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JP7804151B2 - Metallic plasma thruster and control circuit for satellites - Google Patents
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JP7804151B2 - Metallic plasma thruster and control circuit for satellites - Google Patents

Metallic plasma thruster and control circuit for satellites

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JP7804151B2
JP7804151B2 JP2025522204A JP2025522204A JP7804151B2 JP 7804151 B2 JP7804151 B2 JP 7804151B2 JP 2025522204 A JP2025522204 A JP 2025522204A JP 2025522204 A JP2025522204 A JP 2025522204A JP 7804151 B2 JP7804151 B2 JP 7804151B2
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Description

本開示は、衛星において使用するためのプラズマスラスタに関する。詳細には、本開示は、一連のプラズマ発生サイクルを介してパルス推力を発生させる金属プラズマスラスタ(MPT)に関する。 This disclosure relates to plasma thrusters for use on satellites. In particular, this disclosure relates to metal plasma thrusters (MPTs) that generate pulsed thrust through a series of plasma generation cycles.

今後の10年間で、低軌道(LEO)内に打ち上げられる小型衛星の数が劇的に増加することが予想されている。これらの衛星は、質量的に1kg未満のピコ衛星およびフェムト衛星から、最大でナノ衛星(1kg~10kg)およびマイクロ衛星(10kg~100kg)にまで及ぶ。低質量のピコ衛星およびフェムト衛星では、有用な宇宙空間内推進力を生成することが困難となる。なぜならば、小さな操縦に対しても必要となる燃料の質量が衛星の質量を超過してしまうからである。例えば小型衛星(100kg~500kg)などのより大型の衛星およびさらに大型の衛星は、化学ロケット(ヒドラジン燃料、Busek社製)、電熱アークジェット(Aerojet社製)、または例えばホールスラスタおよびイオンエンジン(Busek社製)などの電気推進スラスタなどの、十分な試験を経た幅広い宇宙推進システムを利用することが可能である。 Over the next decade, the number of small satellites launched into low Earth orbit (LEO) is expected to increase dramatically. These satellites range in mass from pico- and femto-satellites, weighing less than 1 kg, to nano-satellites (1 kg-10 kg) and micro-satellites (10 kg-100 kg). Generating useful in-space propulsion is challenging for low-mass pico- and femto-satellites because the mass of the fuel required for even small maneuvers exceeds the mass of the satellite. Larger satellites, such as micro-satellites (100 kg-500 kg), and even larger satellites, can utilize a wide range of well-tested space propulsion systems, including chemical rockets (hydrazine fuel, Busek), electrothermal arcjets (Aerojet), or electric propulsion thrusters, such as Hall thrusters and ion engines (Busek).

数千機ものナノ衛星およびマイクロ衛星が低軌道(LEO)に投入されることにより、農作物および災害管理を目的とした地球の撮像からインターネットサービス提供に至るまで複数の役割を果たすことが予想されている。これらの衛星は、軌道保持、姿勢調節、または軌道制御のための搭載推進系を必要とする。電気推進系は、化学推進系に比べて燃料効率がより高いが、これらの衛星によって課される低質量および小サイズという制約に準じるためには、新形態の電気推進系が必要となる。例えばXeイオンエンジンおよびホールスラスタなどの既存の電気推進エンジンを約1W~10Wの出力レベルにまでスケールダウンすることは、現実的ではない。Xeイオンエンジンにおける推進剤貯蔵タンク、流量制御装置、および配管の不可避である付帯質量と、ホールスラスタにおける小型化に伴う磁場の増大とにより、ホールスラスタの全体効率は、これらの出力レベルにおいては許容できないほど低下する。 Thousands of nano- and micro-satellites are expected to be deployed into low Earth orbit (LEO) to perform multiple roles, from imaging the Earth for agricultural and disaster management purposes to providing internet services. These satellites require onboard propulsion systems for stationkeeping, attitude control, or orbital maneuvering. While electric propulsion systems are more fuel-efficient than chemical propulsion systems, new forms of electric propulsion are required to meet the low mass and small size constraints imposed by these satellites. Scaling down existing electric propulsion engines, such as Xe ion engines and Hall thrusters, to power levels of approximately 1 W to 10 W is impractical. The unavoidable additional mass of propellant storage tanks, flow control devices, and piping in Xe ion engines, along with the increased magnetic field associated with miniaturization in Hall thrusters, unacceptably reduces the overall efficiency of Hall thrusters at these power levels.

先行技術のプラズマスラスタの1つのタイプとして、PTFEパルスプラズマスラスタ(PPT)が知られている。このPTFEパルスプラズマスラスタは、PTFEが2つの電極間に位置決めされ、プラズマがこれらの電極間において発生し、PTFEが一連の高速プラズマ噴射において消費され、この噴射により所望の推力が発生するという構成において、PTFE推進剤を使用する。PTFEの難点は、プラズマが電気絶縁性であるPTFEにわたって発生するため、高い開始電圧を発生させることが必要となり、したがって典型的なエネルギー貯蔵デバイスが、放電サイクルごとに約2kVまで充電される高電圧コンデンサとなる点である。これに加えて、先行技術のPPTは、放電を開始するために点火プラグトリガーをさらに必要とする。この点火プラグトリガーは、プラズマが絶縁性のPTFE推進剤に対して発生するため、典型的には5kV~10kVであるさらに高い電圧へと充電される。PPTは、このように高電圧構成要素を使用するが、このような高電圧構成要素は、事前に金属化されたフィルム表面上にプラズマを形成する代替的な低電圧スラスタにおいて必要とされるものよりも大きい絶縁ギャップをスラスタアセンブリにおいて必要とする。推力を生成するPPTからのプラズマは、炭素イオンおよびフッ素イオンから構成される。そのため、この炭素/フッ素プラズマの排気速度は、5km/s~6km/sの範囲内となり、これは、8km/s~20km/sの範囲内となり得る他の代替的なスラスタタイプとは対照的な比較的低い排気速度となる。宇宙でのミッションを達成するために必要とされる推進剤の量は、排気速度に対して指数関数的に依存する。したがって、先行技術のPPTの排気速度は比較的低いため、あまり望ましいオプションではない。 One type of prior art plasma thruster is known as the PTFE pulsed plasma thruster (PPT). This PTFE pulsed plasma thruster uses PTFE propellant in a configuration in which the PTFE is positioned between two electrodes, a plasma is generated between the electrodes, and the PTFE is consumed in a series of high-velocity plasma jets that generate the desired thrust. A drawback of PTFE is that the plasma is generated across the electrically insulating PTFE, necessitating the generation of a high initiation voltage; therefore, a typical energy storage device is a high-voltage capacitor that is charged to approximately 2 kV per discharge cycle. Additionally, prior art PPTs require a spark plug trigger to initiate the discharge. This spark plug trigger is charged to an even higher voltage, typically 5 kV to 10 kV, because the plasma is generated against the insulating PTFE propellant. PPTs thus use high-voltage components that require a larger insulating gap in the thruster assembly than is required in alternative low-voltage thrusters that form plasma on a pre-metallized film surface. The thrust-generating plasma from a PPT is composed of carbon and fluorine ions. As such, the exhaust velocity of this carbon/fluorine plasma is in the range of 5 km/s to 6 km/s, a relatively low exhaust velocity in contrast to other alternative thruster types, which can be in the range of 8 km/s to 20 km/s. The amount of propellant required to accomplish a space mission is exponentially dependent on the exhaust velocity. Therefore, the relatively low exhaust velocity of prior art PPTs makes them a less desirable option.

もう1つのタイプのスラスタは、真空アークスラスタ(VAT)である。これは、非常に薄い堆積金属層で被覆された絶縁体との組合せにおいて2つの電極を使用する。先行技術のVATは、この絶縁体にわたって放電プラズマを生じさせるためにインダクタに貯蔵されたエネルギーに依存し、その結果として金属の気化とそれに対応した推力とがもたらされる。先行技術のVATにおいては、最初に、インダクタがスイッチを介して第1の電流閾値まで充電され、これによりスイッチの開動作がトリガーされる。スイッチが開くと、誘導エネルギーが放出され、誘導電圧ピークLdI/dtが生じる。この誘導電圧ピークLdI/dtは、アノード電極とカソード電極との間に位置決めされた絶縁セパレータの表面に対して塗布された薄い導電性表面の破断部により形成されたマイクロギャップを横断するマイクロプラズマを最初に形成することによってプラズマアークを発生させる。複数の初期マイクロプラズマ部位は、主要なプラズマ放電の開始を支援する。これらのマイクロプラズマは、周囲空間内に広がり、初期の薄膜表面放電経路よりも抵抗の低いプラズマ放電経路(数百mΩ)に沿ってカソードからアノードへと直接的に電流が流れるのを可能にする。ソリッドステートスイッチが能動的に開かれる前にそのソリッドステートスイッチを流れていた電流(約100μs~500μsの間)は、真空アーク負荷へと完全に切り替えられる。典型的な電流である約100A(約100μs~500μsの間)が、約25V~30Vの電圧で伝導される。結果として、インダクタ内に貯蔵される磁気エネルギーの大半が、プラズマパルスに変換される。このVATの欠点は、充電サイクルの最中に貯蔵インダクタとIRスイッチ損失とにより散逸されるエネルギーである。インダクタに貯蔵されるエネルギーが増加していくこの段階の最中に、電流は、インダクタおよびスイッチを通り流れるが、アーク放電には流れない。なぜならば、アークをトリガーするために必要な電圧は、スイッチが開かれた後にのみ生成されるからである。インダクタおよびスイッチはいずれも散逸素子であり、したがって、各サイクルにおけるエネルギーの一部分はこれらの素子において熱として散逸する。VATのもう1つの欠点は、カソードから放出された金属が絶縁層上に再堆積する点である。ある先行技術のVATジオメトリは、アノードおよびカソードを平行電極プレートとして共に配置することに依拠するものであり、これらの電極プレートは、非推力方向に絶縁体を越えて延在することによりそれらの領域におけるプラズマ形成を防止する。しかし、この構造のデバイスは、アークの開始時にインダクタが気化し得る量を超過する膜の再堆積が生じるまでのサイクル寿命が、望ましい長さよりも短い。最終的には、これにより、デバイスが実現し得る推力サイクル数が限定される。さらに、カソード電極の消耗により、使用可能な放電回数を短くする非対称性が生じる。もう1つの先行技術のVATジオメトリは、アノード/カソード対として機能する一連のリング電極を有する。この構成は、本出願人による米国特許第7,518,085号に記載されているように、エネルギー貯蔵インダクタをエネルギー貯蔵および粒子方向転換の組合せ構造として使用して、放出されるイオンを所望の推力方向に対して垂直方向へと方向転換させることが必要であり、放出されるこのイオンは、貯蔵インダクタの軸方向磁場と外部カソードとによって誘導される。 Another type of thruster is the vacuum arc thruster (VAT), which uses two electrodes in combination with an insulator coated with a very thin deposited metal layer. Prior art VATs rely on energy stored in an inductor to generate a discharge plasma across the insulator, resulting in metal vaporization and corresponding thrust. In prior art VATs, the inductor is first charged to a first current threshold through a switch, triggering the switch's opening. When the switch opens, inductive energy is released, creating an induced voltage peak LdI/dt. This induced voltage peak LdI/dt generates a plasma arc by initially forming microplasmas across a microgap formed by a break in a thin conductive surface applied to the surface of an insulating separator positioned between the anode and cathode electrodes. Multiple initial microplasma sites assist in the initiation of the main plasma discharge. These microplasmas spread into the surrounding space, allowing current to flow directly from the cathode to the anode along a plasma discharge path with lower resistance (hundreds of milliohms) than the initial thin-film surface discharge path. The current flowing through the solid-state switch before it is actively opened (between approximately 100 μs and 500 μs) is completely switched to the vacuum arc load. A typical current of approximately 100 A (between approximately 100 μs and 500 μs) is conducted at a voltage of approximately 25 V to 30 V. As a result, most of the magnetic energy stored in the inductor is converted into a plasma pulse. A drawback of this VAT is the energy dissipated during the charging cycle through the storage inductor and I 2 R switch losses. During this phase of increasing energy stored in the inductor, current flows through the inductor and switch but not into the arc discharge because the voltage required to trigger the arc is generated only after the switch is opened. Both the inductor and the switch are dissipative elements, and therefore a portion of the energy during each cycle is dissipated as heat in these elements. Another drawback of the VAT is the redeposition of metal ejected from the cathode onto the insulating layer. One prior art VAT geometry relies on arranging the anode and cathode together as parallel electrode plates that extend beyond the insulator in the non-thrust direction to prevent plasma formation in those regions. However, devices with this configuration have a shorter-than-desirable cycle life before film redeposition occurs, exceeding the amount that the inductor can vaporize at arc initiation. Ultimately, this limits the number of thrust cycles the device can achieve. Furthermore, wear on the cathode electrode creates an asymmetry that reduces the number of usable discharges. Another prior art VAT geometry has a series of ring electrodes that function as an anode/cathode pair. This configuration, as described in commonly owned U.S. Patent No. 7,518,085, requires the use of an energy storage inductor as a combined energy storage and particle redirection structure to redirect emitted ions perpendicular to the desired thrust direction, which are guided by the axial magnetic field of the storage inductor and an external cathode.

異なる分野の先行技術のプラズマスラスタに、電界放出電気推進(FEEP)デバイスがある。このデバイスは、ニードル電極からイオンを連続流として放出する。FEEP内のイオンは、受動タンク内に貯蔵された非毒性の液体塩から供給される。この液体は、毛管作用により電極先端部に沿って吸い上げられる。この塩は、数百ダルトンの範囲の質量を有する正イオンおよび負イオンの両方から構成され得る。抽出電位の極性を周期的に変化させることにより、正イオンおよび負イオンが抽出され、それによりスラスタから放出される電荷中性イオンビームが形成される。正イオンのみが、塩を含むイオンから抽出される場合には、別個の電子銃がビームを中和するために必要になる。なぜならば、別個の電子銃がない場合には、イオンの放出によって宇宙船が負電位を帯び、さらにこれによりイオンが宇宙船へと引き戻され、その結果として推力がまったく得られなくなるからである。これらのFEEPスラスタの基礎となる従来の集束イオンビーム(FIB)源は、約1mmのギャップに対して約10kVの電位を使用する。FEEPスラスタの場合には、この電位はさらに低く(約1kV)、したがってこれらのギャップはさらに小さい(約100μm)ものでなければならない。このデバイスにおける電極同士の間のギャップが狭いことと高電界とにより、確実に同調的に動作する数百万個のエミッタを製造するという課題が生じ、その結果として信頼性および製造性の問題が生じる。 A different type of prior art plasma thruster is the field emission electric propulsion (FEEP) device, which ejects ions as a continuous stream from a needle electrode. The ions in the FEEP are supplied by a non-toxic liquid salt stored in a passive tank. The liquid is wicked along the electrode tip by capillary action. The salt can be composed of both positive and negative ions with masses in the range of several hundred daltons. By periodically changing the polarity of an extraction potential, positive and negative ions are extracted, forming a charge-neutral ion beam that is ejected from the thruster. If only positive ions are extracted from the salt-containing ions, a separate electron gun is required to neutralize the beam. Without a separate electron gun, the ejection of ions would cause the spacecraft to assume a negative potential, which would in turn pull the ions back toward the spacecraft, resulting in no thrust. The conventional focused ion beam (FIB) source on which these FEEP thrusters are based uses a potential of approximately 10 kV across a gap of approximately 1 mm. In the case of a FEEP thruster, this potential is even lower (approximately 1 kV), and therefore these gaps must be even smaller (approximately 100 μm). The narrow gaps and high electric fields between the electrodes in this device create challenges in manufacturing millions of emitters that operate reliably in sync, resulting in reliability and manufacturability issues.

米国特許第7,518,085号U.S. Patent No. 7,518,085

PPTにおける場合よりも高い放出速度のイオンで動作し、先行技術のVATよりも信頼性および寿命が改善され、FEEPスラスタよりも製造が簡単であり動作信頼性が高い構成要素を用いた、改良されたプラズマスラスタを提供することが望ましい。 It would be desirable to provide an improved plasma thruster that operates with ions at higher ejection velocities than those found in PPTs, has improved reliability and lifetime over prior art VATs, and uses components that are simpler to manufacture and more operationally reliable than FEEP thrusters.

