專利名稱：：霍爾推進器及宇宙航行體及推進方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及霍爾推進器及宇宙航行體及推進方法。本發(fā)明尤其涉及抑制放電振動的霍爾推進器(Hallthruster)。
背景技術：
：作為人造衛(wèi)星或宇宙探測器等宇宙航行體的軌道控制或姿勢控制所使用的電推進機的一種，已知利用等離子體來產生推力的霍爾推進器(參照專利文獻f11)?，F(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻I:日本特開2008-88931號公報專利文獻2:日本特開2007-257842號公報專利文獻3:日本特開2007-250316號公報專利文獻4:日本特開2007-177639號公報專利文獻5:日本特開2007-120424號公報專利文獻6:日本特開2007-23914號公報專利文獻7:日本特開2006-136057號公報專利文獻8:日本特開2006-136056號公報專利文獻9:日本特開2006-125236號公報專利文獻10:日本特開2005-282403號公報專利文獻11:日本特開平5-240143號公報非專利文獻非專利文獻I:Zhurin,V.V.>Kaufman,H.R.以及Robinson,R.S.Physicsofcloseddriftthrusters(閉合漂移推進器的物理)，PlasmaSourcesScienceandTechnology,8(1999)，R1-R20非專利文獻2:荒川義博、小紫公也、平川美晴霍爾推進機(*一力推進機)，日本航空宇宙學會論文集，46(1998)，pp.146-153非專利文獻3Tahara,H.ResearchandDevelopmentofHall-EffectThrustersatOsakaInstituteofTechnology(大阪工業(yè)大學的霍爾效應推進器的研究與開發(fā))，AIAAPaper2008-5086,2008非專利文獻4:Choueiri,E.Y.!FundamentalDifferencebetweentheTwoHallThrusterVariants(兩個霍爾推進器異體之間的根本差別)，PhysicsofPlasmas,8(2001),pp.5025-5033非專利文獻5Garner,C.E.>Brophy,J.R.、Polk,J.E.、Semenkin,S.>Garkusha,V.>Tverdokhlebov,S以及Marrese,C.!ExperimentalEvaluationofRussianAnodeLayerThrusters(俄羅斯陽極層推進器的實驗評價)，AIAAPaper94-3010,1994非專利文獻6:Semenkin，A.、KocherginjA.、GarkushajV.、ChislovjG.以及RusakovjA.RHETT/EPDMFlightAnodeLayerThrustersDevelopment(RHETT/EPDM飛行陽極層推進器開發(fā))，IEPCPaper97-106，1997非專利文獻7:Yamamoto，N.、Komurasaki，K.以及Arakawa，Y.-DischargeCurrentOscillationinHallThrusters(霍爾推進器中的放電電流振蕩)，JournalofPropulsionandPower,21(2005)，pp.870-876非專利文獻8:古川剛、宮坂武志、藤原俊隆影響霍爾推進器的低頻振動控制的推進劑預熱效果實驗(*一>””O(jiān)低周波數(shù)振動制御^及比+推進剤予熱効果実験)，日本航空宇宙學會論文集，50(2002)，pp.325-329非專利文獻9Nejoh,Y.λMarukojY.ΛYamamurajY.