特許 7537772 帯電緩和装置及び放電回避方法

(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】2024-08-13

(45)【発行日】2024-08-21

(54)【発明の名称】帯電緩和装置及び放電回避方法

(51)【国際特許分類】

   B64G 1/52 20060101AFI20240814BHJP

   B64D 45/02 20060101ALI20240814BHJP

   B64G 1/40 20060101ALI20240814BHJP

   F03H 1/00 20060101ALI20240814BHJP

   H01T 19/00 20060101ALI20240814BHJP

   H05F 3/04 20060101ALI20240814BHJP

   H05F 3/06 20060101ALI20240814BHJP

   H05H 1/24 20060101ALI20240814BHJP

【ＦＩ】

B64G1/52

B64D45/02

B64G1/40 500

F03H1/00 Z

H01T19/00

H05F3/04 A

H05F3/06

H05H1/24

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022074195

(22)【出願日】2022-04-28

(65)【公開番号】P2023163346

(43)【公開日】2023-11-10

【審査請求日】2023-03-27

(73)【特許権者】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100141139

【弁理士】

【氏名又は名称】及川 周

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(74)【代理人】

【識別番号】100188592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100181124

【弁理士】

【氏名又は名称】沖田 壮男

(72)【発明者】

【氏名】奥村 哲平

(72)【発明者】

【氏名】張 科寅

(72)【発明者】

【氏名】大川 恭志

(72)【発明者】

【氏名】岡本 博之

【審査官】志水 裕司

(56)【参考文献】

【文献】特表２０２０－５１６５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０７６３７４６１（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許第０９１１９２７７（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６４Ｇ １／００

Ｆ０３Ｈ １／００

Ｂ６４Ｄ ４５／００

Ｈ０５Ｆ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の物体間の電位差を低減する帯電緩和装置であって、
プラズマを発生させるホールスラスタを含み、
前記ホールスラスタから発生する前記プラズマに、前記複数の物体を覆わせ、
前記ホールスラスタは、カソード電極と、キーパー電極と、アノード電極と、を備え、
前記ホールスラスタは、前記プラズマによって前記複数の物体を覆う帯電緩和モードでは、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加せずに前記キーパー電極と前記カソード電極との間に電圧を印加し続けた状態で、前記ホールスラスタから前記プラズマを発生させる、
帯電緩和装置。

【請求項2】

前記ホールスラスタは、推力を発生させる推力発生モードと、前記帯電緩和モードと、を切り替え可能であり、
前記推力発生モードでは、前記キーパー電極と前記カソード電極との間に電圧を印加して前記プラズマを着火させた後、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加しつつ前記カソード電極と前記キーパー電極との間への電圧の印加を停止した状態で、前記ホールスラスタから前記プラズマを発生させる、
請求項１に記載の帯電緩和装置。

【請求項3】

前記帯電緩和モードでは、前記複数の物体間の電位差に基づいて、前記ホールスラスタを制御する、
請求項２に記載の帯電緩和装置。

【請求項4】

前記帯電緩和モードでは、前記カソード電極と前記キーパー電極との間に電圧を印加しつつ、前記ホールスラスタに磁場を印加する、
請求項２又は３に記載の帯電緩和装置。

【請求項5】

前記推力発生モードにおける前記プラズマの着火時に前記ホールスラスタに作動ガスを供給する第１ガス供給部と、
前記推力発生モードにおける前記プラズマに基づく推力発生時に前記ホールスラスタに作動ガスを供給する第２ガス供給部と、を更に備え、
前記帯電緩和モードでは、前記第１ガス供給部から前記ホールスラスタに前記作動ガスを供給する、
請求項２又は３に記載の帯電緩和装置。

【請求項6】

前記帯電緩和モードでは、前記第１ガス供給部および前記第２ガス供給部の両方から並行して前記ホールスラスタに前記作動ガスを供給する、
請求項５に記載の帯電緩和装置。

【請求項7】

前記複数の物体のうちの１つは、前記ホールスラスタを搭載した人工衛星である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の帯電緩和装置。

【請求項8】

複数の物体間の電位差による放電を回避する方法であって、
請求項１に記載の帯電緩和装置を用い、前記帯電緩和モードの前記ホールスラスタから発生する前記プラズマに、前記複数の物体を覆わせる、
放電回避方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、帯電緩和装置及び放電回避方法に関する。