一実施形態では、本開示は、金属プラズマスラスタに関し、この金属プラズマスラスタは、多孔質アノードと、内方トリガー電極と、内方トリガー電極を囲み導電性コーティングを有する内方絶縁体であって、導電性コーティングがマイクロギャップを有し、導電性コーティングが内方トリガー電極と接触状態にある、内方絶縁体と、内方絶縁体を囲む金属カソードであって、ある範囲およびアノードに対して露出された面を有する、金属カソードと、金属カソードを囲む外方絶縁体であって、外方絶縁体が導電性コーティングを有し、導電性コーティングがマイクロギャップを有する、外方絶縁体と、外方絶縁体の導電性コーティングがと接触状態にある外方トリガー電極とを備え、金属カソードは、終端部と、多孔質アノードに対して露出された面とを有し、内方絶縁体は、終端部から金属カソードの範囲よりも小さい範囲を有し、外方絶縁体の導電性コーティングは、カソード面から金属カソードの範囲よりも小さい範囲を有し、金属カソード面は、正方形、矩形、または円形であり、外方トリガー電極は、金属カソードと共に始動プラズマを形成するための1つまたは複数の導電性領域を有する。 In one embodiment, the present disclosure relates to a metal plasma thruster comprising a porous anode, an inner trigger electrode, an inner insulator surrounding the inner trigger electrode and having a conductive coating, the conductive coating having a microgap, the conductive coating being in contact with the inner trigger electrode, a metal cathode surrounding the inner insulator, the metal cathode having an area and a surface exposed to the anode, and an outer insulator surrounding the metal cathode, the outer insulator having a conductive coating, the conductive coating The porous anode includes an outer insulator having a microgap therebetween, and an outer trigger electrode in contact with the conductive coating of the outer insulator. The metal cathode has an end and a surface exposed to the porous anode. The inner insulator has an area from the end smaller than that of the metal cathode. The conductive coating of the outer insulator has an area from the cathode surface smaller than that of the metal cathode. The metal cathode surface is square, rectangular, or circular. The outer trigger electrode has one or more conductive regions for forming a starting plasma with the metal cathode.

別の実施形態では、本開示は、金属プラズマスラスタに関し、この金属プラズマスラスタは、多孔質アノードと、金属カソードと、金属カソードを囲む外方絶縁体であって、外方絶縁体が導電性コーティングを有し、導電性コーティングがマイクロギャップを有する外方絶縁体と、外方絶縁体の導電性コーティングと接触状態にある外方トリガー電極であって、金属カソードが終端部および多孔質アノードに対して露出された面を有する、外方トリガー電極とを備え、金属カソードの面は、正方形、矩形、または円形であり、外方トリガー電極は、金属カソードと共に始動プラズマを形成するための1つまたは複数の導電性領域を有する。 In another embodiment, the present disclosure relates to a metal plasma thruster comprising a porous anode, a metal cathode, an outer insulator surrounding the metal cathode, the outer insulator having a conductive coating, the conductive coating having a microgap, and an outer trigger electrode in contact with the conductive coating of the outer insulator, the metal cathode having an end portion and a surface exposed to the porous anode, the surface of the metal cathode being square, rectangular, or circular, and the outer trigger electrode having one or more conductive regions for forming a starting plasma with the metal cathode.

さらに別の実装形態では、本開示は、金属プラズマスラスタに関し、この金属プラズマスラスタは、内方トリガー電極と、内方トリガー電極を囲む内方絶縁体と、面を有するカソード電極であって、内方絶縁体を囲むカソード電極と、カソード電極を囲む外方絶縁体と、外方絶縁体を囲み、中央カソード電極面および外方絶縁体と実質的に連続する面を有する、外方トリガー電極であって、外方絶縁体の表面がカソード電極の面に対するプラズマ形成表面を提供し、内方絶縁体または外方絶縁体のうちの少なくとも一方が、中央カソード電極面と同一平面をなす第1の表面を有し、第1の表面の近位に位置し、中央カソード面から放出される物質の再堆積から遮蔽される第2の表面を有する、外方トリガー電極と、カソード面の反対側に位置決めされた多孔質アノードとを備える。 In yet another implementation, the present disclosure relates to a metal plasma thruster comprising: an inner trigger electrode; an inner insulator surrounding the inner trigger electrode; a cathode electrode having a surface, the cathode electrode surrounding the inner insulator; an outer insulator surrounding the cathode electrode; an outer trigger electrode surrounding the outer insulator and having a surface substantially continuous with the central cathode electrode surface and the outer insulator, the surface of the outer insulator providing a plasma-forming surface for the cathode electrode surface; and a porous anode positioned opposite the cathode surface.

さらに別の実装形態では、本開示は、金属プラズマスラスタに関し、この金属プラズマスラスタは、面を有する内方トリガー電極と、内方トリガー電極を囲む内方絶縁体と、内方絶縁体を囲むカソード電極と、カソード電極を囲む外方絶縁体と、面を有する外方トリガー電極であって、内方絶縁体または外方絶縁体のうちの少なくとも一方が、カソード電極面に対して平行な第1の表面を有し、内方絶縁体または外方絶縁体が、カソード電極面から放出された材料の再堆積が遮蔽される少なくとも1つの第2の表面を有する、外方トリガー電極と、カソード電極面の反対側に位置決めされた多孔質アノード電極とを備える。 In yet another implementation, the present disclosure relates to a metal plasma thruster comprising: an inner trigger electrode having a surface; an inner insulator surrounding the inner trigger electrode; a cathode electrode surrounding the inner insulator; an outer insulator surrounding the cathode electrode; an outer trigger electrode having a surface, wherein at least one of the inner insulator or the outer insulator has a first surface parallel to the cathode electrode surface and the inner insulator or the outer insulator has at least one second surface that shields against redeposition of material ejected from the cathode electrode surface; and a porous anode electrode positioned opposite the cathode electrode surface.

さらに別の実施形態では、本開示は、アノード出力、基準出力、およびトリガー出力を有する金属プラズマスラスタ(MPT)のための電源に関する。この電源は、充電源に対して結合され、基準出力に対して接続され、電圧端子を有する第1のコンデンサと、アノード出力とコンデンサ電圧端子との間に位置決めされたインダクタと、アノード出力と基準出力との間に位置決めされたスイッチ素子と、アノード出力とトリガー出力との間に配置された第2のコンデンサと、第1のコンデンサが閾値電圧に到達するまで充電期間の最中にスイッチを開状態に維持する、または代替的には推力イベントが必要とされるまで第1のコンデンサを閾値電圧に維持するコントローラとを備え、このコントローラは、後でスイッチが開いたときにトリガーアークを形成するために必要となる電流がインダクタにより発生されるために十分な期間にわたってその後スイッチを閉じ、このトリガーアークは、トリガー出力に対して接続されたトリガー電極と基準出力に対して接続されたカソードとの間に形成され、その後、トリガーアークは、基準出力に対して接続されたカソードとアノード出力に対して接続されたアノードとの間においてプラズマ形成を生じさせる。 In yet another embodiment, the present disclosure relates to a power supply for a metal plasma thruster (MPT) having an anode output, a reference output, and a trigger output. The power supply includes: a first capacitor coupled to a charging source and connected to the reference output and having a voltage terminal; an inductor positioned between the anode output and the capacitor voltage terminal; a switch element positioned between the anode output and the reference output; a second capacitor disposed between the anode output and the trigger output; and a controller that maintains the switch open during a charging period until the first capacitor reaches a threshold voltage, or alternatively, maintains the first capacitor at the threshold voltage until a thrust event is required. The controller then closes the switch for a period sufficient to allow the inductor to generate a current necessary to form a trigger arc when the switch is later opened. The trigger arc is formed between a trigger electrode connected to the trigger output and a cathode connected to the reference output. The trigger arc then causes plasma formation between the cathode connected to the reference output and an anode connected to the anode output.

本開示の一例では、金属プラズマスラスタ(MPT)が、内側絶縁トリガープラズマイニシエータにより囲まれた内方トリガー電極を有し、この内側絶縁イニシエータは、マイクロギャップを有する導電性表面を有する絶縁体を備え、カソード電極に囲まれる。このカソード電極は、マイクロギャップを有する導電性表面を有する絶縁体を備える外方絶縁イニシエータに囲まれ、この外方絶縁イニシエータは、外方トリガー電極に囲まれる。一例の構成では、多孔質アノード電極が、カソードの面から離間距離をおいて位置決めされる。 In one example of the present disclosure, a metal plasma thruster (MPT) has an inner trigger electrode surrounded by an inner insulated trigger plasma initiator, which comprises an insulator having a conductive surface with a microgap and is surrounded by a cathode electrode. The cathode electrode is surrounded by an outer insulated initiator, which comprises an insulator having a conductive surface with a microgap, and the outer insulated initiator is surrounded by an outer trigger electrode. In one example configuration, a porous anode electrode is positioned a spaced distance from the surface of the cathode.

もう1つの例の構成では、スラスタは、内方絶縁体および内方トリガー電極の処理面上においてまたは外方絶縁体および外方トリガー電極の処理面上においてプラズマを発生させる面を有するカソード電極を有する。内方トリガー電極または外方トリガー電極は、それぞれ内方絶縁体または外方絶縁体の上においてプラズマを発生させる。プラズマがカソードの面の付近において生成されると、非常に長い推力サイクルが開始され、プラズマが、カソード面と多孔質アノードとの間に生成され、プラズマの金属イオンが、流体力学的に加速され多孔質アノードを通過することにより、推力サイクルが発生する。衛星において使用するためには、複数のスラスタがキューブの上に位置決めされることにより、推力印加が3軸制御において実現される。 In another example configuration, the thruster has a cathode electrode with a surface that generates plasma on the processing surface of the inner insulator and inner trigger electrode or on the processing surface of the outer insulator and outer trigger electrode. The inner or outer trigger electrode generates plasma on the inner or outer insulator, respectively. When plasma is generated near the cathode surface, a very long thrust cycle is initiated, where plasma is generated between the cathode surface and a porous anode, and metal ions of the plasma are hydrodynamically accelerated through the porous anode, generating the thrust cycle. For use on a satellite, multiple thrusters are positioned on a cube to achieve three-axis thrust application.

高電圧トリガーを必要とし低速推進剤を放出する先行技術のPTFE PPTと、または貯蔵エネルギーの約25%~50%が失われる充電サイクルを伴う貯蔵インダクタを必要とするVATと比較した場合に、本開示の金属プラズマのエネルギー効率がはるかにより高い点に本発明者らは気づいた。本MPTは、アーク放電時間(約3ms~6ms)と比較した場合に非常に短い時間(100μs未満)にわたりインダクタを充電する。これは、MPT貯蔵コンデンサに貯蔵された電荷の5%未満が、スイッチ開かれる時点まで放電され、それにより95%超の電荷がアーク放電プラズマ中に流れ込むことが可能となるため、推力に寄与することを意味する。対照的に、VATは、放電前の電流がその最大値に達した後にスイッチが開かれることを必要とするため、その結果として貯蔵電荷の50%未満がアーク中に流れ込む。 The inventors have realized that the disclosed metal plasma is much more energy efficient when compared to prior art PTFE PPTs, which require a high-voltage trigger and release a slow propellant, or VATs, which require a storage inductor with a charging cycle in which approximately 25% to 50% of the stored energy is lost. The present MPT charges the inductor over a very short time (less than 100 μs) compared to the arc discharge time (approximately 3 ms to 6 ms). This means that less than 5% of the charge stored in the MPT storage capacitor is discharged by the time the switch is opened, allowing more than 95% of the charge to flow into the arc discharge plasma and contribute to thrust. In contrast, VATs require the switch to be opened after the pre-discharge current has reached its maximum value, resulting in less than 50% of the stored charge flowing into the arc.

本開示の別の例では、電源が、金属プラズマスラスタのカソード、トリガー、およびアノードに対してそれぞれ接続するための、グランド基準、トリガー出力、およびアノード出力を有する。この電源は、可変的な貯蔵コンデンサ充電時間と可変的な誘導スイッチ時間とを実現するコントローラを有する。電源およびコントローラは、金属プラズマスラスタから推力イベントを発生させるように動作し、電源は、一方の端子が充電源に対して接続され、他方の端子がグランド基準に対して接続された、第1の貯蔵コンデンサを有する。インダクタが、第1のコンデンサ充電源端子とアノード出力との間に位置決めされる。第2のコンデンサが、アノード出力から電源のトリガー出力へと結合される。プラズマスラスタのトリガー電極は、プラズマアークを始動させるのに十分なだけカソード電極に対して近傍に位置する。アノード出力および基準出力は、コントローラにより作動されるスイッチ素子によって定期的に共に接続される。コントローラは、第1のコンデンサが閾値電圧まで充電されるおよび/または推力サイクルイベントが必要とされるまで、スイッチ素子を開状態に維持し、その後、スイッチが開いた場合にLdI/dt電圧スパイクによりMPTトリガー電極とカソード電極との間にアークが発生するのに十分な電流をインダクタがインダクタを介して充電するために、十分な時間区間にわたりスイッチを閉じるように動作する。このスイッチは、推力サイクルの期間にわたり開状態を維持し、その間にプラズマは、トリガー電極とカソード電極との間からカソード電極とアノード電極の間へと移行し、それによって推力サイクルを通じて推力が発生する。この推力発生は、電流がプラズマを維持するのに不十分な高さになるまで続き、不十分な高さになった時点にて、第1のコンデンサの充電、スイッチ閉鎖、スイッチ開放、および推力サイクルが繰り返される。各サイクルは、パルス推力イベントの発生を結果としてもたらす。 In another example of the present disclosure, a power supply has a ground reference, a trigger output, and an anode output for connection to the cathode, trigger, and anode of a metal plasma thruster, respectively. The power supply has a controller that implements a variable storage capacitor charging time and a variable inductive switch time. The power supply and controller operate to generate a thrust event from the metal plasma thruster, and the power supply has a first storage capacitor with one terminal connected to a charging source and the other terminal connected to a ground reference. An inductor is positioned between the first capacitor charging source terminal and the anode output. A second capacitor is coupled from the anode output to a trigger output of the power supply. The trigger electrode of the plasma thruster is located sufficiently close to the cathode electrode to initiate a plasma arc. The anode output and the reference output are periodically connected together by a switch element operated by the controller. The controller operates to maintain the switch element in an open state until the first capacitor is charged to a threshold voltage and/or a thrust cycle event is required, and then closes the switch for a sufficient period of time to allow the inductor to charge a current sufficient to cause an LdI/dt voltage spike to arc between the MPT trigger electrode and the cathode electrode when the switch is opened. The switch remains open for the duration of the thrust cycle, during which the plasma transitions from between the trigger electrode and the cathode electrode to between the cathode electrode and the anode electrode, thereby generating thrust through the thrust cycle. This thrust generation continues until the current is insufficient to sustain the plasma, at which point the charging of the first capacitor, switch closure, switch opening, and thrust cycle are repeated. Each cycle results in the generation of a pulsed thrust event.

軸方向トリガー電極を有する金属プラズマスラスタの正面図である。FIG. 1 is a front view of a metal plasma thruster with an axial trigger electrode. トリガーサイクルの最中の金属プラズマスラスタの側方断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional side view of a metal plasma thruster during a trigger cycle. 推力サイクルの最中の金属プラズマスラスタの側方断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional side view of a metal plasma thruster during a thrust cycle. 周方向トリガー電極を有する金属プラズマスラスタの正面図である。FIG. 1 is a front view of a metal plasma thruster with a circumferential trigger electrode. トリガーサイクルの最中の金属プラズマスラスタの側方断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional side view of a metal plasma thruster during a trigger cycle. 推力サイクルの最中の金属プラズマスラスタの側方断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional side view of a metal plasma thruster during a thrust cycle. プラズマスラスタのための電源およびコントローラを示す図である。FIG. 1 illustrates a power supply and controller for a plasma thruster. 軸方向トリガースラスタのための絶縁体の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of an insulator for an axial trigger thruster. 図3を詳細に示すための絶縁体の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an insulator for illustrating the details of FIG. 3 . 図3を詳細に示すための絶縁体の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an insulator for illustrating the details of FIG. 3 . 図3を詳細に示すための絶縁体の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an insulator for illustrating the details of FIG. 3 . 図3を詳細に示すための絶縁体の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an insulator for illustrating the details of FIG. 3 . 図3を詳細に示すための絶縁体の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an insulator for illustrating the details of FIG. 3 . 図3を詳細に示すための絶縁体の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an insulator for illustrating the details of FIG. 3 . 図3を詳細に示すための絶縁体の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an insulator for illustrating the details of FIG. 3 . 図3を詳細に示すための絶縁体の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an insulator for illustrating the details of FIG. 3 . 図3を詳細に示すための絶縁体の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an insulator for illustrating the details of FIG. 3 . 周方向トリガースラスタのための絶縁体の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of an insulator for a circumferential trigger thruster. 図4の詳細図である。FIG. 5 is a detailed view of FIG. 4. 図4の詳細図である。FIG. 5 is a detailed view of FIG. 4. 図4の詳細図である。FIG. 5 is a detailed view of FIG. 4. 図4の詳細図である。FIG. 5 is a detailed view of FIG. 4. 図4の詳細図である。FIG. 5 is a detailed view of FIG. 4. 図4の詳細図である。FIG. 5 is a detailed view of FIG. 4. 図4の詳細図である。FIG. 5 is a detailed view of FIG. 4. 図4の詳細図である。FIG. 5 is a detailed view of FIG. 4. 図4の詳細図である。FIG. 5 is a detailed view of FIG. 4. 図4の詳細図である。FIG. 5 is a detailed view of FIG. 4. プラズマスラスタの動作に関する概略波形図である。FIG. 2 is a schematic waveform diagram relating to the operation of a plasma thruster. 推力サイクルにおけるアノード電流およびアノード電圧のグラフである。1 is a graph of anode current and anode voltage during a thrust cycle. トリガーサイクルから推力サイクルまでのプラズマスラスタの動作に関するグラフである。1 is a graph of the operation of a plasma thruster from a trigger cycle to a thrust cycle. トリガーサイクル波形のグラフである。1 is a graph of a trigger cycle waveform. トリガーの失敗に関する波形図である。FIG. 10 is a waveform diagram of a failed trigger. スラスタの寿命にわたる、軸方向/周方向デュアルトリガースラスタジオメトリの断面図である。1A-1C are cross-sectional views of a dual axial/circumferential trigger thruster geometry over the life of the thruster. スラスタの寿命にわたる、軸方向/周方向デュアルトリガースラスタジオメトリの断面図である。1A-1C are cross-sectional views of a dual axial/circumferential trigger thruster geometry over the life of the thruster. スラスタの寿命にわたる、軸方向/周方向デュアルトリガースラスタジオメトリの断面図である。1A-1C are cross-sectional views of a dual axial/circumferential trigger thruster geometry over the life of the thruster. 図10Aおよび図10Bのプラズマ始動およびトラストイベントの詳細図である。FIG. 1C is a detailed view of the plasma start and trust events of FIGS. 10A and 10B. 図10Aおよび図10Bのプラズマ始動およびトラストイベントの詳細図である。FIG. 1C is a detailed view of the plasma start and trust events of FIGS. 10A and 10B. 正方形の各辺に配置された4つのプラズマトリガー電極を有する正方形プラズマスラスタの一例を示す図である。FIG. 1 illustrates an example of a square plasma thruster having four plasma trigger electrodes arranged on each side of the square. 図11の断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view of FIG. 図11に関する内方トリガー電極および内方絶縁体を備えるオプションの詳細図である。FIG. 12 is a detailed view of the inner trigger electrode and inner insulator option for FIG. 11. 図11Bのオプションの内方トリガー電極および内方絶縁体の断面図である。FIG. 11C is a cross-sectional view of the optional inner trigger electrode and inner insulator of FIG. 11B. 3軸スラスタキューブの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a three-axis thruster cube. 図12の3軸スラスタキューブを駆動するためのトリガードライバに対して接続された推力電源の概略図である。FIG. 13 is a schematic diagram of a thrust power supply connected to a trigger driver for driving the three-axis thruster cube of FIG.