以及Tahara，Η.:InvestigationofIonCurrentOscillationsandErosionoftheWallwithCrossfieldIonTransportinHallThrusters(霍爾推進器中的利用交叉場離子傳輸?shù)碾x子電流振蕩和壁的侵蝕的調查)，ISTSPaper2009_b_13，2009非專利文獻10:橫田茂、安井伸輔、熊倉賢、小紫公也、荒川義博陽極層型霍爾推進器內部的鞘構造和放電電流的數(shù)值解析—KX\型才、一>77夕內部O;—7構造七放電電流O數(shù)値解析)，日本航空宇宙學會論文集，54(2006)，pp.39-44非專利文獻11:Boeuf，J.P.和Garrigues，LLowfrequencyoscillationsinastationaryplasmathruster(穩(wěn)態(tài)等離子體推進器中的低頻振蕩)，JournalofAppliedPhysics,84(1998)，pp.3541-3554非專利文獻12ChoueirijE.Y.PlasmaoscillationsinHallthrusters(霍爾推進器中的等離子體振蕩)，PhysicsofPlasmas,8(2001)，pp.1411-1426非專利文獻13:Fife，J.M.、Martinez,S.M.以及Szabo，J.Anumericalstudyoflow-frequencydischargeoscillationsinHallthrusters(霍爾推進器中的低步頁放電振蕩的數(shù)值研究)，AIAAPaper97-3052,1997非專利文獻14:Marchandise，F(xiàn).R.、BironjJ.、Gambon,Μ.、Cornu,N.、Darnon,F.以及Estublier，D.ThePPS1250qualificationdemonstration7500honground,about5000hinflight(PPS1350的地面7500h、飛行大約5000h的資格論證)，IEPCPaper2005-209，2005非專利文獻15Tamida,Τ·、NakagawajΤ·、SugajI.、OsugajH.、OzakijΤ·以及Matsui，K.!Determiningparametersetsforlow-frequency-oscillation-freeoperationofHallthruster(確定霍爾推進器的無低頻振蕩工作的參數(shù)集)，JournalofAppliedPhysics，102(2007)，pp.043304-1-6非專利文獻16:Nagao，N.、YokotajS.、KomurasakijΚ·以及Arakawa，Y.Developmentofatwo-dimensionaldualpendulumthruststandforHallthrusters(用于霍爾推進器的二維雙擺推力試驗臺的開發(fā))，ReviewofScientificInstruments,78(2007)，pp.115108-1-4非專利文獻17:Yamamoto，Ν·、Komurasaki，K.以及Arakawa，Y.ConditionofStableOperationinaHallThruster(霍爾推進器中的穩(wěn)定工作條件)，IEPCPaper2003-086，2003非專利文獻18Kim,V.、Popov,G.、Arkhipov,B.、Murashko,V.、Gorshkov,0.、Koroteyev,A.、Garkusha,V.、Semenkin,A.以及Tverdokhlebov,S.ElectricpropulsionActivityinRussia(俄羅斯的電推進活動)，IEPCPaper2001-005,2001非專利文獻19Semenkin,A.V.、Tverdokhlebov,S.0.,Garkusha,V.I.