【背景技術】

【0002】

デブリの除去や軌道上サービス等の衛星ミッションにおいては、デブリと人工衛星、あるいは人工衛星同士のドッキング運用が行われる。このとき、ドッキングする人工衛星同士の間に電位差が生じることがある。この電位差によって人工衛星同士の間に放電が発生すると、人工衛星の機器に悪影響を及ぼす原因となる。
この対策として、プラズマを発生させる装置を国際宇宙ステーションに搭載して、ドッキング時に装置からプラズマを発生させることで放電を回避する技術が開示されている（例えば、非特許文献１）。
また、人工衛星におけるドッキング部にプラズマを発生させる機能を設け、人工衛星同士の接触部の周辺にプラズマを発生させることで放電の発生を防ぐ技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第９１１９２７７号明細書

【非特許文献】

【0004】

【文献】Hani Kamhawi, John T. Yim, Michael J. Patterson, and Penni J. Dalton, ’Operational Status of the International Space Station Plasma Contactor Hollow Cathode Assemblies July 2001 to May 2013’, [online], July 15, 2013, NTRS - NASA Technical Reports Server, [retrieved on 13 July 2021], <URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20140009580>

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前記従来の帯電緩和装置は、専用の装置を設けることにより構成される。人工衛星においては電力、質量等のリソース負荷を下げることが求められる。帯電緩和装置は、主にドッキング時のみに使用される装置であるところ、専用の帯電緩和装置を人工衛星に搭載することによって、電力消費及び質量が増加する課題がある。

【0006】

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、人工衛星に搭載された場合において専用の装置を必要とせず機器間の放電を防ぐ構造を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

＜１＞本発明の一態様に係る帯電緩和装置は、複数の物体間の電位差を低減する帯電緩和装置であって、プラズマを発生させるホールスラスタを含み、前記ホールスラスタから発生する前記プラズマに、前記複数の物体を覆わせ、前記ホールスラスタは、カソード電極と、キーパー電極と、アノード電極と、を備え、前記ホールスラスタは、前記プラズマによって前記複数の物体を覆う帯電緩和モードでは、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加せずに前記キーパー電極と前記カソード電極との間に電圧を印加し続けた状態で、前記ホールスラスタから前記プラズマを発生させる。

【0008】

電気推進機から発生するプラズマが、複数の物体を覆う。つまり、電気推進機を、帯電緩和装置として用いる。これにより、この帯電緩和装置が人工衛星に搭載された場合において、専用の装置を別途備えることを不要とすることができる。よって、人工衛星における電力リソースを節約したり、質量の増加を回避したり、人工衛星における帯電対策設計を簡素化したりできる。

【0009】

＜２＞上記＜１＞に係る帯電緩和装置では、前記ホールスラスタは、推力を発生させる推力発生モードと、前記帯電緩和モードと、を切り替え可能であり、前記推力発生モードでは、前記キーパー電極と前記カソード電極との間に電圧を印加して前記プラズマを着火させた後、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加しつつ前記カソード電極と前記キーパー電極との間への電圧の印加を停止した状態で、前記ホールスラスタから前記プラズマを発生させる構成を採用してもよい。

【0010】

帯電緩和モードでは、アノード電極とカソード電極との間に電圧を印加せずにキーパー電極とカソード電極との間に電圧を印加し続けた状態で、ホールスラスタからプラズマを発生させる。これにより、帯電緩和モードにおける電力を必要最小限にするとともに、推力の発生を抑えることができる。

【0011】

＜３＞上記＜２＞に係る帯電緩和装置では、前記帯電緩和モードでは、前記複数の物体間の電位差に基づいて、前記ホールスラスタを制御する構成を採用してもよい。

【0012】

帯電緩和モードでは、複数の物体間の電位差に基づいて、ホールスラスタを制御する。これにより、複数の物体間の電位差に基づいて、ホールスラスタからプラズマを適切に発生させることができる。

【0013】

＜４＞上記＜２＞又は＜３＞に係る帯電緩和装置では、前記帯電緩和モードでは、前記カソード電極と前記キーパー電極との間に電圧を印加しつつ、前記ホールスラスタに磁場を印加する構成を採用してもよい。

【0014】

帯電緩和モードでは、カソード電極とキーパー電極との間に電圧を印加しつつ、ホールスラスタに磁場を印加する。これにより、プラズマをより効率的に発生させることができる。