図1Aは、金属プラズマスラスタ(MPT)の第1の構成を示す正面図を示す。中央トリガー電極110が環状絶縁体101によりカソード面108から分離され、この環状絶縁体101の上において始動プラズマが形成される。絶縁体101は、ガラス、セラミック、アルミナ(酸化アルミニウム)、または高い融点を有する任意の絶縁体から形成され得る。本開示の一例では、硬化エポキシ樹脂および硬化エポキシラミネート(例えばガラス強化エポキシラミネートFR4など)を使用することにより、多数のマイクロギャップにわたりプラズマ始動スパークを形成するために、トリガー電極とカソードとの間に導電性マイクロギャップを設けた表面を有する絶縁体を形成することができる。図1Bは、代替的な周方向トリガー構成を示しており、ここでは、中央カソード面113が外方周方向トリガー電極109により分離され、絶縁体111がトリガー電極109の径方向範囲の内部に位置決めされる。軸方向トリガー構成の図1Aは、側方断面図である図3と組み合わせることにより最もよく理解される正面図であり、周方向トリガー構成の図1Bは、側方断面図である図4と組み合わせることにより最もよく理解される。 FIG. 1A shows a front view of a first configuration of a metal plasma thruster (MPT). A central trigger electrode 110 is separated from a cathode surface 108 by an annular insulator 101, on which the starting plasma is formed. The insulator 101 may be formed from glass, ceramic, alumina (aluminum oxide), or any insulator with a high melting point. In one example of the present disclosure, a cured epoxy resin and cured epoxy laminate (e.g., glass-reinforced epoxy laminate FR4) can be used to form an insulator with a surface that provides conductive microgaps between the trigger electrode and the cathode for forming a plasma starting spark across multiple microgaps. FIG. 1B shows an alternative circumferential trigger configuration, in which a central cathode surface 113 is separated by an outer circumferential trigger electrode 109, and the insulator 111 is positioned within the radial extent of the trigger electrode 109. FIG. 1A, the axial trigger configuration, is a front view best understood in combination with FIG. 3, the side cross-sectional view, and FIG. 1B, the circumferential trigger configuration, is best understood in combination with FIG. 4, the side cross-sectional view.

図1Aのカソード108または図1Bのカソード面113は、任意の材料から形成され得るが、好ましくは動作の最中に質量流量が比較的高いことを示唆する比較的高いエロージョン率と、高い排気速度との組合せをもたらす金属から形成され得る。適切な材料としては、リチウム(Li)、炭素(C)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、またはウラン(U)の元素の中の任意のものが含まれる。以下の表は、原子質量単位(AMU)、最大金属イオン速度(m/s)、および比推力ISP(消費される推進剤の単位量あたりの運動量の変化)において各カソード元素を識別したものである。 The cathode 108 of FIG. 1A or the cathode surface 113 of FIG. 1B may be formed from any material, but preferably from a metal that provides a combination of a relatively high erosion rate, which implies a relatively high mass flow rate during operation, and a high pumping velocity. Suitable materials include any of the elements lithium (Li), carbon (C), magnesium (Mg), aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), tungsten (W), platinum (Pt), or uranium (U). The following table identifies each cathode element in atomic mass units (AMU), maximum metal ion velocity (m/s), and specific impulse I (change in momentum per unit amount of propellant consumed).

Table 1(表1)に挙げられた推進剤は、排他的なものではなく、質量の低いリチウムから質量の高い劣化ウランまたそれを上回る高質量のものまで、任意の導電性固体元素または合金がMPTにおける電極材料として使用されてもよい。融点で分類される本開示に適したカソード金属の包括的なリストには、マグネシウム、アルミニウム、ラジウム、バリウム、ストロンチウム、セリウム、ユーロピウム、イッテルビウム、カルシウム、ランタン、プラセオジム、銀、ネオジム、アクチニウム、金、サマリウム、銅、プロメチウム、ウラン、マンガン、ベリリウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ニッケル、ホルミウム、コバルト、エルビウム、イットリウム、鉄、スカンジウム、ツリウム、パラジウム、プロトアクチニウム、ルテチウム、チタン、トリウム、白金、ジルコニウム、クロム、バナジウム、ロジウム、ハフニウム、テクネチウム、ルテニウム、イリジウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、オスミウム、レニウム、タングステン、および炭素が含まれる。これらの金属は、「第1階層」金属と呼ばれる場合があり、カソードにおいて元素形態でまたは他の金属との合金として存在し得る。 The propellants listed in Table 1 are not exclusive, and any conductive solid element or alloy, from low mass lithium to high mass depleted uranium and beyond, may be used as an electrode material in MPT. A comprehensive list of cathode metals suitable for the present disclosure, sorted by melting point, includes magnesium, aluminum, radium, barium, strontium, cerium, europium, ytterbium, calcium, lanthanum, praseodymium, silver, neodymium, actinium, gold, samarium, copper, promethium, uranium, manganese, beryllium, gadolinium, terbium, dysprosium, nickel, holmium, cobalt, erbium, yttrium, iron, scandium, thulium, palladium, protactinium, lutetium, titanium, thorium, platinum, zirconium, chromium, vanadium, rhodium, hafnium, technetium, ruthenium, iridium, niobium, molybdenum, tantalum, osmium, rhenium, tungsten, and carbon. These metals, sometimes referred to as "tier 1" metals, may exist in the cathode in elemental form or as alloys with other metals.

このMPTにおいてカソードとして使用され得るより低い融点を有する代替的な金属としては、フランシウム、セシウム、ガリウム、ルビジウム、カリウム、ナトリウム、インジウム、リチウム、スズ、ポロニウム、ビスマス、タリウム、カドミウム、鉛、および亜鉛が挙げられる。これらの材料は、「第2階層」金属と呼ばれる場合があり、元素形態でまたは他の金属との合金として存在し得る。本開示の範囲において、上記に挙げた「第1階層」金属および「第2階層」金属は、本開示におけるMPTカソードの形成において使用するために、単独でまたは他の金属と合金化されて、MPT用のカソード材料として使用するのに適したものであると理解される。これらの金属は融点により分類されるが、これは、このMPTのカソードでの使用に関して好ましさの観点からの順位を示唆するように意図されたものではない。 Alternative metals with lower melting points that may be used as cathodes in the MPT include francium, cesium, gallium, rubidium, potassium, sodium, indium, lithium, tin, polonium, bismuth, thallium, cadmium, lead, and zinc. These materials are sometimes referred to as "tier 2" metals and may exist in elemental form or as alloys with other metals. For purposes of this disclosure, the "tier 1" and "tier 2" metals listed above are understood to be suitable for use as cathode materials for MPTs, either alone or alloyed with other metals, for use in forming the MPT cathodes of this disclosure. Although these metals are categorized by melting point, this is not intended to suggest a ranking in terms of preference for use in the cathodes of the MPT.

このMPTは、800秒~2400秒という広範なISPを実現する一方で、先行技術のPPTのPTFE(テフロン(登録商標))は、約525秒~600秒というより狭い範囲の数値に限定される。 This MPT achieves a wide ISP range of 800 seconds to 2400 seconds, while the prior art PPT PTFE (Teflon) is limited to a narrower range of values of about 525 seconds to 600 seconds.

図1Aの軸方向トリガースラスタまたは図1Bの周方向トリガースラスタのためのアノード114は、カソード(108または113)面から離間距離をおいて位置決めされた導電性電極であり、アノード114は、加速された金属イオンの通過を可能にするために80%超の多孔度を有する。アノード114は、図1Aのカソード108または図1Bのトリガー電極109の直径以上の大きさの直径を有するスクリーン、環状リング、またはトーラスを含む任意の形状を有し得る。このアノードは、任意の導電性材料、耐火性金属、または例えば少なくとも鋼とクロムを含む合金などのステンレス鋼合金から形成されてもよく、実際上における最大の多孔度を有することにより、金属イオンは、カソードから離れる方向に加速されるが、多孔質アノードを通過して伝播する。 The anode 114 for the axial trigger thruster of FIG. 1A or the circumferential trigger thruster of FIG. 1B is a conductive electrode positioned at a distance from the cathode (108 or 113) surface, with a porosity greater than 80% to allow accelerated metal ions to pass through. The anode 114 can have any shape, including a screen, an annular ring, or a torus with a diameter equal to or greater than the diameter of the cathode 108 of FIG. 1A or the trigger electrode 109 of FIG. 1B. The anode may be formed from any conductive material, a refractory metal, or a stainless steel alloy, such as an alloy containing at least steel and chromium, and has the maximum practical porosity to allow metal ions to propagate through the porous anode while being accelerated away from the cathode.

図1A-1は、図1AのMPTの断面を示す。ここでは、トリガー電極110は、トリガー電極110とカソード108との間に印加されるおよび絶縁体101の破壊電圧を超過するパルス電圧を発生させる。図1A-1のMPTでは、高電圧パルスが、図2の電源201を使用してトリガーリード102と接地されたカソードリード104との間に印加される。 Figure 1A-1 shows a cross section of the MPT of Figure 1A. Here, a trigger electrode 110 generates a pulsed voltage that is applied between the trigger electrode 110 and the cathode 108 and exceeds the breakdown voltage of the insulator 101. In the MPT of Figure 1A-1, a high-voltage pulse is applied between the trigger lead 102 and the grounded cathode lead 104 using the power supply 201 of Figure 2.

図2は、軸方向トリガースラスタ207Aまたは周方向トリガースラスタ207Bを備える、前述のプラズマスラスタ207の構成の任意のものと共に使用するための電源201を示す。第3のスラスタ207Cが、内方トリガー電極および外方トリガー電極の両方を有するデュアルトリガージオメトリからなるものであり、図10A、図10B、および図10Cにおいて説明するようにそれぞれ異なる軸方向位置に位置決めされる。電源202が、エネルギー貯蔵コンデンサC1 206を充電する。コントローラ203が、要求される推力、材料消費量、トリガー要件、および他の入力パラメータにしたがって、充電速度、推力放出頻度、スイッチ208の閉動作タイミング、およびスイッチ208の閉期間を決定する。スイッチ208は、通常はオフ状態にあり、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、電界効果トランジスタ(FET)、バイポーラトランジスタ、または、高電圧(1kV超)および100A電流に耐えることが可能な任意の他の制御可能なスイッチ素子であってもよい。このスイッチ208は、低いスイッチオン抵抗(30mΩ未満)と高速の(500ns超)スイッチング時間とを有する。スイッチ208がオフである時間の最中には、トリガー102および接地されたカソード104は、相互に対して等電位である。C1 206にわたる電圧がコントローラ203により決定された閾値電圧に到達し、コントローラ203が推力イベントを要求すると、トリガー電圧Vgが、期間T1(図5)の短いパルスとしてスイッチ208に対して送達され、このスイッチ208は、閉じられ、T1の期間にわたってL1に電流を流す。この電流は、T1の終了時にスイッチ208が開かれたときに始動プラズマを発生させるのに十分な電流であり、この始動プラズマの発生により、スイッチ208にて正電圧スパイクが発生し、この正電圧スパイクは、トリガーコンデンサC2 210を介してトリガーリード102に対して結合される。図1Aおよび図1Bのトリガー電極110/109と図1Aおよび図1Bのカソード電極108/113との間に結果的に形成されるトリガープラズマは、電流が、CL、L1、C2、トリガーリード102、およびカソードリード104により形成された回路を通り流れる結果として得られる。ゲートVgによりスイッチ208がイネーブルになされる期間T1は、プラズマ始動に対して十分な時間のみにわたるものとなるように選択される。その後、プラズマ推進期間T2(図5)が始まり、その間にカソード108/113(カソードリード104に対応する)からアノード114(アノードリード106対応する)までの主要プラズマが、回路C1 206、L1 204、アノードリード106、およびカソードリード104を介して発生する。トリガーエネルギー損失を最小限に抑制するために、インダクタL1 204および期間T1は、金属化絶縁体の面(図3の領域301または表面プロファイル402および中心軸403を有する図4の領域401)にわたりマイクロ放電プラズマをトリガーし、それによりカソード104とアノード106との間におけるアーク絶縁破壊(arc breakdown)を助長するために十分に高い電圧(LdI/dt)を発生させるのに十分である、可能な限り最小値になるように選択される。 FIG. 2 illustrates a power supply 201 for use with any of the previously described plasma thruster 207 configurations, including an axial trigger thruster 207A or an circumferential trigger thruster 207B. A third thruster 207C is configured in a dual-trigger geometry with both inner and outer trigger electrodes, each positioned at a different axial location as illustrated in FIGS. 10A, 10B, and 10C. The power supply 202 charges an energy storage capacitor C1 206. A controller 203 determines the charge rate, thrust release frequency, switch 208 closure timing, and switch 208 closure duration according to the required thrust, material consumption, trigger requirements, and other input parameters. The switch 208 is normally off and may be an insulated gate bipolar transistor (IGBT), field-effect transistor (FET), bipolar transistor, or any other controllable switching element capable of withstanding high voltages (greater than 1 kV) and 100 A current. The switch 208 has a low switch-on resistance (less than 30 mΩ) and a fast switching time (greater than 500 ns). During the time that the switch 208 is off, the trigger 102 and the grounded cathode 104 are equipotential to each other. When the voltage across C1 206 reaches a threshold voltage determined by the controller 203 and the controller 203 requests a thrust event, a trigger voltage Vg is delivered to the switch 208 as a short pulse of duration T1 ( FIG. 5 ), which closes and conducts current through L1 for the duration of T1. This current is sufficient to generate a starting plasma when the switch 208 opens at the end of T1, generating a positive voltage spike across the switch 208 that is coupled to the trigger lead 102 via the trigger capacitor C2 210. The resulting trigger plasma formed between trigger electrode 110/109 of Figures 1A and 1B and cathode electrode 108/113 of Figures 1A and 1B results from current flowing through the circuit formed by CL, L1, C2, trigger lead 102, and cathode lead 104. The period T1 during which switch 208 is enabled by gate Vg is selected to extend only long enough for plasma initiation. Thereafter, plasma propulsion period T2 (Figure 5) begins, during which a main plasma is generated from cathode 108/113 (corresponding to cathode lead 104) to anode 114 (corresponding to anode lead 106) via circuit C1 206, L1 204, anode lead 106, and cathode lead 104. To minimize triggering energy losses, inductor L1 204 and period T1 are selected to be the smallest possible value sufficient to generate a voltage (LdI/dt) high enough to trigger a micro-discharge plasma across the surface of the metallized insulator (region 301 in FIG. 3 or region 401 in FIG. 4 having surface profile 402 and central axis 403), thereby promoting arc breakdown between cathode 104 and anode 106.