、Kochergin,A.V.、Chislov,G.0.、Shumkin,B.V.、Solodukhin,A.V.以及Zakharenkov,L.E.OperatingEnvelopesofThrusterswithAnodeLayer(利用陽極層的推進器的工作范圍)，IEPCPaper2001-013，2001非專利文獻20Meezan,N.B.、Hargus,Jr.,ff.Α·以及CappelIi,M.A.AnomalouselectronmobilityinacoaxialHalldischargeplasma(同軸霍爾放電等離子體中的異常電子遷移率)，PhysicalReviewE,63(2001),pp.026410-1-7非專利文獻21:平川美晴、荒川義博使用粒子模型的電推進機等離子體的模擬(粒子f用P亡電気推進機7°9文VQ'>S二>一'>3>)，日本航空宇宙學會論文集，45(1997)，pp.444-452非專利文獻22Baranov,V.、Nazarenko,Y.以及Petrosov,V.AzimuthalNon-uniformitiesinAcceleratorswithClosedElectronDrift(利用閉合電子漂移的加速器中的方位不均勻性)，IEPCPaper2001-018，2001。
發(fā)明內容發(fā)明要解決的課題霍爾推進器(參照非專利文獻f3)是通過磁場對電子的約束來保持電位梯度而進行推進劑的電離和加速的電推進機。在比推力為l，00(T3，000s(秒)時，推進效率高，另外，不受空間電荷限制電流法則所導致的制約，因而與離子推進器相比而推力密度高，實現(xiàn)小型且輕量的推進系統(tǒng)。出于這些特長，作為適合于人造衛(wèi)星的姿勢控制或軌道間轉變等近地任務的推進器而引起注意。其中，陽極層型霍爾推進器(參照非專利文獻4)與現(xiàn)在主流的磁層型相比，實現(xiàn)更高的推力密度，另外，放電室短，離子到壁面的損失少，因而一般認為擁有壁面損耗少這一優(yōu)點(參照非專利文獻5、6)，被期待以提高霍爾推進器的有用性?？墒?，關于陽極層型，在大部分的工作參數(shù)區(qū)域，放電電流以KTlOOkHz(千赫)大幅振動，存在對電源或電路施加高負荷的問題，因而仍未達到實用化。因此，降低陽極層型的放電電流振動是霍爾推進器開發(fā)中的大的課題。至此，面向該放電電流振動現(xiàn)象的闡明和降低方法確立而進了行許多研究(參照非專利文獻疒13)。在陽極層型中，是由于上述理由，而在磁層型中，是由于未定量地明確振動和壁面損耗的關系。近幾年，例如，得到能夠通過減少放電室出口面積來實現(xiàn)振動降低的方針(參照非專利文獻7)。另外，關于磁層型，報告有通過在放電室供給以前將推進劑預熱來降低振動的方法(參照非專利文獻8)。最近報告有，由于長時間工作而產生的壁面損耗導致放電電流振動的大小隨著時間而增大(參照非專利文獻3)。另外，還進行著眼于離子的動作的振動解析的嘗試(參照非專利文獻9)。如果僅限于陽極層型的情況下，則空心陽極的使用(參照非專利文獻6、7、10)是該振動降低對策的最具有代表性的示例，但即使在使用空心陽極的情況下，振動小的工作區(qū)域依然較窄，未達到實用化。本發(fā)明的目的在于，例如，擴大降低霍爾推進器的放電電流振動的工作參數(shù)的區(qū)域寬度。用于解決課題的手段本發(fā)明的一個形態(tài)所涉及的霍爾推進器，包括加速通道，形成有環(huán)狀的放電空間，使流入所述放電空間內的推進劑電離而生成離子，加速并排出所生成的離子；陽極，貫通至所述加速通道的放電空間；分配器，具有沿周方向排列的多個孔，從所述多個孔經由所述陽極、將根據(jù)孔的位置而量不同的推進劑供給至所述加速通道的放電空間，由此，在周方向上，在所述加速通道的放電空間，產生在相鄰的區(qū)域間所述推進劑的流量不同的多個區(qū)域，對于所述加速通道的放電空間內的所述推進劑的流量，將所述推進劑流量多的區(qū)域內的所述推進劑的流量與所述推進劑流量少的區(qū)域內的所述推進劑的流量之差調節(jié)為515%的范圍內。