【0015】

＜５＞上記＜２＞から＜４＞のいずれか１項に係る帯電緩和装置では、前記推力発生モードにおける前記プラズマの着火時に前記ホールスラスタに作動ガスを供給する第１ガス供給部と、前記推力発生モードにおける前記プラズマに基づく推力発生時に前記ホールスラスタに作動ガスを供給する第２ガス供給部と、を更に備え、前記帯電緩和モードでは、前記第１ガス供給部から前記ホールスラスタに前記作動ガスを供給する構成を採用してもよい。

【0016】

帯電緩和モードでは、第１ガス供給部からホールスラスタに作動ガスを供給する。これにより、例えば、第１ガス供給管からの作動ガスの流量を増加させることで、カソード電極によって発生するプラズマの密度を向上させたり、電荷交換イオンの生成を促進したりすることができる。

【0017】

＜６＞上記＜５＞に係る帯電緩和装置では、前記帯電緩和モードでは、前記第１ガス供給部および前記第２ガス供給部の両方から並行して前記ホールスラスタに前記作動ガスを供給する構成を採用してもよい。

【0018】

帯電緩和モードでは、第１ガス供給部および第２ガス供給部の両方から並行してホールスラスタに作動ガスを供給する。これにより、プラズマをより効率的に発生させることができる。

【0019】

＜７＞上記＜１＞から＜６＞に係る帯電緩和装置では、前記複数の物体のうちの１つは、前記ホールスラスタを搭載した人工衛星である構成を採用してもよい。

【0020】

電気推進機が人工衛星に搭載されている。ここで、プラズマは熱拡散するので、人工衛星における電気推進機の搭載位置を考慮せず、電気推進機の向きや位置の制約が生じない。

【0021】

＜８＞本発明の一態様に係る放電回避方法は、複数の物体間の電位差による放電を回避する方法であって、上記＜１＞から＜７＞のいずれか１項に記載の帯電緩和装置を用い、前記帯電緩和モードの前記ホールスラスタから発生する前記プラズマに、前記複数の物体を覆わせる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、人工衛星に搭載された場合において専用の装置を必要とせず機器間の放電を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の一実施形態に係る帯電緩和装置が搭載された人工衛星を示す図である。

【図2】図１に示す帯電緩和装置を構成するホールスラスタの拡大図である。

【図3】図１に示す帯電緩和装置の制御ブロック図である。

【図4】図１に示す帯電緩和装置によって発生したプラズマが人工衛星及び対象物を覆っている状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図１から図４を参照し、本発明の一実施形態に係る帯電緩和装置１１０を説明する。図１に示すように、本実施形態に係る帯電緩和装置１１０は、例えば人工衛星Ｓに搭載される。

【0025】

（人工衛星）
人工衛星Ｓは、本体Ｂと、ソーラーパネルＰと、ロボットアームＡと、ホールスラスタ１００と、を備えている。ソーラーパネルＰ，ロボットアームＡ、ホールスラスタ１００はそれぞれ、本体Ｂに設置されている。人工衛星Ｓは、例えば、ソーラーパネルＰによって稼働する。ロボットアームＡは、宇宙空間Ｇに浮遊する対象物Ｄを、人工衛星Ｓにドッキングするために用いられる。

【0026】

（ホールスラスタ）
ホールスラスタ１００は、プラズマＰＬを噴射して人工衛星Ｓの推力を担う推力発生装置（電気推進機）として機能する。人工衛星Ｓは、この推力によって、宇宙空間Ｇを移動したり、姿勢を制御したりする。なお、ホールスラスタ１００が推力を発生させるときに、ホールスラスタ１００からプラズマＰＬ（イオン）が噴射する方向を、噴射方向Ｊと呼ぶ。ホールスラスタ１００は、プラズマＰＬの噴射時に生じる反作用によって推力を生じさせる。

【0027】

図２及び図３に示すように、ホールスラスタ１００は、スラスタヘッド１０と、アノード電極３１と、カソード電極２０と、キーパー電極３０と、第１電源４０と、第２電源４１と、電磁コイル７０と、ヒータ７１と、第１ガス供給管５１と、第２ガス供給管５２と、流量調整器６０と、制御装置８０と、を備える。