第1のコンデンサC1206は、例えば宇宙船のソーラー電源などの電源202から直接得られるDC電流によって、またはコントローラ203により調整される充電率で、充電される(一般的には最大で30V~100Vまたは他の適切な電圧)。最初に、スイッチ(IGBTまたはMOSFET208)と、トリガー電極110からカソード108への絶縁体101(図1)にわたるトリガープラズマパスまたはトリガー電極109からカソード113への絶縁体111を介したトリガープラズマパスとの両方が、開いており、カソード(108または113のそれぞれ)とアノード114との間の真空ギャップもまた、そのギャップを介して電源グランドへと電流が逆流しないことを保証する。C1 206が完全に充電されると、トリガー信号Vgが、コントローラ203によりスイッチの制御入力へと送信されて、スイッチ208を閉じる。電流が、C1 206からコイルL1 204、スイッチ208を通り流れ、コンデンサグランドへと戻ることにより、L1 204において電流が増加し、最終的にはかかる電流によって、スイッチT1 208が開かれたときに十分な高さのLdI/dt電圧の発生によってトリガー電極アークを発生させることが可能になる。一例では、30μs~100μsの後に、制御入力Vgが0Vに戻ることによってスイッチ208が開かれ、L1 204により発生した電圧(LdI/dt)は、C2 210を介してトリガー電極に送達されることにより、絶縁体ギャップを越えてトリガー電極とカソード電極の間にプラズマが発生する。 The first capacitor C1 206 is charged by DC current drawn directly from the power source 202, e.g., the spacecraft's solar power source, or at a charging rate regulated by the controller 203 (typically up to 30V-100V or other suitable voltage). Initially, both the switch (IGBT or MOSFET 208) and the trigger plasma path across the insulator 101 (FIG. 1) from the trigger electrode 110 to the cathode 108 or the trigger plasma path through the insulator 111 from the trigger electrode 109 to the cathode 113 are open; the vacuum gap between the cathode (108 or 113, respectively) and the anode 114 also ensures that no current flows back through that gap to power ground. When C1 206 is fully charged, a trigger signal Vg is sent by the controller 203 to the control input of the switch, closing the switch 208. As current flows from C1 206 through inductor L1 204, switch 208, and back to capacitor ground, it increases current in L1 204, eventually allowing a sufficiently high LdI/dt voltage to be generated when switch T1 208 is opened to strike a trigger electrode arc. In one example, after 30 μs to 100 μs, the control input Vg returns to 0 V, opening switch 208, and the voltage (LdI/dt) generated by L1 204 is delivered to the trigger electrode via C2 210, striking a plasma across the insulator gap between the trigger electrode and the cathode electrode.

インダクタ204は、カソード108/113とトリガー電極110/109と間において絶縁体ギャップを越える適切な破壊電圧(例えば200V~1000Vの範囲内の)を発生させるのに十分な高さのインダクタンス値を有する。したがって、このインダクタ204は、先行技術のVATにおけるインダクタが、その構成においてアノードとカソード間に印加される所要アークエネルギーを貯蔵するのに十分な高さのインダクタンス値を有さなければならないのとは対照的に、小型かつ低質量のものであることが可能となる。このMPTでは、インダクタは、アークのための主要エネルギー源ではなく、アークをトリガーするために必要なLdI/dt電圧スパイクを発生させる役割のみを果たす。アークのための電荷およびエネルギーは、主に貯蔵コンデンサC1により供給される。 The inductor 204 has a sufficiently high inductance to generate an adequate breakdown voltage (e.g., in the range of 200V to 1000V) across the insulator gap between the cathode 108/113 and the trigger electrode 110/109. Therefore, the inductor 204 can be small and low mass, in contrast to prior art VATs, where the inductor must have a high enough inductance to store the required arc energy applied between the anode and cathode in that configuration. In this MPT, the inductor is not the primary energy source for the arc, but serves only to generate the LdI/dt voltage spike required to trigger the arc. Charge and energy for the arc are primarily provided by the reservoir capacitor C1.

図5は、金属プラズマスラスタの動作波形を示す。エネルギー貯蔵コンデンサ(図2のC1 206)が、外部電源によって充電されて電圧Vc 504を発生する。コンデンサ電圧が閾値電圧502に到達すると、図2のコントローラ203からのコマンドに応答して、スイッチ208は、T1期間の最中にVg 508によってトリガーされ、これによりスイッチ208が閉じられる。トリガーT1期間は、コンデンサから少量の電荷を除去し、この電荷は、例えば図1A-1に示す120などのトリガープラズマを発生させるために、または図3の領域301の絶縁体もしくは図4の領域401の絶縁体にわたって同様にトリガープラズマを発生させるために使用される。トリガーT1期間の後には、図5のプラズマ推進期間T2となり、ここでは、プラズマは図1A-2の122として示されるように、図3または図4のカソード面とアノード114との間において広がる。T2の最中に、コンデンサ内の貯蔵電荷は、プラズマの発生により減少し、最終的にはコンデンサ電圧またはアーク電流は、プラズマを維持できない電圧レベル未満まで低下する。このサイクルは、次のトリガーVgイベントにて繰り返され、その繰り返し周期T3は、外部充電回路によりコンデンサに供給される電流によって制限される。 Figure 5 shows the operating waveforms of a metal plasma thruster. An energy storage capacitor (C1 206 in Figure 2) is charged by an external power source to generate a voltage Vc 504. When the capacitor voltage reaches a threshold voltage 502, in response to a command from controller 203 in Figure 2, switch 208 is triggered by Vg 508 during the T1 period, thereby closing switch 208. The trigger T1 period removes a small amount of charge from the capacitor, which is used to generate a trigger plasma, such as 120 shown in Figure 1A-1, or similarly across the insulator in region 301 in Figure 3 or region 401 in Figure 4. The trigger T1 period is followed by plasma thrust period T2 in Figure 5, in which the plasma spreads between the cathode surface and anode 114 in Figure 3 or Figure 4, as shown as 122 in Figure 1A-2. During T2, the stored charge in the capacitor is reduced by the generation of plasma, and eventually the capacitor voltage or arc current drops below a voltage level that cannot sustain the plasma. This cycle repeats at the next trigger Vg event, with the repetition period T3 being limited by the current supplied to the capacitor by the external charging circuit.

図6は、図5の期間T2に対応する、3msの一例の推進期間にわたり継続される主要カソードからアノードへのアーク期間の最中の電流および電圧を示す。波形602は、一例のアノード電極電流を示し、波形604は、接地されたカソードに対する一例のアノード電極電圧を示しており、これらはいずれも一例の固定アーク抵抗30mΩおよびアークシース電位降下19Vに対するものである。プラズマを発生させる印加電圧の1つの要素は、シース電位およびアーク間におけるオーム電圧降下である。シース電位は、アーク放電において周知の現象であり、アノード-カソード間ギャップ内における主要放電プラズマからのイオンが、カソードシースを越えて戻り、それにより各1価イオンあたり約10eV~15eVのエネルギーを得る。さらに、このイオンは、複数箇所において局所的にカソードを加熱して、カソードからアノードへアーク電流を運ぶために必要とされる電子の電界強化熱電子放出を支援する。それらの電流を運ぶ電子は、アノードにて別の薄いシースを通過して、エネルギー(約10eV)を得て、そのエネルギーを熱としてアノードに付与する。カソードおよびアノードのシース電位の合計は、この例では19Vである。230Aのピーク電流において、抵抗降下は230A*30mΩ≒7Vである。この19Vのシース降下を加えると、ピーク電流時におけるアーク(カソードとアノードの間)の合計電圧は26Vになる。カソードとアノードとの間のこの端子電圧は、アークの燃焼電圧と呼ばれる。 FIG. 6 shows the current and voltage during a main cathode-to-anode arc period lasting an example 3 ms thrust period, corresponding to period T2 in FIG. 5. Waveform 602 shows an example anode electrode current, and waveform 604 shows an example anode electrode voltage relative to a grounded cathode, both for an example fixed arc resistance of 30 mΩ and an arc sheath potential drop of 19 V. One component of the applied voltage that generates the plasma is the sheath potential and the ohmic voltage drop across the arc. The sheath potential is a well-known phenomenon in arc discharges, where ions from the main discharge plasma in the anode-cathode gap travel back across the cathode sheath, thereby gaining approximately 10 eV to 15 eV of energy per singly charged ion. Furthermore, the ions locally heat the cathode at multiple locations, supporting the field-enhanced thermionic emission of electrons required to carry the arc current from the cathode to the anode. These current-carrying electrons pass through another thin sheath at the anode, gaining energy (approximately 10 eV) and depositing that energy as heat at the anode. The sum of the cathode and anode sheath potentials is 19 V in this example. At a peak current of 230 A, the resistive drop is 230 A * 30 mΩ ≈ 7 V. Adding this 19 V sheath drop results in a total voltage across the arc (between the cathode and anode) of 26 V at peak current. This terminal voltage between the cathode and anode is called the burning voltage of the arc.

図7は、T1(Vgオン)からT2(Vgオフ)へのスイッチの移行に対応する時間701から時間703までの区間の間の波形を示す。プロット704は、コンデンサC1が充電され、スイッチ208が時間701まで閉じられることを示す。この第1の区間の最中に、C1 206、L1 204、およびスイッチ208を通過する電流は、時間701においてスイッチが開かれトリガープラズマが開始されるまで、IL1702のように増加する。701から703までの区間の最中に、電流経路は、C1、L1、C210、およびトリガー電極102へと移行し、その後、この電流は、アノード106からカソード104まで流れる。時間703にて、プラズマは、カソード108/113からアノード114へと広がっており、電流は、プラズマがカソードとアノード(電極)との間において成長するにつれて、時間703からその後も増加し続け、その結果として、プラズマ内の抵抗が実質的に低下し、最終的にはコンデンサ206内の貯蔵エネルギーがプラズマを維持できなくなる。プロットIL1702は、スイッチが閉じられた場合の一例であるT1の最初の90μsの最中の時間701における最大で約70Aまでの直線的な上昇と、その後の若干の低下と、その後の正弦波的な上昇とを示す。アノード電流プロット702は、図2の例に関するものであり、この例の構成要素の数値は、Cl=10.5mF、Ll=70pH、および40mΩの総ループ抵抗(コンデンサ、コイル、および閉状態のスイッチの総抵抗)である。 7 shows the waveforms during the interval from time 701 to time 703, which corresponds to the switch transition from T1 (Vg on) to T2 (Vg off). Plot 704 shows that capacitor C1 is charging and switch 208 is closed until time 701. During this first interval, the current through C1 206, L1 204, and switch 208 increases as I L1 702 until the switch is opened at time 701 and a trigger plasma is initiated. During the interval from 701 to 703, the current path transitions from C1, L1, C210, and the trigger electrode 102, after which the current flows from the anode 106 to the cathode 104. At time 703, the plasma spreads from the cathode 108/113 to the anode 114, and current continues to increase from time 703 onward as the plasma grows between the cathode and anode (electrodes), resulting in a substantial decrease in resistance within the plasma and eventually insufficient energy stored in the capacitor 206 to sustain the plasma. Plot I L1 702 shows a linear rise to a maximum of approximately 70 A at time 701 during the first 90 μs of T1, an example of when the switch is closed, followed by a slight decrease and then a sinusoidal rise. The anode current plot 702 is for the example of FIG. 2 , with component values for this example: Cl=10.5 mF, Ll=70 pF, and a total loop resistance (total resistance of the capacitor, coil, and closed switch) of 40 mΩ.

図8は、トリガー区間を含む時間セグメントの波形を示し、T1区間807の終了時にスイッチ208が開かれる約45μsの時点から起始している。スイッチが開くことにより、その内部抵抗が急激に上昇し、スイッチ208中の電流が急激に低下する。スイッチ208を通過する電流の遮断により、トリガー電極Vtrig806に対して印加される電圧が急激に上昇して、トリガー電極にてプラズマが発生する。その瞬間に、トリガー電極電流804が流れ始め、さらに多くのトリガープラズマを発生させる。トリガープラズマがカソードとアノードとの間のギャップを満たすと、プラズマ電流経路は、カソードとトリガー電極との間からカソードとアノードとの間へと移行し、これによりトリガーコンデンサは、電流を逆方向へと駆動し、トリガー電流804は、極性を反転させる。インダクタ電流IL1802は、トリガープラズマ区間である45μs~55μsの最中に、スイッチ208における抵抗の急激な上昇に起因して電流が低下し始めることによって、勾配を変化させる。この電流の変化は、LdI/dt電圧に関与し、この電圧が上昇することによって、スイッチ208を通り流れる電流が、カソードへの初期トリガーアークを形成するためにトリガー電極102へと分流される。スイッチが開かれると(この図8の例では約43μsの時点)、コイルL1の電流I802の急激な低下により、コイル出力ノードにLdI/dt電圧VTRIG806が発生する。120Vのこの初期高速(約200ns)電圧スパイクは、ブロッキングコンデンサC2 210を通過する。このブロッキングコンデンサC2 210は、高速(1μs未満)立ち上がり時間パルスに対して低インピーダンス(1kΩ未満)を提供するように選択され、トリガー電極(図3の110または図4の109のそれぞれ)とカソード(図3の108または図4の113のそれぞれ)との間の金属化(約10kΩ~1kΩ)絶縁体表面(図2の領域301または図4の領域401)にわたってフラッシュオーバープラズマ(図1A-1の120)を生成する。トリガー電極からカソード電極への一例のトリガー電流は、45Aの大きさであり(これはフラッシュオーバー抵抗が約2.7Ωであることを示唆する)、主要カソード-アノード間ギャップをブリッジし、図1A-2の主要カソード-アノード間ギャップにわたって絶縁破壊122を開始させるのに十分な、図1A-1のプラズマ120を生成する。アーク絶縁破壊は、50mΩ/s未満の抵抗を有するプラズマブリッジを越えて生じるものであり、これによってさらに高い電流がClからL1を通り流れ、アーク放電がなされる。アノードアーク電流が上昇することにより約55μsにてゼロに戻るトリガー電流プロット804によって示されるように、トリガー経路の抵抗がはるかに高いことにより、トリガー電極経路を通り流れる電流が無視し得る程度のものとなることが確保される。さらに、ブロッキングコンデンサC2 210は、電流が上昇するにつれて漸増的により高くなるインピーダンスを示し、スイッチ電圧の立ち上がり時間100nsにおける1mΩ未満から、最大で主要アークのより遅い区間の最中における6000mΩ以上まで上昇する。したがって、トリガー経路は、スイッチ208が開枯れた後の10μs程度の間だけアクティブになるにすぎない。トリガー電極電流804は、図8の50μsにて負になり、このときカソードからアノードへの主要プラズマアークが点火する。なぜならば、このときブロッキングコンデンサC2 210は、アークを通り逆方向へと電流を駆動するからである。スイッチ208の電圧は、約53μs後に約33Vまで低下し、これが、アーク燃焼電圧(シース降下+アーク抵抗における抵抗の低下)となる。この例では、電圧は、約400Vのピークに到達し、その後約33Vのアーク燃焼電圧にまで低下する。 FIG. 8 shows the waveform of a time segment including the trigger interval, beginning approximately 45 μs when switch 208 is opened at the end of T1 interval 807. The switch's opening causes its internal resistance to rise sharply, causing the current through switch 208 to drop sharply. The interruption of current flow through switch 208 causes the voltage applied to trigger electrode Vtrig 806 to rise sharply, sparking plasma at the trigger electrode. At that moment, trigger electrode current 804 begins to flow, generating more trigger plasma. As the trigger plasma fills the gap between the cathode and anode, the plasma current path transitions from between the cathode and trigger electrode to between the cathode and anode, causing the trigger capacitor to drive current in the reverse direction, causing trigger current 804 to reverse polarity. During the trigger plasma interval, 45 μs to 55 μs, inductor current I L1 802 changes slope as the current begins to drop due to the sudden rise in resistance in switch 208. This change in current contributes to an LdI/dt voltage that rises, causing current flowing through switch 208 to be shunted to trigger electrode 102 to form the initial trigger arc to the cathode. When the switch is opened (approximately 43 μs in this FIG. 8 example), a sudden drop in current I L 802 in coil L1 generates an LdI/dt voltage V TRIG 806 at the coil output node. This initial fast (approximately 200 ns) voltage spike of 120 V passes through blocking capacitor C2 210. This blocking capacitor C2 210 is selected to provide low impedance (less than 1 kΩ) for a fast (less than 1 μs) rise time pulse to generate a flashover plasma (120, FIG. 1A-1) across the metallized (approximately 10 kΩ to 1 kΩ) insulator surface (region 301, FIG. 2 or region 401, FIG. 4) between the trigger electrode (110, FIG. 3 or 109, FIG. 4, respectively) and the cathode (108, FIG. 3 or 113, FIG. 4, respectively). An example trigger current from the trigger electrode to the cathode electrode is on the order of 45 A (implying a flashover resistance of approximately 2.7 Ω), generating plasma 120, FIG. 1A-1, sufficient to bridge the main cathode-anode gap and initiate breakdown 122 across the main cathode-anode gap, FIG. 1A-2. Arc breakdown occurs across the plasma bridge, which has a resistance of less than 50 mΩ/s, allowing a higher current to flow from C1 through L1, resulting in arc discharge. The much higher resistance of the trigger path ensures that negligible current flows through the trigger electrode path, as shown by trigger current plot 804, which returns to zero at approximately 55 μs as the anode arc current rises. Furthermore, blocking capacitor C2 210 exhibits an increasingly higher impedance as the current rises, rising from less than 1 mΩ at the 100 ns rise time of the switch voltage to a maximum of over 6000 mΩ during the slower portion of the main arc. Thus, the trigger path is only active for approximately 10 μs after switch 208 opens. The trigger electrode current 804 goes negative at 50 μs in FIG. 8, at which point the main plasma arc from cathode to anode ignites. Because blocking capacitor C2 210 now drives current in the reverse direction through the arc, the voltage across switch 208 drops to about 33V after about 53 μs, which is the arc burning voltage (sheath drop plus the resistance drop in the arc resistance). In this example, the voltage reaches a peak of about 400V and then drops back down to the arc burning voltage of about 33V.

