクタ４１２の電流は、スイッチング装置４１４が開くまで増加する。スイッチング装置４１４が開くと、スラスタユニット３００の出力電圧は、アーク起動電位を得て、スラスタユニット３００でカソード３４０とアノード３２０および３２２との間にアークが生じるまで増加する。

【0030】

図４の回路は、アノード３２０および３２２とカソード３４０との間に連結されるパルス電圧源である、誘導性エネルギー蓄積システムである。トリガパルスは、スイッチング装置４１４を閉じさせるために、コントローラ４２０によって印加される。これは、電圧源４１０からのインダクタ４１２内のエネルギーを蓄積する。インダクタコイル４１２がフルに充電されると、スイッチング装置４１４は、コントローラ４２０からの信号を介して非常に速いスピード（数マイクロ秒）で開かれ、インダクタ４１２の端子間にサージ電圧、Ｌ＊ｄＩ／ｄｔが生み出される。これは、カソード３４０とアノード３２０および３２２との間に絶縁破壊およびアーク放電の発生をもたらす。サージ電圧は、内側表面３５４において比較的低い電圧レベル（≒２００Ｖ）で薄い導電コーティングを絶縁破壊する。

【0031】

通常、放電プロセスは、全部でおおよそ数百マイクロ秒かかり、電流は、おおよそ６０Ａ（１００～５００μsの場合）であり、２５～５０Ｖの電圧で伝導される。電流は、アノード３２０および３２２のアブレーションを生成するのに十分であり、したがって、スラスタ３００のための追加的な推進剤としての機能を果たす。スラスタ３００の効率は、したがって、≧９０％であることができる。その結果として、インダクタ４１２に蓄積された磁気エネルギーの大半は、プラズマパルスに堆積される。コントローラ４２０によってトリガ信号の長さを変動させることにより、スイッチング装置４１４の電流のレベル、およびそれにより、インダクタ４１２に蓄積されたエネルギーが調節されることもできる。これは、次に、アークに輸送されたエネルギーの量および個々のパルスのインパルスビットを変化させる。個々のパルスの繰り返し数も入力信号を変動させることによって変化させることができる。

【0032】

エネルギー蓄積インダクタ４１２は、鉄もしくはフェライトコアインダクタ、空芯インダクタ、磁気インダクタまたは任意の他の好適なインダクタであることができる。この例では、スイッチング装置４１４は、半導体絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。スイッチング装置４１４は、任意の適切なスイッチング装置、例えば、ＭＯＳＦＥＴであることもできる。

【0033】

内側表面３５４上の導電薄膜コーティング層は、およそ数百ボルトの低い印加電圧での放電の発生を有効にする。導電薄膜コーティング層は、この例では金属またはカーボンであることができる。導電薄膜コーティング層は、好ましくは１ミクロン厚未満であり、より好ましくはおよそ０．１ミクロン～およそ１ミクロン厚であり、アノード３２０および３２２とカソード３４０との間の導電薄コーティング層の抵抗がおよそ１～およそ４０KΩであるようにする。アノード３２０および３２２とカソード３４０との間に生み出された高電界は、内側表面３５４上の導電薄膜コーティング層の絶縁破壊を引き起こす。この絶縁破壊は、マイクロプラズマが発生するように、内側表面３５４の導電性区間の絶縁体材料に沿って多孔または小さい間隙を引き起こす。この例では、これらのマイクロプラズマは、周囲の空間に拡大し、当初の導電薄膜表面放電路よりもおよそ０．０１オーム～およそ０．１オームより低い低抵抗プラズマ放電路を形成することによって、電流をカソード３４０からアノード３２０および３２２に直接流させる。

【0034】

磁場は、磁気ユニット３５０を通じて生み出される。磁気ユニット３５０は、特定の分布磁場を提供する。この例では、磁気コアは、コイルと相互作用して、磁気ユニット３５０に磁場を生み出す。この例では、コイルは、最大７００巻きまで巻かれた０．５mm径銅線（長さおよび外径は、それぞれ、およそ１５および４５mmである）を使用するように設計される。この例における磁気コアは、鋼１０２０から製作され、ワッシャの形状を有する。

【0035】

図２～４に示すスラスタは、アノードの材料に起因する増加した効率を有する。アノードとカソードとの間の電流からの電子束と関係があるエネルギーは、アノード加熱に突入する。図２のアノードユニット２０４のアブレーティブアノード材料を利用するまたはアノードアブレーションが有意になるようにアノード形状寸法を変更することにより、二倍の結果を生む。アノード温度は、アブレーティブ冷却に起因して低減される。さらに、アブレートされるアノード材料は、アノードユニット２０４から押し出され、したがって、流量を増加させる。流量は、流速を保つことができる場合、推力増加に直接寄与する。アブレートされたアノード材料は、加速領域に注入される。そのようにして、イオン２２０と中性原子２２２との間のイオン－中性粒子衝突は、中性粒子加速および推力の増加をもたらす。