【0028】

スラスタヘッド１０は、底部１１と、外周部１２と、中央部１３と、を備えている。底部１１は、スラスタヘッド１０のうち、最も本体Ｂに近い部分である。外周部１２および中央部１３は、底部１１から噴射方向Ｊに延びる。外周部１２は、スラスタヘッド１０の外周を構成する。外周部１２は、筒状である。中央部１３は、外周部１２に対して、外周部１２の径方向の内側に位置する。中央部１３は、外周部１２における前記径方向の中央に位置する。

【0029】

スラスタヘッド１０には、噴射方向Ｊに開口する環状のチャンネル１４（溝）が設けられている。チャンネル１４は、前述した底部１１、外周部１２、中央部１３によって形成される。前記プラズマＰＬは、チャンネル１４から噴射方向Ｊに噴射される。
チャンネル１４には、底部１１から噴射方向Ｊ（スラスタヘッド１０の軸方向）に向かう電場と、外周部１２から中央部１３（スラスタヘッド１０の半径方向）に向かう磁場と、が発生する。これらの電磁場によって、チャンネル１４内にホール電流が発生する。

【0030】

アノード電極３１、カソード電極２０およびキーパー電極３０は、互いに電気的に絶縁されている。アノード電極３１とカソード電極２０との間には、第１電源４０が接続される。カソード電極２０とキーパー電極３０との間には、第２電源４１が接続される。その結果、アノード電極３１とカソード電極２０と間で放電可能であり、カソード電極２０とキーパー電極３０との間で放電可能である。

【0031】

なお第１電源４０の最大電圧は、例えば、１ｋＶであってもよい。第１電源４０の正極はアノード電極３１に接続される。第１電源４０の負極はカソード電極２０に接続される。
第２電源４１の容量は、第１電源４０よりも小さくてもよい。第２電源４１の最大電圧は、例えば、３００Ｖであってもよい。第２電源４１の正極はキーパー電極３０に接続される。第２電源４１の負極はカソード電極２０に接続される。
第１電源４０や第２電源４１には、例えば、ソーラーパネルＰで発電された電力が供給される。

【0032】

アノード電極３１は、スラスタヘッド１０の底部１１に配置されている。カソード電極２０およびキーパー電極３０は、互いに電気的に絶縁された状態で、スラスタヘッド１０の中央部１３に配置されている。
アノード電極３１およびカソード電極２０は、チャンネル１４内の前記電場を発生させる。アノード電極３１は、前記電場のアノードとなる。カソード電極２０は、前記電場のカソードとなる。

【0033】

なおカソード電極２０は、前記電場を発生させる役割に加え、チャンネル１４から噴射するプラズマＰＬに電子を供給する役割も備えている。プラズマＰＬは、カソード電極２０から電子が供給されることで電気的に中和される。カソード電極２０は、これらの役割を達成可能な他の形態に適宜変更可能である。

【0034】

本実施形態に係るホールスラスタは、カソード電極２０がスラスタヘッド１０の中央部１３に配置された、いわゆるセンターカソードホールスラスタである。しかしながら、カソード電極２０がスラスタヘッド１０の外部に位置する構成を採用することも可能である。ただし、図２に示すようなセンターカソードホールスラスタでは、後述するように、カソード電極２０に対して物理的に近くに位置するチャンネル１４に作動ガスが供給されるため、低電力で密度が高いプラズマＰＬを発生させやすいという利点がある。

【0035】

電磁コイル７０は、チャンネル１４内の前記磁場を発生させる。電磁コイル７０は、例えば、スラスタヘッド１０に配置される。電磁コイル７０は、スラスタヘッド１０の中央部１３に配置されている。
ヒータ７１は、カソード電極２０（熱電子放出材）を加熱する。

【0036】

第１ガス供給管５１および第２ガス供給管５２は、プラズマＰＬとなる作動ガスをスラスタヘッド１０に供給する。第１ガス供給管５１および第２ガス供給管５２には、例えば、作動ガスが収容された不図示のガスタンクが接続される。作動ガスには、例えば、キセノンガスが適用される。第１ガス供給管５１は、ホールスラスタ１００起動時に、プラズマＰＬを着火するために用いられる。第２ガス供給管５２は、ホールスラスタ１００起動後、プラズマＰＬによって推力を発生させるために用いられる。