図9は、トリガー区間T1が過度に短い場合におけるまたはトリガー電極にてプラズマを始動させるのに十分な電圧が発生しない場合における結果を示す。インダクタ電流を不連続的に遮断することにより発生する電圧は、LdI/dtであり、したがってスイッチ208の破壊電圧を超過しないように注意を払わなければならない。この保護は、過電圧デバイス209により実現され、この過電圧デバイス209は、閾値を超過する電圧を制限し、過渡電圧が発生する最中にスイッチに対して保護を与えるのに十分な速さの応答時間を有する、任意のデバイスであってもよい。かかるデバイスの1つが、金属酸化物バリスタ(MOV)209である。図9の波形の例では、スイッチ電圧904が1200Vに到達しており、プラズマ形成が弱いまたは遅延していることにより、結果として波形902に示すようにMOV209が電流の一部を分流することになり、それによってスイッチ208の過電圧破壊を保護する。この保護デバイス209のクランプ電圧は、スイッチ208に対する過電圧損傷を防止するように選択される。参考までに、インダクタ電流906をさらに示す。 FIG. 9 illustrates the consequences of an excessively short trigger interval T1 or insufficient voltage generation to initiate a plasma at the trigger electrode. The voltage generated by discontinuously interrupting the inductor current is LdI/dt, so care must be taken not to exceed the breakdown voltage of switch 208. This protection is achieved by overvoltage device 209, which may be any device with a fast enough response time to limit voltage exceeding a threshold and provide protection to the switch during transient voltage events. One such device is metal oxide varistor (MOV) 209. In the example waveforms of FIG. 9, switch voltage 904 reaches 1200 V, and weak or delayed plasma formation results in MOV 209 shunting a portion of the current, as shown in waveform 902, thereby protecting switch 208 from overvoltage breakdown. The clamping voltage of this protection device 209 is selected to prevent overvoltage damage to switch 208. For reference, inductor current 906 is also shown.

これらの様々な充電時間、プラズマアーク放電時間、サイクル時間、および回路構成は、もっぱら例示を目的として示すものであり、多数の他のバリエーションが可能である。プラズマアークは、インダクタに貯蔵された離散的なエネルギーレベルを使用して離散的な推力イベントで活性化されるものとして説明した。代替的には、DC電圧源が、アノード電極とカソード電極との間に配置されてもよく、それにより、イニシエータ電極がプラズマアークを発生させた場合に、このDC電源が除去されるまでプラズマアークを定常状態に維持するようにしてもよい。離散パルスモードでは、エネルギー貯蔵コンデンサのエネルギー貯蔵容量は、以下の式で表される。 These various charging times, plasma arc discharge times, cycle times, and circuit configurations are provided for illustrative purposes only, and many other variations are possible. The plasma arc has been described as being activated at discrete thrust events using discrete energy levels stored in an inductor. Alternatively, a DC voltage source may be placed between the anode and cathode electrodes so that when the initiator electrode initiates the plasma arc, it maintains the plasma arc in a steady state until the DC power source is removed. In discrete pulse mode, the energy storage capacity of the energy storage capacitor is given by the following equation:

ここで、Cは静電容量であり、Vはエネルギー貯蔵コンデンサである。さらに、静電容量、プラズマ電極形状、間隔、およびオーム抵抗が、アークが維持される時間区間を決定する。また、所与の期間および波形は、本質的には使用される構成要素に関する例示的なものであり、これらの構成要素の数値またはそれらの構成要素により生成される波形の期間および時間を限定するようには意図されない。本開示の一例では、開始(マイクロギャップスパーク)は、約1μsにわたり持続し、プラズマ推力(カソードとアノードとの間を流れるプラズマ電流)は、約1msまたは約5ms持続する。 where C is the capacitance and V is the energy storage capacitor. Furthermore, the capacitance, plasma electrode shape, spacing, and ohmic resistance determine the time interval over which the arc is maintained. Also, the given durations and waveforms are exemplary in nature with respect to the components used and are not intended to limit the values of these components or the duration and time of the waveforms produced by them. In one example of the present disclosure, the initiation (microgap spark) lasts for approximately 1 μs, and the plasma thrust (plasma current flowing between the cathode and anode) lasts for approximately 1 ms or approximately 5 ms.

図3の軸方向トリガーの領域301の絶縁体表面の形状の例が、図3Aにおいて詳細に示され、図4の領域401の周方向絶縁体表面の例が、図4Aにおいて詳細に示される。プラズマ形成金属の薄いコーティングを維持するためのこれらの表面の形状は、プラズマスラスタの長期的な動作にとって極めて重要である。図3Aの領域301の絶縁体の一例において示すように、絶縁体101の表面をステップ状に形成することにより平坦絶縁体表面304とカソード面302の下方に位置する近位表面305および306とを形成することによって、絶縁体306の凹状セグメントの表面抵抗は、多数のプラズマサイクルにわたりほぼ一定に維持され、スラスタの寿命を延ばすことが可能となる。この絶縁体101の形状の1つの具体的な機能は、カソード108/113の面から放出される金属の再堆積から、絶縁体の1つまたは複数の表面を遮蔽することである。図3Aの近位表面305または306の例は、この機能を果たし得る。絶縁体101の表面は、約1μmの厚さのグラファイト粒子などの初期メタライゼーションまたは堆積に依存するものであってもよく、粒子間のマイクロギャップにより、プラズマアークの開始にとって極めて重要となる、マイクロアークが金属化表面の小ギャップ内に形成される位置である複数の拡散領域が形成される。絶縁体の表面抵抗は、数十オーム~数千オームの範囲内であることが好ましいが、金属化表面間のギャップにマイクロプラズマを形成する他の抵抗値が使用されてもよい。他の絶縁体表面プロファイルが、絶縁体の詳細図3Bに示され、ここでは、堆積表面312に隣接する位置に遮蔽表面314を有する傾斜部が示される。絶縁体の詳細図3Cでは、遮蔽表面320および露出表面318を有する鋸歯状部が示される。代替的な絶縁体の詳細図3C-1では、ピーク321を有する鋸歯状部が示され、このピーク321により、ピーク321の各側に位置する2つの表面(一方は完全に遮蔽され、他方は部分的に遮蔽される)の間において材料除去/堆積に勾配がもたらされる。図3Dは、傾斜状絶縁体326を示す。この絶縁体326は、絶縁体101の凹状領域と同一平面内に位置する表面330を有するトリガー電極110と共に使用されてもよく、またはプロファイル328により示されるように、トリガー電極110が、カソード108と同一平面となる高さまで延在してもよい。さらに、トリガー電極プロファイルは、図示するように平坦であってもよく、または先端へとテーパ状をなしてもよく(図示せず)、平坦表面328まで斜角を成してもよく(図示せず)、もしくは丸みをつけられてもよい(図示せず)。図3E、図3F、および図3Gは、それぞれ表面318、324、328/330を有する絶縁体101のさらなる実施形態を示す。これらの表面は、プラズマ金属イオンの戻りに対する形状により、カソードから放出されるプラズマの再堆積から遮蔽される。再堆積の発生率が低い場合には、図3Hの平坦表面331が使用されてもよい。絶縁体101は、カソード材料の気化および再堆積に関して平衡をもたらす任意の形状を有し得る。一例では、少なくとも1つの表面が再堆積から遮蔽され、または別の例では、プラズマトリガーイベントによる侵食と、トリガーイベント後の金属イオンの戻りによる再堆積との間における平衡が実現される。絶縁体101は、各プラズマ推力イベントによる金属堆積と金属放出との平衡をもたらす波状表面特徴などの他の非平坦状の表面特性を有してもよく、または金属化された部分におけるマイクロギャップ内でのマイクロプラズマ形成を維持する粗状表面を有してもよい。したがって、この絶縁体の設計制約は、例えば図3Aの305および306(または図3B~図3Hの他の絶縁体の例の遮蔽表面)などの遮蔽表面上に各パルスにおいて堆積される新たな材料の厚さの合計が、各トリガーフラッシュオーバー推力イベントにより侵食される厚さと同等でなければならない、というものとなり得る。本開示の一例において、表面304に対する表面306の深さと、表面305および306を形成する溝の幅とが、2以上のアスペクト比になるように選択され、堆積/侵食の平衡は、表面305または306のうちの少なくとも一方に対して適用される。この特徴部のアスペクト比は、カソード中心軸に対して平行な特徴部の深さを、カソードの面に対して平行な特徴部の幅で除算したものとして理解される。このバランスが達成される場合には、絶縁体101は、数百万パルスにわたり再現可能な表面抵抗を有する信頼性の高いトリガーとして機能する。例えば、本願において後述する5kgの軌道上昇例では、2Hzでの14日間にわたるミッションにおける合計パルス数は、2.5×10である。この期間に燃焼される推進剤の合計質量は、約30gである。30mmの直径を有するMPT内の1つのモリブデン(Mo)カソードが、4mmの深さにわたってこの質量を侵食する。絶縁体301は、詳細図3Aに示される。連続的なプラズマ放電イベントに対して、カソード108からの金属イオンは、絶縁界面304に蓄積する傾向がある。この蓄積により、トリガー電流に対する表面抵抗が低下する場合がある。溝306が、金属イオンの再堆積から絶縁体の近位領域を遮蔽する。溝の深さは、プラズマ点火イベントにより除去される材料量が、主要プラズマアークイベントによる新たな材料の再堆積量と同等になるように選択される。このように、材料の再堆積は、失われた材料を補い、点火装置は、数百万回の点火イベントを経てもなお使用可能な状態に留まる。図4Aの周方向トリガー形状は、カソード113から放出されたイオンの再堆積から遮蔽された表面406および406によって形成される同様の溝を示す一方で、表面404は、表面406または407よりも堆積をさらに多く被ることが予期される。図3の軸方向トリガー電極の絶縁体構成は、絶縁体の特徴をミラーリングすることにより図4の周方向トリガー形状において利用することが可能であり、これにより、トリガー電極が周方向形状である場合であっても、中央トリガー電極付近に位置していた表面プロファイルが維持される。例えば、図3Aの絶縁体プロファイル(トリガー電極110に隣接するステップ状表面306を有する)をミラーリングすることにより、図4Aに示す絶縁体プロファイル(トリガー電極109に隣接するステップ状表面406を維持する)へと変形させてもよい。同様に、図4Bの周方向トリガーの絶縁体101の特徴部414、417、および416は、表面特徴をミラーリングすることにより、図3Bの軸方向トリガーの対応する絶縁体101のそれぞれの特徴312、314、および316から変形され得る。したがって、図3C~図3Hに示す絶縁体プロファイルは、図4C~図4Iにおいてそれぞれ示されるように、周方向トリガーでの使用向けに同様に変形されてもよく、これにより、カソードから放出されるプラズマイオンの再堆積からの、少なくとも1つの近位表面の遮蔽が維持される。絶縁体101/111の材料は、高温セラミックである必要はない。なぜならば、絶縁体表面は、T1の一部の最中に短時間にわたってわずかなトリガープラズマにさらされるにすぎず、このT1は、プラズマ持続時間T1+T2のうちのわずかな部分であるためである。適切な絶縁体101/111は、約1μの表面金属堆積を支持し、繰り返されるサイクルにわたりトリガーアークから伝達されるエネルギーに耐えるのに十分な融点を有する絶縁体である。 An example of the insulator surface shape in axial trigger region 301 of FIG. 3 is shown in detail in FIG. 3A , and an example of the circumferential insulator surface in region 401 of FIG. 4 is shown in detail in FIG. 4A . The shape of these surfaces, which maintain a thin coating of plasma-forming metal, is crucial to the long-term operation of the plasma thruster. By forming a stepped surface of insulator 101, as shown in the example insulator in region 301 of FIG. 3A , to create a flat insulator surface 304 and proximal surfaces 305 and 306 located below cathode face 302, the surface resistance of the recessed segment of insulator 306 remains nearly constant over multiple plasma cycles, thereby extending the life of the thruster. One specific function of this insulator 101 shape is to shield one or more surfaces of the insulator from redeposition of metal ejected from the face of cathode 108/113. The example proximal surfaces 305 or 306 of FIG. 3A can perform this function. The surface of the insulator 101 may rely on an initial metallization or deposition, such as graphite particles approximately 1 μm thick, with the microgaps between the particles creating multiple diffusion regions where microarcs form within the small gaps in the metallized surface, which are crucial for plasma arc initiation. The insulator preferably has a surface resistance in the range of tens of ohms to thousands of ohms, although other resistance values may be used to form microplasmas in the gaps between the metallized surfaces. Another insulator surface profile is shown in Insulator Detail 3B, which shows a sloped portion with a shielded surface 314 adjacent to the deposition surface 312. Insulator Detail 3C shows a sawtooth portion with a shielded surface 320 and an exposed surface 318. Alternative Insulator Detail 3C-1 shows a sawtooth portion with a peak 321 that creates a gradient in material removal/deposition between two surfaces on either side of the peak (one fully shielded and the other partially shielded). FIG. 3D shows a sloped insulator 326. This insulator 326 may be used with a trigger electrode 110 having a surface 330 that is flush with the recessed region of the insulator 101, or may extend to a height where the trigger electrode 110 is flush with the cathode 108, as shown by profile 328. Furthermore, the trigger electrode profile may be flat as shown, or may taper to a tip (not shown), bevel to the flat surface 328 (not shown), or may be rounded (not shown). FIGS. 3E, 3F, and 3G show additional embodiments of the insulator 101 having surfaces 318, 324, 328/330, respectively. These surfaces are shaped for return of plasma metal ions, shielding them from redeposition of plasma emitted from the cathode. If the incidence of redeposition is low, the flat surface 331 of FIG. 3H may be used. The insulator 101 can have any shape that provides a balance between the vaporization and redeposition of cathode material. In one example, at least one surface is shielded from redeposition, or in another example, a balance is achieved between erosion due to the plasma trigger event and redeposition due to the return of metal ions after the trigger event. The insulator 101 may have other non-planar surface characteristics, such as wavy surface features that provide a balance between metal deposition and metal ejection due to each plasma thrust event, or a roughened surface that maintains microplasma formation within the microgaps in the metallized portions. Thus, a design constraint for this insulator may be that the total thickness of new material deposited in each pulse on shielding surfaces, such as 305 and 306 in FIG. 3A (or the shielding surfaces of other insulator examples in FIGS. 3B-3H ), must be equal to the thickness eroded by each trigger flashover thrust event. In one example of the present disclosure, the depth of surface 306 relative to surface 304 and the width of the grooves forming surfaces 305 and 306 are selected to have an aspect ratio of 2 or greater, and a deposition/erosion balance is imposed on at least one of surfaces 305 or 306. This feature aspect ratio is understood to be the depth of the feature parallel to the cathode central axis divided by the width of the feature parallel to the cathode face. When this balance is achieved, insulator 101 functions as a reliable trigger with a reproducible surface resistance over millions of pulses. For example, in the 5 kg orbit-raising example described later in this application, the total number of pulses over a 14-day mission at 2 Hz is 2.5 x 10 6 . The total mass of propellant burned during this period is approximately 30 g. A single molybdenum (Mo) cathode in an MPT with a 30 mm diameter erodes this mass over a depth of 4 mm. Insulator 301 is shown in detail in FIG. 3A. With successive plasma discharge events, metal ions from the cathode 108 tend to accumulate at the insulating interface 304. This accumulation can reduce the surface resistance to the trigger current. Groove 306 shields the proximal region of the insulator from metal ion redeposition. The groove depth is selected so that the amount of material removed by a plasma ignition event is equivalent to the amount of new material redeposition by the main plasma arc event. In this way, material redeposition replaces the lost material, and the igniter remains operational even after millions of ignition events. While the circumferential trigger configuration of FIG. 4A shows similar grooves formed by surfaces 406 and 406 being shielded from redeposition of ions emitted from the cathode 113, surface 404 is expected to experience more deposition than surfaces 406 or 407. The insulator configuration of the axial trigger electrode of FIG. 3 can be utilized in the circumferential trigger configuration of FIG. 4 by mirroring the insulator features, thereby maintaining the surface profile located near the central trigger electrode even when the trigger electrode is circumferentially shaped. For example, the insulator profile of FIG. 3A (having a stepped surface 306 adjacent trigger electrode 110) may be mirrored to modify the insulator profile shown in FIG. 4A (maintaining the stepped surface 406 adjacent trigger electrode 109). Similarly, features 414, 417, and 416 of the insulator 101 of the circumferential trigger of FIG. 4B may be modified from features 312, 314, and 316, respectively, of the corresponding insulator 101 of the axial trigger of FIG. 3B by mirroring the surface features. Thus, the insulator profiles shown in FIGS. 3C-3H may be similarly modified for use with a circumferential trigger, as shown in FIGS. 4C-4I, respectively, to maintain shielding of at least one proximal surface from redeposition of plasma ions emitted from the cathode. The material of the insulators 101/111 need not be a high-temperature ceramic. This is because the insulator surface is only briefly exposed to the triggering plasma during part T1, which is a small portion of the plasma duration T1 + T2. Suitable insulators 101/111 are those that support a surface metal deposition of approximately 1 micron and have a melting point sufficient to withstand the energy transferred from the triggering arc over repeated cycles.

