CA2139581A1 - Fixed plasma motor - Google Patents
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Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
- wo 94f02738 1 2 13 9 ~ 81 PCr/FR92/00836 `
` Moteur à plasma à dérive fermée d'électrons .
l~omaine de l'invention La présente invention concerne les moteurs à plasma appliqués notamment à
la propulsion spatiale et plus particulièrement les moteurs à plasma du type à dérive S fermée d'électrons encore appelés moteurs à plasma stationnaire ou aux Etats-Unis d'A~nérique "moteurs de Hall".
A~ anté~eur Les moteurs électriques sont destinés essentiellement aux applications de propulsion s~atiales. En tant que sources d'ions ou de plasma, ils sont aussi utilisés 10 pour des applications terrestres, notamment pour l'usinage ionique. Grâce à leur haute impulsion spécifique (de 1500 à 6000s) ils perrnettent des gains de masse considérables sur les satellites par rapport à des moteurs utilisant la propulsion 3 chimique.
L'une des applications typiques de ce type de moteurs est le contrôle Nord-Sud des satellites geostationnaires, où il permet des gains de masse de 10 à 15%. Il 3 peut être aussi utilisé en compensation de traînée en orbite basse, en maintien d'orbite heliosynchrone et en propulsion primaire interplanétaire.
Les propulseurs ioniques peuvent se répartir en plusieurs catégories.
Un premier type de propulseur ionique est ainsi constitué par un moteur à
ionisation par bombardement encore appelé moteur Kaufman. Des exemples d'un tel type de propulseur sont décrits notamment dans les documents EP-A-0 132 065, WO 89/05404 et EP-A-0 468 706.
Dans un moteur à ionisation par bombardement, des atomes de gaz propulsif sont introduits sous faible pression dans une chambre de décharge où ils sont 2i bombardés par des électrons émis par une cathode creuse et collectés par une anode.
Le procédé d'ionisation est augmenté par la présence d'un champ magnétique. Un certain nombre de collisions atomes-électrons conduisent à la cIéation d'un plasma dont les ions sont attirés par les électrodes d'accélération (grilles de sortie), elles-mêmes à un potentiel négatif par rapport au potentiel du plasma. Les électrodes concentrent et accélèrent les ions qui sortent du propulseur en un rayonnement large.
Le rayonnement d'ions est cnsuite neutralisé par un flux d'électrons émis à partir d'une cathode creuse e~teme, appelée neutraliseur.
Les impulsions spécifiques (Isp) obtenues par ce type dc propulseurs sont de l'ordre de 3000 secondes et au-delà.
La puissance rlécessaire est de l'ordre de 30W par mN de poussée.
, wo 94/02738 2 13 (3 5 8 1 2 PCr/FR92/0~5 ~- D'autre types de moteurs à ionisation sont constitués par des moteurs à
ionisation par radiofréquence, des moteurs à ionisation par contact ou encore des moteurs à émission de champ.
Ces divers moteurs à ionisation, y compris les moteurs à ionisation par S bombardement, ont en commun d'avoir des fonctions d'ionisation et d'accélération des ions clairement séparées.
Il ont aussi en commun le fait de présenter une densité de courant dans l'optique ionique limitée par le phénomène de charge d'espace, densité limitée pratiquement à 2-3mA/cm2 pour les moteurs à ionisation par bombardement, donc de10 présenter une poussée aréolaire assez faible.
De plus, ces moteurs, et les moteurs à bombardement en particulier, , nécessitent un certain nombre d'alimentations électriques (entre 4 et 10), ce ~ui conduit à la réalisation de circuits électroniques de conversion et de contrôle assez complexes.
On connait encore, notamment par un article de L.H. ARTSIMOVITCH et al.
paru en 1974 concemant le programme de développement du moteur à plasma stationnaire (SPD) etses essais sur le satellite "METEOR", des moteurs du type "à dérive fermée d'électrons" ou moteurs à plasma stationnaire qui se distinguent des autres catégories ;~ 20 par le fait que l'ionisation et l'accélération ne sont pas différenciées et que la zone d'accelération comporte un nombre d'ions et d'électrons égal, ce qui pemmet d'éliminer -~ tout phénomène de charge d'espace.
On décrira ci-après, en référence à la figure '', un moteur à dérive fermée d'électrons tel qu'il a été proposé dans l'article précité de L.H. ARTSIMOVITCH et al.
Un canal annulaire 1 défini par une pièce ' en matériau isolant est placé dans un électro-aimant comprenant des pièces polaires annulaires exteme 3 et interne 4 placées respectivement à l'extérieur et à l'intérieur de la pièce 2 en matériau isolant, ; une culasse magnétique 1 ' disposée à l'amont du moteur et des bobines d'électroaimant 11 qui slétendent sur toute le longueur du canal 1 et sont montées en série autour de noyaux magnétiques 10 reliant la pièce polaire exteme 3 à la culasse . 1'. Une cathode creuse 7, connectée à la masse, est couplée à un dispositif d'alimentation en xenon pour former un nuage de plasma de~ant la sortie aval du canal 1. Une anode annulaire 5 reliée au pole positif d`une source d'alimentation électrique par exemple de 300 ~, olts est disposee dans la partie amont femnée du canal annulaire 1. Un tube d'injection de xenon 6, coopérant a~ec un isolateur therrnique et ., WO 94/02738 - wo 94f02738 1 2 13 9 ~ 81 PCr / FR92 / 00836 ``
`Closed electron drift plasma engine.
the omaine of the invention The present invention relates to plasma motors applied in particular to space propulsion and more particularly the drift type plasma engines Closed S of electrons also called stationary plasma motors or in the United States of A ~ generic "Hall motors".