【0037】

第１ガス供給管５１は、カソード電極２０とキーパー電極３０との放電時における電子が供給されるように、スラスタヘッド１０に作動ガスを供給する。
第２ガス供給管５２は、カソード電極２０とアノード電極３１との放電時における電子が供給されるように、スラスタヘッド１０に作動ガスを供給する。第２ガス供給管５２は、底部１１からチャンネル１４内に噴射方向Ｊに向けて作動ガスを供給する。
なお、アノード電極３１や、カソード電極２０、キーパー電極３０、第１ガス供給管５１、第２ガス供給管５２の配置や形状は、例えば、各電極３１、２０、３０や供給管５１、５２の相対的な関係に応じて適宜、設定することが可能である。

【0038】

第１ガス供給管５１及び第２ガス供給管５２には、流量調整器６０が設けられている。流量調整器６０は、第１ガス供給管５１や第２ガス供給管５２における作動ガスの流量を制御する。流量調整器６０は、例えば、電磁弁などを含む。
制御装置８０は、上記各構成を制御する。制御装置８０としては、例えば、コンピューターなどが挙げられる。制御装置８０は、例えば、第１電源４０、第２電源４１、電磁コイル７０、ヒータ７１、流量調整器６０をそれぞれ制御する。制御装置８０は、例えば、ソーラーパネルＰからの給電によって動作する。制御装置８０は、人工衛星Ｓ全体の制御装置と兼用であってもよい。

【0039】

（ホールスラスタの通常動作（推力発生モード））
ホールスラスタ１００は、人工衛星Ｓに推力を生じさせる際、例えば、以下の＜１＞～＜４＞のように動作する。これらの各手順は、例えば、前記制御装置によって実施される。なお、以下の手順は一例であり、この手順に限られない。これらの各手順は、制御装置８０によって制御される。

【0040】

＜１＞まず本実施形態では、ヒータ７１がカソード電極２０（熱電子放出材）を加熱する。カソード電極２０の目標温度は、例えば、１０００℃～１６００℃程度である。カソード電極２０の目標温度は、例えば、熱電子や放射温度計などにより測定することができる。なおヒータ７１の加熱はなくてもよく、その場合、ヒータ７１が無くてもよい。ここで、例えば、プラズマＰＬの常温着火が実現可能であれば、ヒータ７１の加熱が省略可能である。常温着火は、例えば、カソード電極２０の形状を工夫したり、カソード電極２０とキーパー電極３０との間に高電圧を印加したりすることにより、実現可能である。

【0041】

＜２＞カソード電極２０が目標温度まで昇温した後、下記（ａ）～（ｄ）が実施される。
（ａ）第１ガス供給管５１がスラスタヘッド１０に作動ガスを供給する。
（ｂ）第２電源４１がキーパー電極３０とカソード電極２０との間に電圧を印加する。その結果、キーパー電極３０とカソード電極２０との間で放電が生じる。
（ｃ）第２ガス供給管５２がスラスタヘッド１０に作動ガスを供給する。
（ｄ）電磁コイル７０が起動される。その結果、チャンネル１４内に磁場が発生する。

【0042】

なお、これらの（ａ）～（ｄ）の実施順序は適宜変更可能である。（ａ）～（ｄ）は、例えば、順次、即座に（例えば、ミリ秒単位で）実施される。
上記（ａ）および（ｂ）が実施されことで、第１ガス供給管５１からの作動ガスが、キーパー電極３０とカソード電極２０との間の放電で着火され、プラズマＰＬが発生する。

【0043】

＜３＞上記（ａ）～（ｄ）が実施された後、即座に（例えば、ミリ秒単位で）、第１電源４０が、アノード電極３１とカソード電極２０との間に電圧を印加する。その結果、アノード電極３１とカソード電極２０との間で放電が生じ、チャンネル１４内に電場が発生する。ここで、上記（ｄ）を実施していることで、チャンネル１４内に磁場が生じており、これらの磁場および電場によって、チャンネル１４内にホール電流が発生する。

【0044】

上記（ｃ）を実施していることで第２ガス供給管５２からチャンネル１４内に供給されている作動ガスは、チャンネル１４内に生じるホール電流や、上記（ａ）、（ｂ）を経て生じたプラズマＰＬにより電離が促進される。作動ガスから電離された電子はホール電流としてチャンネル１４内を流れる。作動ガスから電子が電離したイオン（例えば、キセノンイオン）は、チャンネル１４内を噴射方向Ｊに移動し、かつ、このイオンに、カソード電極２０から電子が供給される。その結果、チャンネル１４内からプラズマＰＬが噴射方向Ｊに噴射され、推力が生じる。