本開示の一例では、MPTは、5mm~40mmの範囲内の直径を有する。図2を参照とする本開示の別の例では、MPTが、約10cm×10cm×10cmの寸法のキューブの1つまたは複数の表面に対して配置され、このキューブの1つまたは複数の表面が、複数のMPTを有し、各MPTは、それぞれのMPTトリガーに対するコンデンサC2 210を備えるアノードリード106と、共有接続されたカソードリード104とを備える。この構成では、単一の電源201が、キューブの1つの面に対して使用されることにより、ある特定の直交推力方向を制御することが可能であり、ある特定の表面上に位置する各MPT(またはMPT群)が、スイッチ素子(リードリレーまたは他の低抵抗スイッチ)を経由して接続され、一度に1つのMPT群が接続され、他のMPT群は分離される。このようにして、1つまたは複数のMPTは、その推力パルスの有効寿命が尽きるまで選択することが可能となり、その後、対応するコンデンサ210を有するMPTが分離され、新規のMPTおよび対応するコンデンサ210が、継続される動作のために選択されることが可能となる。 In one example of the present disclosure, the MPTs have diameters ranging from 5 mm to 40 mm. In another example of the present disclosure, referring to FIG. 2, the MPTs are arranged on one or more surfaces of a cube measuring approximately 10 cm x 10 cm x 10 cm, with one or more surfaces of the cube having multiple MPTs, each with an anode lead 106 with a capacitor C2 210 for a respective MPT trigger and a commonly connected cathode lead 104. In this configuration, a single power supply 201 is used on one face of the cube to control a particular orthogonal thrust direction, with each MPT (or group of MPTs) located on a particular surface connected via a switch element (reed relay or other low-resistance switch) to connect one group of MPTs at a time and isolate the other groups of MPTs. In this manner, one or more MPTs can be selected until the useful life of that thrust pulse expires, after which the MPTs with their corresponding capacitors 210 are separated and new MPTs and corresponding capacitors 210 can be selected for continued operation.

図10A、図10B、および図10Cは、作動深度範囲がそれぞれ異なるデュアルトリガーによりカソードの使用可能寿命を延ばす、デュアルトリガージオメトリの金属プラズマスラスタを示す。中央内方トリガー電極1008が内方絶縁体1010により囲まれ、この内方絶縁体1010は、図3A~図3Hにおいて説明したように、同軸絶縁体のための任意の絶縁体形状を有し得る。内方トリガー電極1008と接触状態にない内方絶縁体1010および外方絶縁体1004それぞれの表面1040および1044は、アーク形成のためのマイクロギャップを設けることによりプラズマを開始するための表面グラファイト処理などの、マイクロギャップを形成する導電性表面で処理される。金属カソード1006の外方表面は、外方絶縁体1004により覆われ、この外方絶縁体1004は、内方表面上のグラファイト表面1044などの導電性表面の範囲と、外方トリガー電極1002に接触するための外方表面の短い範囲1020とを有する。矢印1024および1022は、それぞれ図1A-1および図IB-1の初期プラズマ開始イベントを示し、さらに太い矢印1023は、図1A-2および図IB-2に示したその後のプラズマ推力イベントを示す。図10Aは、終端部1015からカソード面範囲1017までの範囲にわたりカソード推進剤が100%存在する状態の金属プラズマスラスタの初期状態を示す。図10Aに示すこの第1の段階のカソード推進剤については、外方トリガー電極1002が、単独で駆動されてもよく、または外方トリガー電極1002が、内方トリガー電極1008との組合せにおいて駆動されてもよく、または内方トリガー電極1008および外方トリガー電極1002が、交互する、もしくは連続推力イベントの最中にカソード1006を均一に消耗させるために必要となる任意の順序で駆動されてもよい。 Figures 10A, 10B, and 10C show a dual-trigger metal plasma thruster with dual triggers having different operating depth ranges to extend the usable life of the cathode. A central inner trigger electrode 1008 is surrounded by an inner insulator 1010, which can have any of the insulator shapes for a coaxial insulator, as described in Figures 3A-3H. Surfaces 1040 and 1044 of the inner and outer insulators 1010 and 1004, respectively , that are not in contact with the inner trigger electrode 1008 are treated with a conductive surface that forms a microgap, such as a surface graphite treatment, to initiate the plasma by providing a microgap for arc formation. The outer surface of the metal cathode 1006 is covered by an outer insulator 1004, which has a conductive surface area, such as a graphite surface 1044, on its inner surface and a short area 1020 on its outer surface for contacting the outer trigger electrode 1002. Arrows 1024 and 1022 indicate the initial plasma initiation event of FIGS. 1A-1 and 1B-1, respectively, while a thicker arrow 1023 indicates the subsequent plasma thrust event shown in FIGS. 1A-2 and 1B-2. Figure 10A shows the initial condition of the metal plasma thruster with 100% cathode propellant present from the terminal end 1015 to the cathode face area 1017. For this first stage cathode propellant shown in FIG. 10A , the outer trigger electrode 1002 may be actuated alone, or the outer trigger electrode 1002 may be actuated in combination with the inner trigger electrode 1008, or the inner trigger electrode 1008 and the outer trigger electrode 1002 may be actuated in any order required to uniformly deplete the cathode 1006 during alternating or sequential thrust events.

図10A、図10B、および図10Cに示される本開示の一例では、内方絶縁体1010は、部分的にまたは完全に導電性の表面処理部1040を有することにより、カソード面の反対側のカソードから、L1 1011として示される元のカソード範囲L3の30%~60%などの範囲までの範囲にわたりマイクロギャップを形成する。ここで、カソード1015の起点からカソード面までの元のカソード範囲は、L3 1013として示される。カソード1006が侵食されるにつれて、このカソード範囲は、図10Bに示されるL4 2019まで減少し、最終的には図10Cに示されるL5 2019まで減少する。内方絶縁体1010は、終端部1015から元のカソード範囲L3 1013未満までの範囲L2 1012にわたりマイクロギャップを形成する、導電性または部分導電性の表面処理部1040を有し、外方絶縁体1004は、元のカソード面1017から終端部1015までの範囲未満までの範囲L1 1011にわたり導電性または部分導電性の表面処理部1044を有する。カソード1006の範囲が図10AのL3 1013から図10BのL4 1019へと縮小すると、外方絶縁体1004の表面上の始動アーク経路は延びるが、内方絶縁体1010の始動アーク経路は変化しないまま留まる。最終的に、アーク経路長1044は、プラズマを確実に始動できないほどの長さまで延びてしまうため、図10Bの範囲L4 1019から図10Cに示す推進剤寿命終了(EOL)となる1021までのカソードの寿命期間においては、内方絶縁体1010の表面処理部1040がプラズマ始動を主導する。 10A, 10B, and 10C, an example of the present disclosure shows an inner insulator 1010 having a partially or fully conductive surface treatment 1040 to form a microgap from the cathode opposite the cathode face to a range, such as 30% to 60% of the original cathode extent L3, shown as L1 1011. Here, the original cathode extent from the origin of the cathode 1015 to the cathode face is shown as L3 1013. As the cathode 1006 erodes, this cathode extent decreases to L4 2019, shown in FIG. 10B, and eventually to L5 2019, shown in FIG. 10C. The inner insulator 1010 has a conductive or partially conductive surface treatment 1040 that forms a microgap over a range L2 1012 from the terminal end 1015 to less than the original cathode extent L3 1013, and the outer insulator 1004 has a conductive or partially conductive surface treatment 1044 over a range L1 1011 from the original cathode surface 1017 to less than the terminal end 1015. As the extent of the cathode 1006 decreases from L3 1013 in Figure 10A to L4 1019 in Figure 10B, the starting arc path on the surface of the outer insulator 1004 increases, but the starting arc path on the inner insulator 1010 remains unchanged. Eventually, the arc path length 1044 will extend to a length that will prevent reliable plasma ignition, and the surface treatment 1040 of the inner insulator 1010 will dominate plasma ignition during the cathode life from range L4 1019 in FIG. 10B to the propellant end of life (EOL) 1021 in FIG. 10C.

図10Dは、図10Aの絶縁体1004および電極1002の詳細領域1030を示す。マイクロギャップ始動表面が、外方絶縁体1004上に堆積したグラファイト粒子1032を備え、このグラファイト粒子1032は、例えば以前のプラズマ推力イベントによるMoなどの金属のカソード再堆積物1034でオーバーコートされる。図10Dは初期フェーズを示しており、ここでは、表面コーティング1032のマイクロギャップにおけるスパークにより、マイクロプラズマ1038が形成され、このマイクロプラズマ1038により、図10Eに示す推進フェーズにおける完全なプラズマ放電のための電気経路が形成される。図10Dの始動イベントが、マイクロ秒オーダーで持続し得るのに対して、図10Eの推力イベントは、ミリ秒オーダーで持続する。 Figure 10D shows a detailed region 1030 of the insulator 1004 and electrode 1002 of Figure 10A. The microgap initiation surface comprises graphite particles 1032 deposited on the outer insulator 1004, which are overcoated with a cathodic redeposition 1034 of a metal, e.g., Mo, from a previous plasma thrust event. Figure 10D shows the initial phase, in which a spark in the microgap of the surface coating 1032 forms a microplasma 1038, which provides an electrical path for a full plasma discharge in the thrust phase shown in Figure 10E. The initiation event of Figure 10D can last on the order of microseconds, while the thrust event of Figure 10E lasts on the order of milliseconds.

図3の軸方向トリガー機構および図4の周方向トリガー機構は、図11に示すように、4つのトリガー電極1102A、1102B、1102C、および1102Dと、プラズマを開始するためのマイクロギャップ導電性表面を有する外方絶縁体1104と、カソード1106とを備える、正方形プラズマスラスタのための矩形または正方形のジオメトリへの拡張が可能である。図11Aは、図11Aの断面図を示し、内方トリガー電極1120または内方絶縁体1124を有さない第1の実施形態において示した多孔質アノード114を含む。本開示の別の例では、図11の詳細部1120について図11Bにおいて示される内方トリガー電極1120および内方絶縁体1124の追加要素が使用されてもよい。図11Dは、内方トリガー電極1120および内方絶縁体1124の対応する断面図を示し、この内方絶縁体1124は、前述のようにマイクロギャップを形成する導電性材料で被覆された表面を有する。本開示の別の変形例では、内方トリガー電極1120および内方絶縁体1124のみがトリガーのために使用されてもよく、プラズマスラスタは、外方絶縁体1104ならびに外方トリガー電極1102A、1102B、1102C、および1102Dを備えない。図11Aのジオメトリは、図12のスラスタキューブ1200と共に使用される場合に表面全体を使用するのに好ましい。図11の開示の一例では、図11の正方形または矩形のカソード1106は、単一のトリガー電極またはトリガー電極1102A、1102B、1102C、および1102Dの任意の組合せを使用して始動することができる。詳細部1120に示す本開示の別の変形例では、周囲の外方トリガー電極1102A、1102B、1102C、および1102Dを用いることなく、内方トリガー電極1122および内方絶縁体1124が使用される。 The axial trigger mechanism of FIG. 3 and the circumferential trigger mechanism of FIG. 4 can be extended to a rectangular or square geometry for a square plasma thruster, as shown in FIG. 11, with four trigger electrodes 1102A, 1102B, 1102C, and 1102D, an outer insulator 1104 having a microgap conductive surface for plasma initiation, and a cathode 1106. FIG. 11A shows a cross-sectional view of FIG. 11A, including the porous anode 114 shown in the first embodiment without the inner trigger electrode 1120 or inner insulator 1124. In another example of the present disclosure, the additional elements of the inner trigger electrode 1120 and inner insulator 1124 shown in FIG. 11B for detail 1120 of FIG. 11 may be used. FIG. 11D shows a corresponding cross-sectional view of the inner trigger electrode 1120 and inner insulator 1124, which has a surface coated with a conductive material that forms a microgap as described above. In another variation of the present disclosure, only the inner trigger electrode 1120 and inner insulator 1124 may be used for triggering, and the plasma thruster does not include the outer insulator 1104 and outer trigger electrodes 1102A, 1102B, 1102C, and 1102D. The geometry of FIG. 11A is preferable for full surface use when used with the thruster cube 1200 of FIG. 12. In one example of the disclosure of FIG. 11, the square or rectangular cathode 1106 of FIG. 11 can be triggered using a single trigger electrode or any combination of trigger electrodes 1102A, 1102B, 1102C, and 1102D. In another variation of the present disclosure, shown in detail 1120, the inner trigger electrode 1122 and inner insulator 1124 are used without the surrounding outer trigger electrodes 1102A, 1102B, 1102C, and 1102D.

図10A、図10B、図10C、図10D、および図10Eは、円形または正方形のカソードジオメトリに適用可能なものであると理解されるが、これらに限定されない。さらに、本開示の一例では、外方トリガー電極1002は、2つ以上の分離した導体として形成されてもよく、それにより、図11に関して説明したように、トリガー電極セグメントを個別に作動させることにより、カソードの面にわたりプラズマの個別のトリガーを実施することができる。 It is understood that Figures 10A, 10B, 10C, 10D, and 10E are applicable to, but not limited to, circular or square cathode geometries. Furthermore, in one example of the present disclosure, the outer trigger electrode 1002 may be formed as two or more separate conductors, thereby allowing for individual triggering of the plasma across the face of the cathode by individually actuating the trigger electrode segments, as described with respect to Figure 11.

図12は、一例の3軸推力制御キューブを示す。ここでは、6つの外部表面のうちの5つが、直交推力方向をもたらすように装着されたスラスタを有する。図12の例では、推力キューブ1200の各表面が、直交方向構成で取り付けられた4つのスラスタを有し、下部スラスタ1206は+Z推力をもたらし、上部スラスタ1202は-Z推力をもたらし、左側スラスタ1204は+X推力をもたらし、右側スラスタ1210は-X推力をもたらす。前部スラスタ1210は+Y推力をもたらす。衛星スラスタの場合における典型的な構成では、衛星の反対側に位置する各表面が推力キューブを有するべきであり、そのキューブは、反対方向への-Y推力をもたらすように構成された表面を有するべきである。典型的な衛星の構成では、2~8個またはそれ以上の図12のようなスラスタが使用され得る。各表面が、任意の個数のスラスタを有してもよく、それらのスラスタが個別にまたは群として作動されることにより、直交方向への細分化された推力イベントを実現し得る。衛星の質量中心の周囲に均一のオフセットおよび均一の配向にて3軸推力キューブ1200を取り付けることにより、最初に反対側にそれぞれ位置するスラスタを反対方向へと噴射させることによって回転を開始し、次いで反対側にそれぞれ位置するスラスタを噴射させることによって回転を停止させることによって、回転速度と質量中心に対する静止位置との制御が実現され得る。衛星スラスタの先行技術において周知のように、推力制御キューブ1200上に位置決めされたプラズマスラスタにより生成されるような離散的な推力イベントは、衛星の正確な位置決めおよび配向と、ある軌道位置から別の軌道位置への衛星の移動とに対して使用することが可能である。 Figure 12 shows an example three-axis thrust control cube, where five of the six exterior surfaces have thrusters mounted to provide orthogonal thrust directions. In the example of Figure 12, each surface of the thrust cube 1200 has four thrusters mounted in an orthogonal configuration: the lower thruster 1206 provides a +Z thrust, the upper thruster 1202 provides a -Z thrust, the left thruster 1204 provides a +X thrust, and the right thruster 1210 provides a -X thrust. The forward thruster 1210 provides a +Y thrust. In a typical configuration for satellite thrusters, each surface on opposite sides of the satellite should have a thrust cube, with the cube having a surface configured to provide a -Y thrust in the opposite direction. A typical satellite configuration may use two to eight or more thrusters like those in Figure 12. Each surface may have any number of thrusters, which may be actuated individually or in groups to achieve orthogonal, granular thrust events. By mounting the three-axis thrust cubes 1200 at uniform offsets and uniform orientations around the satellite's center of mass, control of rotation rate and static position relative to the center of mass can be achieved by first firing opposite thrusters in opposite directions to initiate rotation, and then firing opposite thrusters to stop rotation. As is well known in the satellite thruster prior art, discrete thrust events, such as those generated by plasma thrusters positioned on the thrust control cubes 1200, can be used to precisely position and orient the satellite and move it from one orbital location to another.