【0036】

マイクロカソードアノードアークスラスタ２００の推力電力比は、以下のように計算されることができる：

【数1】

ここで、Ｔは推力であり、Ｐは電力であり、ｆはイオン電流フラクションであり（通常０．０８～０．１）、ｍ_ｉはイオン質量であり、Ｖ_ｉはイオン速度であり、Ｕ_ｄは放電電圧である。有意なアノードアブレーションの場合には、推力電力比は、以下のように試算されることができる：

【数2】

この場合には、追加的な推力は、アノードアブレーションの結果として注入された中性原子に起因して発生する。アノードアブレーションに起因する推力電力比の増加は、以下のように試算されることができる：

【数3】

ここで、αはカソードのそれに対するアノードからの質量流束の比であり、σは断面積であり（１０^１９m^-2以下）、ｎはイオン密度であり（１０^２１m^-3）、Ｌは加速領域の長さである（０．０１ｍ）。αが１以下～２の場合、推力電力比は、２～３倍増加することができる。

【0037】

これらの条件下で同一の領域内で同時にイオン加速およびイオンから中性原子への運動量輸送衝突が生まれるため、運動量が中性ガスに輸送されるのみならず、電力によってイオン－中性粒子流に供給された全運動量も大いに増加する。一部の試算によると、推力は、以下によって高められることができる：

【数4】

ここで、Ｌは加速領域長さ（およそ１cm）であり、lはイオン－中性粒子衝突の平均自由行程である（およそ１mm）。したがって、推力電力比は、３倍増加することが想定される。加えて、磁場内の電子トラップは、中性粒子の電離をもたらし、したがって、流れの総電離度を増加させる。

【0038】

図５は、カソード５１２と、アブレーティブ材料を有するアノード５１４とを有するスラスタ５１０を試験するための実験的試験システム５００の回路図である。スラスタ５１０は、プラズマ流を生成するために、カソード５１２とアノード５１４との間に電流を生成する電源５１６を包含する。

【0039】

試験システム５００は、電源５２２に連結されるコレクタプレート５２０を包含する。電源５２２は、レジスタ５２４を介してアースに接続される。第二のレジスタ５２６は、カソード５１２とアースとの間に連結される。説明されるように、レジスタ５２４および５２６は、放電電流の測定を可能にする。

【0040】

試験システム５００は、アブレーティブ材料を有するアノード５１４の使用から推力効率の増加を検証するために使用される。実験の予備セットは、アブレートするアノードの包含がスラスタ効率および推力レベルを高めることができることを検証するために設定された。第一の実験は、アノード５１４に使用される様々な周波数で、チタンアノードからのイオン対アーク電流を、Ｓｎ６３／Ｐｂ３７はんだからなるアノードのそれと比較することからなった。第二の実験は、一つは１８－８ステンレス鋼アノードによる、一つはＳｎ６３／Ｐｂ３７はんだアノードによる、スラスタ５１０の二つの１７時間寿命試験を包含し、アノード質量損失が測定された。

【0041】

寿命試験中、銅プレートコレクタ５２０は、試験中にスラスタ５１０の前に設置され、その後で、アノード材料の任意の粒子が存在する否かを判定するために走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で分析された。

【0042】

イオン電流を測定するために、コレクタプレート５２０は、マイナス８２ボルトまでバイアスされ、スラスタ５１０に近接して設置された。スラスタ５１０およびプレート５２０は、真空チャンバに設置された。真空チャンバは、１０^－５トルの圧力にされた。スラスタ５１０がプラズマを吐き出すにつれ、イオンは、プレート５２０上に収集され、オシロスコープTektronix 2004Bは、スラスタ５１０からのアーク放電電圧と、銅プレート５２０からの収集されたイオン電圧の両方を記録した。

【0043】

アーク放電電流およびイオン電流を計算するために、それぞれのプローブは、レジスタ５２４（１オーム）およびレジスタ５２６（０．２オーム）上に設置され、オームの法則が使用された。オシロスコープは、４、１６、６４または１２８きざみでいくつかの波形を収集し、波形の平均を表示した、獲得モードを有した。この技術は、信号の無相関ノイズの除去を可能にし、単一の波形を別々に収集して後でそれらを平均するよりもより早い。この技術は、１、２、４、８、１６、３２、６４および１２８Hzの割合のスラスタパルス数の場合の１２８波形の平均を収集するために使用された。イオン５３０がプレート５２０上で収集された一方で、電子５３２は偏向された。