【0045】

＜４＞その後、即座に（例えば、ミリ秒単位で）第２電源４１によるキーパー電極３０とカソード電極２０との間の電圧の印加が停止される。これにより、ホールスラスタ１００が、定常推力発生状態となる。
なお以上のように、キーパー電極３０は、通常はカソード電極２０への通電を開始するためのイグナイタとしてのみ用いられ、定常作動時は用いない。キーパー電極３０は、ホールスラスタ１００の起動時において最初にプラズマＰＬを生成する時の１００～１０００ミリ秒程度のみ通電される。すなわち、上記（ｄ）の際に第２電源４１が起動した後、推力が発生して第２電源４１が停止するまで（上記＜ｄ＞まで）の時間は、１００～１０００ミリ秒程度である。

【0046】

また上記ホールスラスタ１００では、キーパー電極３０を利用して生成されたプラズマＰＬがアノード電極３１の周囲にある状態で、アノード電極３１への通電が開始し、キーパー電極３０への通電が停止することで、ホールスラスタ１００の動作が、推力を生じうる量及び速度のプラズマＰＬの生成（主放電）に切り替わる。具体的には、第１電源４０によるアノード電極３１への通電が開始された状態で、第１電源４０によるアノード電極３１への電圧を高くしたり、電磁コイル７０によって磁場を印加したりすることで、プラズマＰＬが高速で放出されて推力が得られる。このようにして、ホールスラスタ１００が人工衛星Ｓの推力装置として（推力発生モードとして）作動する。

【0047】

（ホールスラスタの帯電緩和装置としての利用（帯電緩和モード））
図１に示すように、宇宙空間Ｇにおいては、対象物Ｄと宇宙空間Ｇとの間における対象物電位Ｖｄや、人工衛星Ｓと宇宙空間Ｇとの間における衛星電位Ｖｓが存在する。対象物電位Ｖｄと衛星電位Ｖｓとが異なる場合、対象物電位Ｖｄと衛星電位Ｖｓとの間に電位差Ｖａが生じる。対象物Ｄと人工衛星Ｓとのドッキング時に、前記電位差Ｖａによって、対象物Ｄと人工衛星Ｓ（ロボットアームＡ）との間に放電が発生することがある。

【0048】

本実施形態では、ホールスラスタ１００が、この放電を回避するための帯電緩和装置１１０としても機能する。本実施形態に係るホールスラスタ１００は、通常時には、推力発生装置として利用され、人工衛星Ｓと対象物Ｄとのドッキング時には、帯電緩和装置として利用される。本実施形態では、ホールスラスタ１００が、推力発生装置と、帯電緩和装置１１０と、を兼ねている。ホールスラスタ１００は、推力発生モードと、帯電緩和モードと、が切り替え可能である。

【0049】

なお対象物Ｄは、例えば、軌道上サービスの対象となる他の人工衛星Ｓや、ロケットデブリ等が挙げられる。これらの対象物Ｄと人工衛星Ｓとがドッキングする場所として特に考えられる場所は、例えば、極軌道のオーロラオーバル内や静止軌道、中間軌道である。これらの場所は、宇宙空間Ｇにおいて特に高エネルギーの電子が存在する領域である。ホールスラスタ１００は、上述の現場において特に、帯電緩和装置１１０として好適に用いられる。

【0050】

図３に示すように、帯電緩和装置１１０は、ホールスラスタ１００と、制御装置８０と、衛星電位センサＰＳと、を備えている。衛星電位センサＰＳは、人工衛星Ｓと宇宙空間Ｇとの間における電位を測定する。衛星電位センサＰＳの測定結果は、制御装置８０に送られる。制御装置８０は、衛星電位センサＰＳの測定結果に基づいて、人工衛星Ｓと対象物Ｄとの電位差Ｖａを推定可能である。制御装置８０は、衛星電位センサＰＳの測定結果に基づいて、ホールスラスタ１００の運転を制御する。

【0051】

（放電回避方法）
本実施形態では、放電を回避するため、図４に示すように、ホールスラスタ１００によって発生したプラズマＰＬの拡散（熱拡散）によって、人工衛星ＳのロボットアームＡが対象物Ｄとドッキングする部位が覆われるようにする。これにより、人工衛星Ｓ及び対象物Ｄの帯電が緩和され、人工衛星Ｓと対象物Ｄの間の放電が回避される。