図13は、図10の推力キューブと共に使用するための一例の3軸スラスタの概略図である。電源1301が、図2で説明したように動作し、DC電源1302が、前述のようにエネルギー貯蔵コンデンサ1308 C1を充電する。コンデンサC1は、並列接続状態の21mFの2つのコンデンサであってもよい。図2に関して説明したように、トリガースイッチ1310が、L1 1306の瞬間電流を最大化するのに十分な時間区間にわたって閉じ、その後、スイッチ1310が解除されて、インダクタL1 1306に貯蔵された電流がスラスタキューブアセンブリ1318内の1つまたは複数の選択されたスラスタへと送られることが可能になる。トリガースイッチ1310は、4つのIGBTデバイスを使用して形成され、貯蔵インダクタL1 1306は、70μHのインダクタであることが可能であり、それにより、320μsの間に150Aまでほぼ直線的に上昇する電流をもたらす。ブロッキングコンデンサ1330は、例えば500nFなどの数値のものであることが可能であり、これは、選択されたトリガー電極に対して絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)1326などのトリガースイッチを介してトリガー電圧を結合する。個々のスラスタの選択は、分離ドライバ1328に対して結合されされたスラスタ選択入力1332を使用して遂行され、これらの分離ドライバ1328は、低電圧制御と、作動されるスラスタ1318の高い過渡電圧からの分離とを可能にする、オプトアイソレータまたは他の分離スイッチ要素であってもよい。例えば1328などの各ドライバが、オン状態またはオフ状態のうちのいずれかにあるトリガースイッチ1326に結合され、このトリガースイッチ1326は、IGBT 1326であってもよい。IGBTスイッチ1326がオン状態にある場合には、瞬間電流は、ブロッキングコンデンサ1330を介して結合され、例えば1334などのトリガースイッチのコレクタ(ドレイン)電極に対して印加される。このトリガースイッチ1334は、オン状態ではエミッタ(ソース)1336に対して接続され、このエミッタ(ソース)1336は、スラスタ1324のトリガー電極に対して対応するトリガー電流を結合する。これにより、カソードからトリガー電極へのトリガープラズマが始動され、このプラズマが、1324のカソード電極からアノード電極1320への主要アーク放電を始動させて、前述したような推力を発生させる。トリガードライバ1316の各ドライバは、個々のスラスタ1338~1322が推力発生イベントごとに個別に選択されるように構成される。前述したように、図13の回路により供給されるプラズマの持続時間は、主としてエネルギー貯蔵デバイス1306およびスラスタ電極のジオメトリにより決定され、6μsの数桁倍の範囲または6μsよりも数桁分の1の範囲内であることが可能である。 FIG. 13 is a schematic diagram of an example triaxial thruster for use with the thrust cube of FIG. 10. Power supply 1301 operates as described in FIG. 2, with DC power supply 1302 charging energy storage capacitor 1308 C1 as previously described. Capacitor C1 may be two 21 mF capacitors in parallel. As described with respect to FIG. 2, trigger switch 1310 closes for a period of time sufficient to maximize the instantaneous current in inductor L1 1306, after which switch 1310 is released, allowing the current stored in inductor L1 1306 to be routed to one or more selected thrusters in thruster cube assembly 1318. Trigger switch 1310 is formed using four IGBT devices, and storage inductor L1 1306 may be a 70 μH inductor, providing a current that rises approximately linearly to 150 A over 320 μs. Blocking capacitor 1330, which may be of a value such as 500 nF, couples the trigger voltage to the selected trigger electrode through a trigger switch, such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) 1326. Selection of individual thrusters is accomplished using thruster select inputs 1332 coupled to isolation drivers 1328, which may be opto-isolators or other isolation switch elements that allow low-voltage control and isolation of the activated thruster 1318 from high transient voltages. Each driver, such as 1328, is coupled to a trigger switch 1326, which may be an IGBT 1326, that is in either an on or off state. When IGBT switch 1326 is in the on state, an instantaneous current is coupled through blocking capacitor 1330 and applied to the collector (drain) electrode of the trigger switch, such as 1334. In the on state, the trigger switch 1334 is connected to an emitter (source) 1336, which couples a corresponding trigger current to the trigger electrode of the thruster 1324. This initiates a trigger plasma from the cathode to the trigger electrode, which initiates a primary arc discharge from the cathode electrode of 1324 to the anode electrode 1320, generating thrust as previously described. Each driver of the trigger driver 1316 is configured so that an individual thruster 1338-1322 is individually selected for each thrust event. As previously described, the duration of the plasma provided by the circuit of FIG. 13 is determined primarily by the geometry of the energy storage device 1306 and the thruster electrodes and can be in the range of several orders of magnitude of 6 μs or within a few orders of magnitude less than 6 μs.

前述したような連続的なプラズマ推力をもたらすための本開示の代替的な一実施形態では、スイッチング可能なDC電源が、図13のアノード電極1312とカソード電極1314との間に適用され得る。選択されたスラスタは、選択されたスラスタにおいてプラズマを始動させるのに十分な、イニシエータ電極(コンデンサ1330に代わる)に対する電圧パルスで始動され、このプラズマは、スイッチング可能なDC電源が除去されるまで連続的に動作する。 In an alternative embodiment of the present disclosure for providing continuous plasma thrust as described above, a switchable DC power supply may be applied between the anode electrode 1312 and the cathode electrode 1314 of FIG. 13. A selected thruster is initiated with a voltage pulse to the initiator electrode (replacing capacitor 1330) sufficient to initiate a plasma in the selected thruster, which will run continuously until the switchable DC power supply is removed.

スラスタキューブ1318において使用される個々のスラスタジオメトリは、図1B、図4、図4A、または図4Bに示される構成のうちのいずれかを含む、図13のスラスタ1338~1322の周方向トリガージオメトリとして示される。周方向トリガースラスタ1338の例は、外方トリガー電極1342、内方カソード電極1342、および絶縁体1346と共に示される。スラスタ1338~1322は、代替的に、図1A、図1B、図3、図3A、図3B、図3C、図3D、図3E、図3F、または図3D、図4、図4A、図4B、図4C、図4D、図4E、図4F、図4G、図4H、図4I、図10A、図10B、図10C、または図11Aに関して前述した軸方向ジオメトリのうちのいずれかにすることも可能である。内方トリガーおよび内方絶縁体の有無または外方トリガーおよび外方絶縁体の有無と伴う図11の変形例では、図3の一連の図および図4の一連の図に示される絶縁体プロファイルのいずれも、プラズマ推力イベントの最中に堆積するカソード材料と気化するカソード材料との間の平衡を確保するために、内方絶縁体または外方絶縁体の形状に対して使用することが可能である。 The individual thruster geometries used in the thruster cube 1318 are shown as circumferential triggering geometries of thrusters 1338-1322 in FIG. 13, including any of the configurations shown in FIG. 1B, 4, 4A, or 4B. An example circumferential triggering thruster 1338 is shown with an outer trigger electrode 1342, an inner cathode electrode 1342, and insulator 1346. The thrusters 1338-1322 could alternatively have any of the axial geometries described above with respect to FIG. 1A, 1B, 3, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F, or 3D, 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G, 4H, 4I, 10A, 10B, 10C, or 11A. In the variation of FIG. 11 with or without an inner trigger and inner insulator or with or without an outer trigger and outer insulator, either of the insulator profiles shown in the series of figures in FIG. 3 and the series of figures in FIG. 4 can be used for the shape of the inner or outer insulator to ensure equilibrium between the cathode material that deposits and the cathode material that vaporizes during a plasma thrust event.

さらに、スラスタキューブ1318のスラスタ1338~1322は、図10のキューブの単一の表面または複数の表面の上に配置され得るものであり、特定の表面上に任意の個数のスラスタが配置されてもよい。衛星の特定の構成では、軌道方向ベクトルが存在する場合があり、作用線(または移動線)に対して対称ではない推力は、衛星に角モーメントを誘導し、これが望ましくない回転を引き起こす場合がある。これに対処するために、特定の表面上に対称的なスラスタのペアを配置し、作用線の各側に1つずつスラスタをペアで作動させて、送達される力に回転モーメントが含まれるのを防ぐことが好ましい場合がある。これらは、本開示の理解のために提示される構成例であり、本開示の範囲を限定するように意図されるものではない。 Furthermore, thrusters 1338-1322 of thruster cube 1318 may be located on a single surface or multiple surfaces of the cube in FIG. 10, and any number of thrusters may be located on a particular surface. In certain configurations of the satellite, an orbital direction vector may exist, and thrust that is not symmetrical about the line of action (or line of motion) may induce angular momentum on the satellite, which may cause undesirable rotation. To address this, it may be preferable to locate symmetric pairs of thrusters on a particular surface, with one thruster on each side of the line of action and operating in pairs to prevent rotational momentum from being included in the delivered force. These are example configurations presented for understanding this disclosure and are not intended to limit the scope of this disclosure.

本開示の一例では、スラスタキューブの表面上の各スラスタが、電源1301のアノード導体1312およびカソード導体1314に対して接続されるように構成され、各スラスタは、スラスタ入力1332を使用して個別に選択可能である。このスラスタ入力1332は、特定のスラスタを選択することによりトリガーパルスを受信して推力を発生させるが、他方において、トリガーパルスを受信しない選択されないスラスタは、受動状態を維持する。このようにすることで、1つまたは複数の直交表面からパルスプラズマを細分化して制御することが可能になる。本開示の一例では、パルス電源1301およびトリガードライバ1316は、図10に示すような内部筐体内にパッケージングされる。この筐体は、図10に示すように外方表面上にスラスタ1318を有し、それによりインダクタ1306からスラスタキューブ1318の選択されたスラスタへの低損失結合が可能となる。 In one example of the present disclosure, each thruster on the surface of the thruster cube is configured to connect to the anode conductor 1312 and cathode conductor 1314 of the power supply 1301, and each thruster is individually selectable using the thruster input 1332. This thruster input 1332 selects a particular thruster to receive a trigger pulse and generate thrust, while unselected thrusters that do not receive a trigger pulse remain passive. This allows for fine-grained control of the pulsed plasma from one or more orthogonal surfaces. In one example of the present disclosure, the pulsed power supply 1301 and trigger driver 1316 are packaged within an internal housing as shown in FIG. 10. This housing has the thrusters 1318 on its outer surface as shown in FIG. 10, allowing for low-loss coupling from the inductors 1306 to the selected thrusters of the thruster cube 1318.

多数のかような構成が考えられるが、この特定の例は、もっぱら説明を目的として提示されたものである。 Many such configurations are possible, but this particular example is presented solely for illustrative purposes.

VATデバイスと比較すると、このMPTは、先行技術のVATとは明確な3つの点において異なる。
(1)MPTは、約200A~300Aまたはそれ以上の範囲内のプラズマアーク電流を有するのに対して、VATは、約100Aの電流を有する。これは、基礎となるエネルギー貯蔵素子の特性を反映するものであり、すなわち、インダクタ(抵抗損失が高い)がコンデンサ(抵抗損失が低い)よりも低い電流をもたらすことを反映している。
(2)MPTアークは、コンデンサを蓄電素子として使用することに起因して、VATにおける
アーク持続時間(約100μs~500μs)に比べてより長い持続時間を有する(約3ms~12ms)。
(3)プラズマを始動するためのMPTにおけるインダクタンスは、約20μH~80μHであるのに対して、インダクタ内にプラズマエネルギーを貯蔵するVATでは、1mH程度である。MPTのインダクタは、各サイクルでアークに対して送達されるエネルギーの2%未満を貯蔵する。
In comparison to VAT devices, the MPT differs from prior art VATs in three distinct ways.
(1) MPTs have plasma arc currents in the range of about 200 A to 300 A or more, while VATs have currents of about 100 A. This reflects the properties of the underlying energy storage elements, namely, that inductors (high resistive losses) will draw lower currents than capacitors (low resistive losses).
(2) MPT arcs have a longer duration (approximately 3 ms to 12 ms) compared to the arc duration in VAT (approximately 100 μs to 500 μs) due to the use of a capacitor as a storage element.
(3) The inductance in an MPT to initiate the plasma is approximately 20 μH to 80 μH, whereas in a VAT, which stores the plasma energy in an inductor, it is approximately 1 mH. The inductor in an MPT stores less than 2% of the energy delivered to the arc each cycle.

MPTによりさらに高いISP値が得られることにより、宇宙ミッションの場合にPPTよりも高い燃料効率が得られる。ロケット方程式からよく知られているように、軌道内での所与のミッションにおいて、所与の排出速度で宇宙船から排出されなければならない推進剤の量は、この排出速度に大きく(指数関数的に)依存する。推進剤質量Mは、宇宙船の初期質量Mと相関関係にある。 The higher ISP values obtained by MPT result in greater fuel efficiency than PPT for space missions. As is well known from the rocket equations, the amount of propellant that must be expelled from a spacecraft at a given expulsion rate for a given mission in orbit depends strongly (exponentially) on this expulsion rate. The propellant mass M p is a function of the initial mass M o of the spacecraft.

ここで、ΔVは、軌道操作に必要とされる速度変化であり、uは、推進剤の排気速度である。この等式1は、所与の操作に対して、排気速度がより高いほど、必要とされる推進剤の質量がより低下することを示す。 where ΔV is the change in velocity required for the orbital maneuver and u e is the propellant exhaust velocity. Equation 1 shows that for a given maneuver, the higher the exhaust velocity, the lower the propellant mass required.

例として、地上500kmの軌道から700kmのより高い軌道へ宇宙船を上昇させる例を考察する。これらの軌道は、国際宇宙ステーション(ISS)の411kmの軌道よりも大幅に高い位置に宇宙船を配置するため、したがって、ISSの軌道に混乱をもたらすことと有人ミッションに対する潜在的脅威をもたらすこととを回避させる。軌道力学の方程式は、かかる軌道操作を達成するために必要とされる速度変化(ΔVとして定義される)を計算するために使用され得る。この速度変化は、110m/sである。Table 2(表2)は、以下の3つの異なるタイプの推進系を挙げている。(1)モリブデンを候補推進剤として用いる本開示の対象である金属プラズマスラスタ、(2)Busek社により販売されるパルスプラズマスラスタ(PPT)、(3)ACCION社により販売されるFEEPスラスタ。 As an example, consider the raising of a spacecraft from a 500 km orbit above Earth to a higher orbit of 700 km. These orbits would place the spacecraft significantly higher than the 411 km orbit of the International Space Station (ISS), thus avoiding disruption to the ISS's orbit and posing a potential threat to crewed missions. Equations of orbital mechanics can be used to calculate the velocity change (defined as ΔV) required to accomplish such an orbital maneuver. This velocity change is 110 m/s. Table 2 lists three different types of propulsion systems: (1) the metal plasma thruster, which is the subject of this disclosure and uses molybdenum as a candidate propellant; (2) the pulsed plasma thruster (PPT) sold by Busek; and (3) the FEEP thruster sold by ACCION.

これらの各スラスタを使用することにより500kmの軌道から700kmの軌道へと5kgの宇宙船(ナノ衛星など)を打ち上げると仮定した場合に(この操作は110m/sのΔVを必要とする)、これらのエンジンのそれぞれにより必要とされる推進剤質量Mは、等式1から計算され、前出の表の最終行に提示されている。Mo MPTおよびACCION FEEPは共に、燃焼のために約30gを必要とする一方で、Teflon(登録商標)(PTFE)PPTは、約100gを必要とする。MPTおよびFEEPのISPがより高いことの利点は、必要とされる推進剤質量がより少ない点である。 Assuming a 5 kg spacecraft (such as a nanosatellite) is launched from a 500 km orbit to a 700 km orbit using each of these thrusters (this maneuver requires a ΔV of 110 m/s), the propellant mass Mp required by each of these engines is calculated from Equation 1 and presented in the last row of the table above. Both the Mo MPT and ACCION FEEP require approximately 30 g for combustion, while the Teflon® (PTFE) PPT requires approximately 100 g. The advantage of the higher ISP of the MPT and FEEP is that less propellant mass is required.