【0044】

様々な周波数の場合のイオン収集実験の結果を図６に示す。一連の正方形６０２がアブレーティブアノードのプロットを表す一方で、一連の菱形６０４は、非アブレーティブアノードのプロットを表す。アブレーティブアノードを使用することで、はんだアノードの場合のイオン対アーク電流が１Hzおよび２Hzおいて、それぞれチタンアノードよりも４５％および３８％より高いことが証明されたことが見てとれる。パルス周波数が増加するにつれ、チタンアノードの場合のイオン対アーク電流は、はんだに近づいていき、最終的にはそれを上回る。この観測がはんだアノードにおけるマクロ粒子の生成に起因するものと推測される。マクロ粒子は、質量液滴であり、推進剤の大部分を消費すること、推力に非常にわずかしか寄与しないことを防ぎ、全体の総スラスタ効率を低くする。

【0045】

スラスタ５１０の寿命試験の開始前に、各タイプのアノードの五つの質量測定がなされ、はかりSartorius CPA225D Semi-Microを使用して平均した。試験は、各タイプのアノードに対して１０Hzに１パルス数の割合で１７時間行った。真空チャンバは、１０^－５トルの圧力にされた。各寿命稼働後、アノードは、ここでもまた五回測定され、最終的な平均質量が記録された。

【0046】

１７時間のμＣＡＴ寿命試験中、任意のプラズマ粒子を収集するために、一片の銅箔がスラスタ５１０の頭部から１９．４mm離れて設置された。銅箔上に想定された標準的な粒子は、銅（箔自体からの）、チタン（カソードからの）およびカーボン（アノードとカソードとの間に使用されたカーボン塗料からの）を包含する。しかし、理論化されたアノードアブレーションでは、はんだ粒子であるすずと鉛の両方も存在することも想定される。１８－８ステンレス鋼アノードがアブレートされた場合、クロム、ニッケルおよび鉄粒子も存在することができる。

【0047】

はんだアノードが０．０２９５６６グラム失った一方で、ステンレス鋼アノードは、実際に質量を増大させた。質量損失および増大は、アノードがＳＥＭで検査されたときに説明されることができる。ＳＥＭで見ると、未利用のはんだアノードが平滑と思われる一方で、燃焼後のはんだアノードは、摩滅およびくぼみを有する。ステンレス鋼アノードの場合の質量増大は、その最終的な質量に加えられたと思われるカーボンならびにチタンでコーティングされた。銅コレクタを分析すると、ステンレス鋼アノードは、銅、チタンおよびカーボンの想定された元素のみを示し、アノードアブレーションがなかったことを示した。はんだアノード銅コレクタは、すずおよび鉛に加えて、想定された元素（カーボン、銅、チタン、すずおよび鉛）を示した。これは、アブレートしているはんだがスラスタ５１０から吐き出され推力に変換されていたことを示す。

【0048】

本明細書で使用される専門用語は、具体的な実施態様を記載することのみを目的とし、本発明を限定することを意図しない。本明細書で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、特に文脈が明確に記述しない限り、複数形も包含することを意図する。さらに、用語「包含している」、「包含する」、「有している」、「有する」、「持つ」またはそれらの異形が発明を実施するための形態および／または特許請求の範囲のいずれかで使用される限り、そのような用語は、用語「含む」と類似したやり方で包括的であることを意図する。

【0049】

特に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術および学術用語を包含する）は、本発明が属する当業者によって一般に理解されるものと同一の意味を有する。さらに、用語、例えば、一般に使用される辞典で定義されるものは、従来の技術に関連したそれらの意味と一致する意味を有するものと解釈され、本明細書で明示的に定義されない限り、理想的または過度に形式的に解釈されないことが理解される。

【0050】

本発明の様々な実施態様が先に記載された一方で、それらが例としてのみ提示され、限定されるわけではないことが理解される。開示された実施態様への多くの変更は、本発明の本質および範囲を逸することなく、本明細書の開示に従ってなされることができる。したがって、本発明の幅および範囲は、先に記載された実施態様のいずれによっても限定されない。むしろ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物に従って定義される。

【0051】

本発明が一つまたは複数の実施態様に関して図示され記載されてきたものの、本明細書および付属図面を読み理解すれば、当業者は、同等の改変および変形に気付く。加えて、本発明の具体的なフィーチャがいくつかの実施態様の一つのみに関して開示されたことができる一方で、そのようなフィーチャは、所望された場合および任意の所与のまたは具体的な用途に有利である場合、他の実施態様の一つまたは複数の他のフィーチャと組み合わされることができる。

【図1A】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】