【0052】

なお、放電を回避可能とするためには、ロボットアームＡが対象物Ｄとドッキングする部位及びその周辺におけるプラズマＰＬの密度が、１０^１１／ｍ^３以上であることが好ましい。人工衛星ＳのロボットアームＡが最大限展開し、ロボットアームＡの先端と対象物Ｄとの最短距離が０．０１ｍである状態において、ロボットアームＡ及び対象物Ｄの全体を含む領域のプラズマＰＬの密度が、上述の密度となればより確実に放電回避が可能である。また、人工衛星Ｓと対象物Ｄとのドッキングには、最大１．５時間程度必要とする。このため、上記時間だけプラズマＰＬの密度を保つ必要がある。

【0053】

帯電緩和を目的としたプラズマＰＬの生成を、上述の＜１＞～＜４＞に示すようなホールスラスタ１００の通常作動（推力発生モード）により行っても、生成したプラズマＰＬが人工衛星Ｓの周囲に留まらず、プラズマＰＬによる帯電緩和ができない。このため、本実施形態においては、帯電緩和を目的としたプラズマＰＬの生成は、主にキーパー電極３０とカソード電極２０との間の通電によって行う。

【0054】

つまり、本実施形態においては、キーパー電極３０とカソード電極２０との間の通電を、キーパー電極３０をイグナイタとしてのみ用いる場合よりも長く行う（帯電緩和モード）。すると、アノード電極３１とカソード電極２０との間の通電によってプラズマＰＬを生成した場合と比較して、プラズマＰＬの射出速度が低く（低速プラズマ）推力を発生しない上、消費電力も小さい（例えば、１／１０以下程度）。

【0055】

帯電緩和モードでは、推力発生モードとして示した手順＜１＞～＜４＞のうち、上記＜１＞が同様に実施され、カソード電極２０が昇温される。ただし、この＜１＞は必須ではない。また、＜１＞において、目標とするカソード電極２０の温度が、通常動作時と異なっていてもよい。

【0056】

また上記＜２＞のうち、（ａ）、（ｂ）が実施され、第１ガス供給管５１がスラスタヘッド１０に作動ガスを供給し、かつ、第２電源４１がキーパー電極３０とカソード電極２０との間に電圧を印加する。その結果、プラズマＰＬが発生する。
なおこのとき、（ｃ）および（ｄ）の両方、または、一方のみを更に実施してもよい。この場合、第２ガス供給管５２がチャンネル１４内に作動ガスを供給したり、チャンネル１４内に磁場が発生したりすることで、プラズマＰＬの発生が更に促進される。

【0057】

ただし、上記通常動作時と異なり、上記＜３＞、＜４＞は実施しない。すなわち、アノード電極３１とカソード電極２０との間への電圧の印加や、キーパー電極３０とカソード電極２０との間への電圧の印加の停止は、実施しない。
このように、推力を必要としない帯電緩和用途（帯電緩和モード）においては、キーパー電極３０とカソード電極２０との間へ通電することで、推力が生じないプラズマＰＬ、言い換えると、帯電緩和に特化したプラズマＰＬが、少ない消費電力によって効率的に生成される。

【0058】

キーパー電極３０とカソード電極２０との間への通電に加えて、加速電圧の制御（例えば、キーパー電極３０とカソード電極２０へ印加する電圧の制御や、アノード電極３１とカソード電極２０へ印加する電圧の制御）により、プラズマＰＬが高速で放出されない。これにより、プラズマＰＬがホールスラスタ１００の周辺に留まるようにしつつ、効率的にプラズマＰＬを生成する。
なおこのとき、上記（ｂ）のようなカソード電極２０の作動（キーパー電極３０とカソード電極２０のとの間の通電）に加えて、上記（ｄ）のような磁場印加が追加されると、カソード電極２０によって生成されるプラズマＰＬが整流される。その結果、推力は実質的に発生しないものの、プラズマＰＬが、ホールスラスタ１００の直近だけでなく遠方まで拡散しやすくなることが期待される。

【0059】

帯電緩和モードでは、第１ガス供給管５１からより多くの作動ガスを噴射することによって、より多くのプラズマＰＬを生成することができる。そのため、本実施形態における第１ガス供給管５１は、単にプラズマＰＬを着火するために用いられる場合の流量よりも多く作動ガスを流せる仕様にしてもよい。