發(fā)明的效果在本發(fā)明的一個形態(tài)中，從設在霍爾推進器的分配器的多個孔經由陽極、將根據(jù)孔的位置而量不同的推進劑供給至所述加速通道的放電空間，從而在周方向上，在所述加速通道的放電空間，產生在相鄰的區(qū)域間推進劑的流量不同的多個區(qū)域。此時，對于所述加速通道的放電空間內的所述推進劑的流量，將所述推進劑流量多的區(qū)域內的所述推進劑的流量與所述推進劑流量少的區(qū)域內的所述推進劑的流量之差調節(jié)為515%的范圍內。由此，所述霍爾推進器的放電電流振動降低。圖I是示出相對于磁通量密度B的陽極層型的工作特性(放電電流Id和振動的大小Δ)變化(mtot=2.73mg/s,Vd=250V,寬度3mm的空心陽極)的圖表。圖2是示出相對于磁通量密度B的陽極層型的工作特性(推進效率nt和推力F)變化(mt(rt=2.73mg/s,Vd=250V,寬度3mm的空心陽極)的圖表。圖3是實施方式I所涉及的霍爾推進器的剖面圖。圖4是實施方式I所涉及的霍爾推進器的分割成4部分的擴散室的立體圖。圖5是使用實施方式I所涉及的霍爾推進器的電路的概略圖。圖6是示出實施方式I所涉及的霍爾推進器的振動的大小Λ(mtot=2.73mg/s,Vd=250V)的圖表。圖7是示出實施方式I所涉及的霍爾推進器的推進效率nt(mtot=2.73mg/s,Vd=250V)的圖表。圖8是示出實施方式I所涉及的霍爾推進器的放電電流Id(mtot=2.73mg/s,Vd=250V)的圖表。圖9是示出實施方式I所涉及的霍爾推進器的推力F(mtot=2.73mg/s，Vd=250V)的圖表。圖10是示出實施方式I所涉及的霍爾推進器的推進劑利用效率nu(mt()t=2.73mg/s,Vd=250V)的圖表。圖11是示出實施方式I所涉及的霍爾推進器的保護環(huán)電流Ig(mtot=2.73mg/s,Vd=250V)的圖表。圖12是示出實施方式I所涉及的霍爾推進器的推進效率Πt和振動的大小Λ的關系(mtQt=2·73mg/s，Vd=250V)的圖表。圖13是示出實施方式I所涉及的霍爾推進器的各流量差中的滿足Λ<O.2的最大效率點性能和包含該點的Λ<0.2區(qū)域的磁通量密度寬度的表。圖14是示出代表性的磁層型(M)和陽極層型(A)的性能的表。圖15是示出實施方式I所涉及的霍爾推進器的電子電流Ie(mtot=2.73mg/s,Vd=250V)的圖表。圖16是實施方式I所涉及的霍爾推進器的周方向密度差造成的電位梯度的概念圖。圖17是示出實施方式I所涉及的霍爾推進器的電子電流和振動的大小Λ的關系(mtQt=2·73mg/s，Vd=250V)的圖表。圖18是實施方式2所涉及的霍爾推進器的剖面圖。圖19是實施方式2所涉及的霍爾推進器的擴散室的立體圖。圖20是實施方式3所涉及的霍爾推進器的剖面圖。附圖標記說明10霍爾推進器；11放電空間；12加速通道；13、13a、13b孔；14陽極；15保護環(huán)；16內部磁極；17外部磁極；18底壁；19鐵芯；20側壁；21螺線管線圈；22、23冷卻部；24加壓室；25推進劑注入部；26、26a、26b端口；27、28分隔板；29真空室；30陰極；31加熱器電源；32保持器電源；33線圈電源；34主放電電源；35離子收集器；36離子收集器電源；37分配器；38外側環(huán)狀壁；39內側環(huán)狀壁；40環(huán)狀空間；41分流流路；42合流部。具體實施例方式以下，使用附圖，對本發(fā)明的實施方式進行說明。實施方式I以下，說明本實施方式的說明所使用的記號。