これらの電気推進システムの推力効率はいずれも、主として固体(Teflon(登録商標)PPTもしくはMPT)または液体(FEEP)の状態からイオンを生成するためのエネルギーコストにより決定される。FEEPは、これらの3つのシステムの中で最も効率が高い。なぜならば、電界気化は、ポテンシャル障壁を越える量子トンネル効果による直接的な非熱抽出であるからである。Teflon(登録商標)PPTおよびMPTは共に、原子をイオン化するために熱処理を利用する。このような熱処理においては、イオン化コストははるかに高く、原子あたり約100eVであるのに対して、FEEPにおいては、原子あたり約10eVである。結果として、FEEPの推力/入力電力比は、テフロン(登録商標)PPTまたはMPTよりも高い。しかし、MPTの質量(所与の電力に対する)は、FEEPよりもはるかに低い。したがって、MPTおよびFEEPの推力/質量比は同程度である。 The thrust efficiency of all these electric propulsion systems is primarily determined by the energy cost of generating ions from the solid (Teflon® PPT or MPT) or liquid (FEEP) state. FEEP is the most efficient of these three systems because electrochemical evaporation is a direct, non-thermal extraction process via quantum tunneling across a potential barrier. Both Teflon® PPT and MPT utilize a thermal process to ionize atoms. In such a thermal process, the ionization cost is much higher: approximately 100 eV per atom, compared to approximately 10 eV per atom for FEEP. As a result, the thrust-to-input power ratio of FEEP is higher than that of Teflon® PPT or MPT. However, the mass (for a given power) of MPT is much lower than that of FEEP. Therefore, the thrust-to-mass ratios of MPT and FEEP are comparable.

本開示に示す例は、本開示を理解するために意図されたものであり、本開示は、多数の異なる方法で実施することが可能である。インダクタ、第1のコンデンサ、第2のコンデンサ、電圧および電流、トリガー電極-カソード電極間の距離、絶縁体ギャップ、ならびに絶縁体表面のプロファイルおよび形状の値の例は、典型例であり、本開示を限定するものではないことが理解される。本開示は、添付の特許請求の範囲により規定される。およそのオーダーの範囲内で参照される数量は、参照される数量の10倍もしくは以上においてより大きい値か、または10分の1もしくはそれ以下において小さい値であると理解される。一変形例では、トリガー電流は、定期的に測定され、推力サイクルを開始するための閾値電圧をより高い電圧レベルまたはより低い電圧レベルへと適応的に変化させるために使用される。このようにして、絶縁体の表面上への金属堆積の増加(アーク発生時におけるV/Iピークの上昇)が検出されると、結果として閾値電圧を変更してエロージョン率を上昇させ、金属侵食の増加(アーク発生時におけるV/Iピークの低下)が検出されると、結果として閾値電圧を逆方向に変更する。より高い電圧またはより低い電圧へのコントローラの閾値調節方向は、測定値に基づき、または電極損耗、パルス放電回数、もしくは他のアルゴリズムに基づき適応的に実施することが可能である。 The examples provided in this disclosure are intended to aid in understanding the disclosure, which may be implemented in many different ways. It is understood that the example values for the inductor, first capacitor, second capacitor, voltage and current, trigger electrode-cathode electrode distance, insulator gap, and insulator surface profile and shape are exemplary and not limiting of the disclosure. The disclosure is defined by the appended claims. Quantities referenced within approximate order ranges are understood to be 10 times or more greater, or 10 times or less less than the referenced quantity. In one variation, the trigger current is periodically measured and used to adaptively change the threshold voltage for initiating a thrust cycle to a higher or lower voltage level. In this manner, detecting increased metal deposition on the insulator surface (increased V/I peak at arcing) results in a change to the threshold voltage, increasing the erosion rate, and detecting increased metal erosion (decreased V/I peak at arcing) results in a change to the threshold voltage in the opposite direction. The controller's threshold adjustment to a higher or lower voltage can be adaptively based on measurements, electrode wear, number of pulse discharges, or other algorithms.

101 環状絶縁体
102 トリガーリード、トリガー電極、トリガー
104 カソードリード、カソード
106 アノードリード、アノード
108 カソード面、カソード、カソード電極
109 外方周方向トリガー電極
110 中央トリガー電極
111 絶縁体
113 中央カソード面、カソード
114 アノード、多孔質アノード
120 プラズマ
122 絶縁破壊
201 電源
202 電源
203 コントローラ
204 インダクタL1,コイルL1
206 エネルギー貯蔵コンデンサC1、回路C1
207 プラズマスラスタ
207A 軸方向トリガースラスタ
207B 周方向トリガースラスタ
207C 第3のスラスタ
208 スイッチT1
209 過電圧デバイス、金属酸化物バリスタ(MOV)、保護デバイス
210 ブロッキングコンデンサC2、トリガーコンデンサC2
301 領域
302 カソード面
304 平坦絶縁体表面、絶縁界面
305 近位表面
306 近位表面、絶縁体、溝、ステップ状表面
312 堆積表面
314 遮蔽表面
318 露出表面
320 遮蔽表面
321 ピーク
326 傾斜状絶縁体
328 プロファイル、平坦表面
330 表面
331 平坦表面
401 領域
402 表面プロファイル
403 中心軸
404 表面
406 ステップ状表面
414 特徴部
416 特徴部
417 特徴部
502 閾値電圧
504 電圧Vc
508 Vg
602 波形
604 波形
701 時間
702 アノード電流プロット
703 時間
704 プロット
804 トリガー電極電流
806 トリガー電極Vtrig
807 T1区間
902 波形
904 スイッチ電圧
906 インダクタ電流
1002 外方トリガー電極
1002 電極
1004 外方絶縁体
1006 金属カソード
1008 中央内方トリガー電極
1010 内方絶縁体
1011 範囲L1
1012 範囲L2
1013 カソード範囲L3
1015 終端部、カソード
1017 カソード面範囲
1019 範囲L4
1020 範囲
1022 矢印
1023 さらに太い矢印
1024 矢印
1030 詳細領域
1032 グラファイト粒子、表面コーティング
1034 カソード再堆積物
1038 マイクロプラズマ
1040 表面処理部
1044 表面処理部、グラファイト表面、アーク経路長
1102A 外方トリガー電極
1102B 外方トリガー電極
1102C 外方トリガー電極
1102D 外方トリガー電極
1104 外方絶縁体
1106 カソード
1120 内方トリガー電極
1122 内方トリガー電極
1124 内方絶縁体
1200 スラスタキューブ、推力キューブ、3軸推力キューブ、推力制御キューブ
1202 上部スラスタ
1204 左側スラスタ
1206 下部スラスタ
1210 前部スラスタ
1210 右側スラスタ
1301 電源、パルス電源
1302 DC電源
1306 エネルギー貯蔵デバイス、貯蔵インダクタL1
1308 エネルギー貯蔵コンデンサ
1310 トリガースイッチ
1312 アノード電極、アノード導体
1314 カソード電極、カソード導体
1316 トリガードライバ
1318 スラスタキューブアセンブリ、スラスタ、スラスタキューブ
1320 アノード電極
1324 スラスタ
1326 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、IGBTスイッチ、トリガースイッチ
1328 分離ドライバ
1330 ブロッキングコンデンサ
1332 スラスタ選択入力
1334 トリガースイッチ
1336 エミッタソース
1338 周方向トリガースラスタ
1342 内方カソード電極、外方トリガー電極
1346 絶縁体
2019 L4、L5
101 Annular insulator 102 Trigger lead, trigger electrode, trigger 104 Cathode lead, cathode 106 Anode lead, anode 108 Cathode surface, cathode, cathode electrode 109 Outer circumferential trigger electrode 110 Central trigger electrode 111 Insulator 113 Central cathode surface, cathode 114 Anode, porous anode 120 Plasma 122 Dielectric breakdown 201 Power supply 202 Power supply 203 Controller 204 Inductor L1, coil L1
206 Energy storage capacitor C1, circuit C1
207 Plasma thruster 207A Axial trigger thruster 207B Circumferential trigger thruster 207C Third thruster 208 Switch T1
209 Overvoltage device, metal oxide varistor (MOV), protection device 210 Blocking capacitor C2, trigger capacitor C2
301 Region 302 Cathode surface 304 Flat insulator surface, insulating interface 305 Proximal surface 306 Proximal surface, insulator, groove, stepped surface 312 Deposition surface 314 Shielding surface 318 Exposed surface 320 Shielding surface 321 Peak 326 Graded insulator 328 Profile, flat surface 330 Surface 331 Flat surface 401 Region 402 Surface profile 403 Central axis 404 Surface 406 Stepped surface 414 Feature 416 Feature 417 Feature 502 Threshold voltage 504 Voltage Vc
508 Vg
602 Waveform 604 Waveform 701 Time 702 Anode current plot 703 Time 704 Plot 804 Trigger electrode current 806 Trigger electrode Vtrig
807 T1 section 902 Waveform 904 Switch voltage 906 Inductor current 1002 Outer trigger electrode 1002 Electrode 1004 Outer insulator 1006 Metal cathode 1008 Central inner trigger electrode 1010 Inner insulator 1011 Region L1
1012 Range L2
1013 Cathode range L3
1015 End portion, cathode 1017 Cathode surface range 1019 Range L4
1020 Area 1022 Arrow 1023 Thicker Arrow 1024 Arrow 1030 Detail Area 1032 Graphite Particles, Surface Coating 1034 Cathode Redeposition 1038 Microplasma 1040 Surface Treatment 1044 Surface Treatment, Graphite Surface, Arc Path Length 1102A Outer Trigger Electrode 1102B Outer Trigger Electrode 1102C Outer Trigger Electrode 1102D Outer Trigger Electrode 1104 Outer Insulator 1106 Cathode 1120 Inner Trigger Electrode 1122 Inner Trigger Electrode 1124 Inner Insulator 1200 Thruster Cube, Thrust Cube, 3-Axis Thrust Cube, Thrust Control Cube 1202 Upper Thruster 1204 Left Thruster 1206 Lower Thruster 1210 Forward thruster 1210 Right thruster 1301 Power supply, pulsed power supply 1302 DC power supply 1306 Energy storage device, storage inductor L1
1308 energy storage capacitor 1310 trigger switch 1312 anode electrode, anode conductor 1314 cathode electrode, cathode conductor 1316 trigger driver 1318 thruster cube assembly, thruster, thruster cube 1320 anode electrode 1324 thruster 1326 insulated gate bipolar transistor (IGBT), IGBT switch, trigger switch 1328 isolation driver 1330 blocking capacitor 1332 thruster select input 1334 trigger switch 1336 emitter source 1338 circumferential trigger thruster 1342 inner cathode electrode, outer trigger electrode 1346 insulator 2019 L4, L5

Claims (11)

金属プラズマスラスタであって、
多孔質アノードと、
内方トリガー電極と、
前記内方トリガー電極を囲み、第1の導電性コーティングを有する内方絶縁体であって、前記第1の導電性コーティングはマイクロギャップを有し、前記第1の導電性コーティングは前記内方トリガー電極のある範囲と接触状態にある、内方絶縁体と、
前記内方絶縁体を囲み、第1の範囲を有する金属カソードと、
前記金属カソードを囲む外方絶縁体であって、前記外方絶縁体は、前記金属カソードの外方表面のある範囲および前記外方絶縁体の面にわたる第2の導電性コーティングを有し、前記第2の導電性コーティングは追加のマイクロギャップを有する、外方絶縁体と、
前記第2の導電性コーティングと接触状態にある外方トリガー電極と
を備え、
前記金属カソードは、終端部から前記多孔質アノードに対して露出するカソード面のある範囲とを有し、
前記内方絶縁体は、前記第1の範囲よりも小さい前記終端部からの第2の範囲を有し、
前記第2の導電性コーティングは、前記第1の範囲よりも小さい前記カソード面から開始する前記外方絶縁体の内方表面に沿った第3の範囲を有する、金属プラズマスラスタ。
1. A metal plasma thruster, comprising:
a porous anode;
an inner trigger electrode;
an inner insulator surrounding the inner trigger electrode and having a first conductive coating, the first conductive coating having a microgap, the first conductive coating being in contact with an area of the inner trigger electrode;
a metal cathode surrounding the inner insulator and having a first extent;
an outer insulator surrounding the metal cathode, the outer insulator having a second conductive coating over a portion of an outer surface of the metal cathode and across a face of the outer insulator, the second conductive coating having an additional microgap;
an outer trigger electrode in contact with the second conductive coating;
the metal cathode has a region of the cathode surface exposed from a terminal end to the porous anode;
the inner insulator has a second extent from the terminal end that is smaller than the first extent;
the second conductive coating has a third extent along the inner surface of the outer insulator starting at the cathode face that is smaller than the first extent.
前記金属カソードは、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ラジウム(Ra)、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、セリウム(Ce)、ユーロピウム(Eu)、イッテルビウム(Yb)、カルシウム(Ca)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、銀(Ag)、ネオジム(Nd)、アクチニウム(Ac)、金(Au)、サマリウム(Sm)、銅(Cu)、プロメチウム(Pm)、ウラン(U)、マンガン(Mn)、ベリリウム(Be)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ニッケル(Ni)、ホルミウム(Ho)、コバルト(Co)、エルビウム(Er)、イットリウム(Y)、鉄(Fe)、スカンジウム(Sc)、ツリウム(Tm)、パラジウム(Pd)、プロトアクチニウム(Pa)、ルテチウム(Lu)、チタン(Ti)、トリウム(Th)、白金(Pt)、ジルコニウム(Zr)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、ロジウム(Rh)、ハフニウム(Hf)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、オスミウム(Os)、レニウム(Re)、タングステン(W)、炭素(C)、フランシウム(Fr)、セシウム(Cs)、ガリウム(Ga)、ルビジウム(Rb)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、インジウム(In)、リチウム(Li)、スズ(Sn)、ポロニウム(Po)、ビスマス(Bi)、タリウム(Tl)、カドミウム(Cd)、鉛(Pb)、および亜鉛(Zn)の中の少なくとも1つを含む合金または元素からなる、請求項1に記載の金属プラズマスラスタ。 The metal cathode may be selected from magnesium (Mg), aluminum (Al), radium (Ra), barium (Ba), strontium (Sr), cerium (Ce), europium (Eu), ytterbium (Yb), calcium (Ca), lanthanum (La), praseodymium (Pr), silver (Ag), neodymium (Nd), actinium (Ac), gold (Au), samarium (Sm), copper (Cu), promethium (Pm), uranium (U), manganese (Mn), beryllium (Be), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), nickel (Ni), holmium (Ho), cobalt (Co), erbium (Er), yttrium (Y), iron (Fe), scandium (Sc), thulium (Tm), palladium (Pd), protactinium (Pa), lutetium (L), or the like. 10. The metal plasma thruster of claim 1, wherein the metal plasma thruster is made of an alloy or element comprising at least one of: titanium (Ti), thorium (Th), platinum (Pt), zirconium (Zr), chromium (Cr), vanadium (V), rhodium (Rh), hafnium (Hf), technetium (Tc), ruthenium (Ru), iridium (Ir), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), osmium (Os), rhenium (Re), tungsten (W), carbon (C), francium (Fr), cesium (Cs), gallium (Ga), rubidium (Rb), potassium (K), sodium (Na), indium (In), lithium (Li), tin (Sn), polonium (Po), bismuth (Bi), thallium (Tl), cadmium (Cd), lead (Pb), and zinc (Zn). 前記第1の導電性コーティングまたは前記第2の導電性コーティングのうちの少なくとも一方が、グラファイトを含む、請求項1に記載の金属プラズマスラスタ。 The metal plasma thruster of claim 1, wherein at least one of the first conductive coating or the second conductive coating comprises graphite. 前記カソード面が正方形または矩形である、請求項1に記載の金属プラズマスラスタ。 The metal plasma thruster of claim 1, wherein the cathode surface is square or rectangular. 前記外方トリガー電極は正方形または矩形である、請求項1に記載の金属プラズマスラスタ。 The metal plasma thruster of claim 1, wherein the outer trigger electrode is square or rectangular. 前記外方トリガー電極は複数の導電性セグメントを備える、請求項5に記載の金属プラズマスラスタ。 A metal plasma thruster as described in claim 5, wherein the outer trigger electrode comprises a plurality of conductive segments. 前記複数の導電性セグメントの前記導電性セグメントのうちの少なくとも1つが、前記金属カソードのエッジに対して平行な直線状エッジを含む、請求項6に記載の金属プラズマスラスタ。 7. The metal plasma thruster of claim 6, wherein at least one of the conductive segments of the plurality of conductive segments includes a straight edge that is parallel to an edge of the metal cathode. 前記カソード面が円形である、請求項1に記載の金属プラズマスラスタ。 The metal plasma thruster of claim 1, wherein the cathode surface is circular. 前記マイクロギャップまたは前記追加のマイクロギャップに形成される放電が、前記金属カソードと前記多孔質アノードとの間に形成されるプラズマを始動させる、請求項1に記載の金属プラズマスラスタ。 2. The metal plasma thruster of claim 1, wherein a discharge formed in the microgap or the additional microgap initiates a plasma formed between the metal cathode and the porous anode. 前記内方絶縁体または前記外方絶縁体のうちの少なくとも一方が、セラミック、アルミナ、ガラス、またはエポキシラミネートのうちの少なくとも1つから形成される、請求項1に記載の金属プラズマスラスタ。 The metal plasma thruster of claim 1, wherein at least one of the inner insulator or the outer insulator is formed from at least one of ceramic, alumina, glass, or epoxy laminate. 前記グラファイトが、前記内方絶縁体、または、前記多孔質アノードに面する前記外方絶縁体の表面の上に配置される、請求項3に記載の金属プラズマスラスタ。 4. The metal plasma thruster of claim 3, wherein the graphite is disposed on the inner insulator or a surface of the outer insulator facing the porous anode.
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