【0060】

本実施形態において、スラスタヘッド１０への作動ガスの供給は、ホールスラスタ１００の構成部品である第１ガス供給管５１又は第２ガス供給管５２からされている。より多くのプラズマＰＬを生成、拡散するために、これに加えて、他のガス供給管や、ホールスラスタ１００とは別系統のケミカルスラスタから作動ガスをスラスタヘッド１０に供給してもよい。例えば、２台以上のホールスラスタ１００が人工衛星Ｓに搭載されている場合であって、１台のホールスラスタ１００が、作動ガスを供給する系統以外の系統で故障したとき、故障しているホールスラスタ１００から作動ガスのみを噴射させ、故障していないホールスラスタ１００におけるプラズマＰＬの生成、拡散を促進させてもよい。

【0061】

以上説明したように、本実施形態に係る帯電緩和装置１１０によれば、ホールスラスタ１００から発生するプラズマＰＬが、複数の物体（対象物Ｄ、人工衛星Ｓ）を覆う。つまり、電気推進機として用いられるホールスラスタ１００を、帯電緩和装置１１０として用いる。これにより、この帯電緩和装置１１０が人工衛星Ｓに搭載された場合において、専用の装置を別途備えることを不要とすることができる。よって、人工衛星Ｓにおける電力リソースを節約したり、質量の増加を回避したり、人工衛星Ｓにおける帯電対策設計を簡素化したりできる。

【0062】

帯電緩和モードでは、アノード電極３１とカソード電極２０との間に電圧を印加せずにキーパー電極３０とカソード電極２０との間に電圧を印加し続けた状態で、ホールスラスタ１００からプラズマＰＬを発生させる。これにより、帯電緩和モードにおける電力を必要最小限にするとともに、推力の発生を抑えることができる。

【0063】

帯電緩和モードでは、複数の物体間の電位差（衛星電位センサＰＳの測定結果）に基づいて、ホールスラスタ１００を制御する。これにより、複数の物体間の電位差に基づいて、ホールスラスタ１００からプラズマＰＬを適切に発生させることができる。

【0064】

帯電緩和モードでは、カソード電極２０とキーパー電極３０との間に電圧を印加しつつ、ホールスラスタ１００に磁場を電磁コイル７０によって印加する。これにより、プラズマＰＬをより効率的に発生させることができる。

【0065】

帯電緩和モードでは、第１ガス供給管５１からホールスラスタ１００に作動ガスを供給する。これにより、例えば、第１ガス供給管５１からの作動ガスの流量を増加させることで、カソード電極２０によって発生するプラズマＰＬの密度を向上させたり、電荷交換イオンの生成を促進したりすることができる。

【0066】

帯電緩和モードでは、第１ガス供給管５１および第２ガス供給管５２の両方から並行してホールスラスタ１００に作動ガスを供給する。これにより、プラズマＰＬをより効率的に発生させることができる。

【0067】

ホールスラスタ１００が人工衛星Ｓに搭載されている。ここで、プラズマＰＬは熱拡散するので、人工衛星Ｓにおけるホールスラスタ１００の搭載位置を考慮せず、ホールスラスタ１００の向きや位置の制約が生じない。

【0068】

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、ホールスラスタ１００を用いて物体間の電位差Ｖａによる放電を回避する方法は、地上において用いてもよい。例えば、半導体製造工程に適用してもよい。また、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）等、電子線やイオンビームを使った分析機器内部における帯電緩和に適用してもよい。
帯電緩和モードにおいて、電磁コイル７０による磁場の印加や、第２ガス供給管５２からの作動ガスの供給はなくてもよく、帯電緩和モードにおけるホールスラスタ１００の消費電力を必要最小限としてもよい。
本実施形態に係る帯電緩和装置１１０はホールスラスタ１００を含むとした。これに限らず、帯電緩和装置１１０は、ホールスラスタ１００に限らずイオンエンジンをはじめとする他の電気推進装置を用いても良い。
また、スラスタヘッド１０から噴射されるプラズマＰＬを中和させる構造として、例えば、電界放出型電子源や熱電子源などを採用してもよい。

【0069】

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0070】

２０ カソード電極
３０ キーパー電極
３１ アノード電極
４０ 第１電源
４１ 第２電源
５１ 第１ガス供給管（第１ガス供給部）
５２ 第２ガス供給管（第２ガス供給部）
１００ ホールスラスタ（電気推進機）
１１０ 帯電緩和装置
Ｄ 対象物（物体）
ＰＬ プラズマ
Ｓ 人工衛星（物体）
Ｖａ 電位差

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】