[數(shù)式I]B:磁通量密度E:電場e:基本電荷推力Ib:束電流厶放電電流Ze:向通道流入的電子電流4:向保護環(huán)流動的電流kB:波爾茲曼常數(shù)me:電子質量南每:高密度區(qū)域和低密度區(qū)域的流量差<:陽極總推進劑流量:電子數(shù)密度和中性粒子數(shù)密度r:半徑方向坐標Te電子溫度G:放電電壓Ve電子流速Z:軸方向坐標Z:振動的大小Φ:電位nt、nn:推進效率和推進劑利用效率Ven:電子和中性粒子間碰撞頻率Θ:周方向坐標τ:放電電流的測定時間下標A:高密度區(qū)域B:低密度區(qū)域此外，在文中，將高密度區(qū)域和低密度區(qū)域的流量差標明為Hldif，將陽極總推進劑流量標明為mtQt。陽極層型霍爾推進器的放電特性在工作參數(shù)(磁通量密度B、推進劑流量mt()t、放電電壓Vd)中尤其與磁通量密度B大為相關(參照非專利文獻7、1(Γ12)。圖I和圖2示出施行了空心陽極導致的振動對策的陽極層型霍爾推進器的相對于磁通量密度B的工作特性變化。圖I是示出相對于磁通量密度B(單位mT(毫特斯拉))的陽極層型霍爾推進器的放電電流Id(單位A(安培))和振動的大小Λ的變化的圖表。圖2是示出相對于磁通量密度B的陽極層型霍爾推進器的推進效率nt和推力F(單位mN(毫牛頓))的變化的圖表。陽極總推進劑流量mt()t是2.73mg/s(毫克每秒)，放電電壓Vd是250V(伏)，空心陽極的寬度是3mm(毫米)。在此，振動的大小Λ和推進效率nt由下式定義。[數(shù)式2]權利要求1.一種霍爾推進器，其特征在于，包括加速通道，形成環(huán)狀的放電空間，使流入所述放電空間內的推進劑電離而生成離子，力口速并排出所生成的離子；陽極，貫通至所述加速通道的放電空間；以及分配器，具有沿周方向排列的多個孔，從所述多個孔經由所述陽極將根據(jù)孔的位置而量不同的推進劑供給至所述加速通道的放電空間，由此，在周方向上，在所述加速通道的放電空間，產生在相鄰的區(qū)域間所述推進劑的流量不同的多個區(qū)域，對于所述加速通道的放電空間內的所述推進劑的流量，將所述推進劑流量多的區(qū)域內的所述推進劑的流量與所述推進劑流量少的區(qū)域內的所述推進劑的流量之差調節(jié)為515%的范圍內。2.如權利要求I所述的霍爾推進器，其特征在于，所述多個區(qū)域是2η(η為η彡2的整數(shù))個區(qū)域，對于所述加速通道的放電空間內的所述推進劑，所述分配器將周方向上第奇數(shù)個區(qū)域內的所述推進劑的流量與周方向上第偶數(shù)個區(qū)域內的所述推進劑的流量之差調節(jié)為515%的范圍內。3.如權利要求I所述的霍爾推進器，其特征在于，所述多個區(qū)域是4個區(qū)域，對于所述加速通道的放電空間內的所述推進劑的流量，所述分配器將周方向上第I個和第3個區(qū)域內的所述推進劑的流量與周方向上第2個和第4個區(qū)域內的所述推進劑的流量之差調節(jié)為515%的范圍內。4.如權利要求I所述的霍爾推進器，其特征在于，所述霍爾推進器，還包括加壓室，在周方向上劃分為與所述多個區(qū)域一個一個地相對應的多個區(qū)間，具有針對每個區(qū)間注入所述推進劑的端口；以及推進劑注入部，將所述推進劑注入所述加壓室的端口，針對所述加壓室的每個區(qū)間調節(jié)所述推進劑的注入量，所述分配器，將針對所述加壓室的每個區(qū)間而注入所述加壓室的端口的推進劑從所述多個孔中的通過所述陽極而貫通至與所述加壓室的各區(qū)間相對應的區(qū)域的孔供給至所述加速通道的放電空間。5.如權利要求4所述的霍爾推進器，其特征在于，所述加壓室的多個區(qū)間是2η(η為η彡2的整數(shù))個區(qū)間，對于向所述加壓室的全部端口的所述推進劑的注入量，所述推進劑注入部將配置于所述加壓室的周方向上第奇數(shù)個區(qū)間的端口的所述推進劑的注入量與配置于所述加壓室的周方向上第偶數(shù)個區(qū)間的端口的所述推進劑的注入量之差調節(jié)為515%的范圍內。6.如權利要求4所述的霍爾推進器，其特征在于，所述加壓室在周方向上均等地劃分為所述多個區(qū)間。7.如權利要求I所述的霍爾推進器，其特征在于，所述分配器的多個孔，取決于孔的位置而形狀不同。8.如權利要求7所述的霍爾推進器，其特征在于，所述分配器的多個孔，取決于孔的位置，直徑和長度的至少任一個不同。9.如權利要求7所述的霍爾推進器，其特征在于，所述多個區(qū)域是2η(η為η彡2的整數(shù))個區(qū)域，所述分配器的多個孔形成為，對于全部孔的電導，貫通至周方向上第奇數(shù)個區(qū)域的孔的電導與貫通至周方向上第偶數(shù)個區(qū)域的孔的電導之差成為59Γ15%的范圍內。10.如權利要求I所述的霍爾推進器，其特征在于，所述分配器的多個孔，取決于孔的位置而密度不同。11.如權利要求10所述的霍爾推進器，其特征在于，所述多個區(qū)域是2η(η為η彡2的整數(shù))個區(qū)域，所述分配器的多個孔排列為，對于全部孔的數(shù)量，貫通至周方向上第奇數(shù)個區(qū)域的孔的數(shù)量與貫通至周方向上第偶數(shù)個區(qū)域的孔的數(shù)量之差成為59Γ15%的范圍內。12.如權利要求I所述的霍爾推進器，其特征在于，所述陽極具有外側環(huán)狀壁和內側環(huán)狀壁，從所述分配器豎立設置，隔開形成與所述加速通道的放電空間連通的環(huán)狀空間的間隙而對置配置；以及多個分隔板，在所述外側環(huán)狀壁和所述內側環(huán)狀壁之間從所述分配器豎立設置，將所述環(huán)狀空間在周方向上劃分為與所述多個區(qū)域一個一個地相對應的多個區(qū)間。13.如權利要求I所述的霍爾推進器，其特征在于，所述分配器，對于所述加速通道的放電空間內的所述推進劑的流量，將所述推進劑流量多的區(qū)域內的所述推進劑的流量與所述推進劑流量少的區(qū)域內的所述推進劑的流量之差調節(jié)為10%。14.一種宇宙航行體，其特征在于，搭載有權利要求I所述的霍爾推進器。15.一種推進方法，其特征在于，形成環(huán)狀的放電空間的加速通道使流入所述放電空間內的推進劑電離而生成離子，力口速并排出所生成的離子，具有沿周方向排列的多個孔的分配器，從所述多個孔經由貫通至所述加速通道的放電空間的陽極將根據(jù)孔的位置而量不同的推進劑供給至所述加速通道的放電空間，由此，在周方向上，在所述加速通道的放電空間，產生在相鄰的區(qū)域間所述推進劑的流量不同的多個區(qū)域，對于所述加速通道的放電空間內的所述推進劑的流量，將所述推進劑流量多的區(qū)域內的所述推進劑的流量與所述推進劑流量少的區(qū)域內的所述推進劑的流量之差調節(jié)為515%的范圍內。全文摘要在霍爾推進器(10)中，加速通道(12)使流入環(huán)狀的放電空間(11)內的推進劑電離而生成離子，加速并排出所生成的離子。分配器(37)從沿周方向排列的多個孔(13)經由貫通至加速通道(12)的放電空間(11)的陽極(14)、將根據(jù)孔(13)的位置而量不同的推進劑供給至加速通道(12)的放電空間(11)，由此，在周方向上，在加速通道(12)的放電空間(11)，產生在相鄰的區(qū)域間推進劑的流量不同的多個區(qū)域。此時，對于加速通道(12)的放電空間(11)內的推進劑的流量，分配器(37)將推進劑流量多的區(qū)域內的推進劑的流量與推進劑流量少的區(qū)域內的推進劑的流量之差調節(jié)為5~15%的范圍內。由此，降低霍爾推進器(10)的放電電流振動的工作參數(shù)的區(qū)域寬度擴大。文檔編號F03H1/00GK102782320SQ20108006499公開日2012年11月14日申請日期2010年3月1日優(yōu)先權日2010年3月1日發(fā)明者小紫公也,尾崎敏之申請人:三菱電機株式會社