A ~ ante ~ eur The electric motors are mainly intended for the applications of propulsion s ~ atiales. As sources of ions or plasma, they are also used 10 for terrestrial applications, in particular for ionic machining. Thanks to their high specific impulse (from 1500 to 6000s) they allow mass gains considerable on satellites compared to engines using propulsion 3 chemical.
One of the typical applications of this type of engine is the Nord-South of geostationary satellites, where it allows mass gains of 10 to 15%. he 3 can also be used for drag compensation in low orbit, orbit maintenance heliosynchronous and in primary interplanetary propulsion.
Ion thrusters can be divided into several categories.
A first type of ionic propellant is thus constituted by a motor with bombardment ionization also called Kaufman engine. Examples of such type of propellant are described in particular in documents EP-A-0 132 065, WO 89/05404 and EP-A-0 468 706.
In a bombardment ionization engine, propellant atoms are introduced under low pressure into a discharge chamber where they are 2i bombarded by electrons emitted by a hollow cathode and collected by an anode.
The ionization process is increased by the presence of a magnetic field. A
number of atom-electron collisions lead to the creation of a plasma whose ions are attracted by the acceleration electrodes (output grids), they same at a negative potential compared to the plasma potential. The electrodes concentrate and accelerate the ions leaving the propellant in broad radiation.
The ion radiation is then neutralized by a flow of electrons emitted from a e ~ teme hollow cathode, called neutralizer.
The specific pulses (Isp) obtained by this type of propellants are of around 3000 seconds and beyond.
The power required is of the order of 30W per mN of thrust.
, wo 94/02738 2 13 (3 5 8 1 2 PCr / FR92 / 0 ~ 5 ~ - Other types of ionization motors are constituted by motors with radiofrequency ionization, contact ionization motors or even field emission motors.
These various ionization engines, including ionization engines by Bombardment, have in common to have functions of ionization and acceleration of clearly separated ions.
They also have in common the fact of having a current density in ion optics limited by the phenomenon of space charge, limited density practically at 2-3mA / cm2 for bombardment ionization engines, therefore de10 have a fairly low areolar thrust.
In addition, these engines, and bombardment engines in particular, , require a certain number of power supplies (between 4 and 10), this ~ ui leads to the realization of electronic conversion and control circuits enough complex.
We still know, in particular by an article by LH ARTSIMOVITCH et al.
published in 1974 concerning the stationary plasma engine (SPD) development program and its tests on the "METEOR" satellite, of "drift closed" type engines of electrons "or stationary plasma motors which differ from other categories ; ~ 20 by the fact that the ionization and the acceleration are not differentiated and that the area has an equal number of ions and electrons, which eliminates - ~ any space charge phenomenon.
A closed drift motor will be described below, with reference to the figure '' of electrons as proposed in the aforementioned article by LH ARTSIMOVITCH et al.
An annular channel 1 defined by a piece 'of insulating material is placed in an electromagnet comprising annular pole pieces external 3 and internal 4 placed respectively outside and inside the part 2 made of insulating material, ; a magnetic yoke 1 'arranged upstream of the engine and the coils solenoid 11 which extend over the entire length of channel 1 and are mounted in series around magnetic cores 10 connecting the outer pole piece 3 to the cylinder head . 1 '. A hollow cathode 7, connected to ground, is coupled to a device supply of xenon to form a plasma cloud of ~ ant the downstream outlet of the channel 1. An annular anode 5 connected to the positive pole of a power source electric for example 300 ~, olts is arranged in the upstream female part of the channel annular 1. A xenon injection tube 6, cooperating with a thermal insulator and ., WO 94/02738
2 1 3 9 S ~ 1 PCl /FR92/00836 . . .
. ' ~
électrique 8 débouche dans un canal de distribution annulaire 9 disposé
immédiatement au voisinage de l'anode annulaire 5.
Les électrons d'ionisation et de neutralisation proviennent de la cathode creuse7. Les électrons d'ionisation sont attirés dans le canal annulaire isolant 1 par le champ ``; S électrique régnant entre l'anode 5 et le nuage de plasma issu de la cathode 7.
~ Sous l'effet du champ électrique E et du champ magnétique B créé par les t bobines 11, les électrons d'ionisation prennent une trajectoire de dérive en azimuth nécessaire pour maintenir le champ électrique dans le canal.
~i Les électrons d'ionisation dérivent alors selon des trajectoires ferrnées à
l'intérieur du canal isolant, d'où le nom du moteur.
Le mouvement de dérive des électrons augmente considérablement la probabilité de collision des électrons avec les atomes neutres, phénomène produisant les ions (ici de xenon).
L'impulsion spécifique obtenue par des moteurs ioniques classiques à dérive fermée d'électrons fonctionnant au xenon est de l'ordre de 1000 à 2500 secondes.Dans les moteurs ioniques classiques à dérive fermée d'électrons, la zone d'ionisation n'est pas organisée, ce qui a pour résultat qu'ils ne fonctionnent bien qu'au xenon, que le jet est divergent (+ 20- d'ou~erture de faisceau), et que le rendement est limité à environ 50%.
En outre, la divergence du jet entraîne une usure de la paroi du canal isolant dont le matériau est habituellement un mélange de nitrure de bore et d'alumine.
La durée de vie d'un tel moteur est d'environ 3000h.
Obiet et desc~m~ DJention L~ présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des moteurs à
~j 25 plasma connus et plus particulièrement de modifier les moteurs à plasma à dérive fermée d'électrons afin d'améliorer leurs caractéristiques techniques et notamment de permettre une meilleure organisation de la zone d'ionisation sans créer pour autant de charge d'espace comme dans les moteurs ioniques à bombardement par exemple.
L'invention vise encore à réduire la diver_ence du faisceau et accroître la ;, densité du faisceau d'ions, le rendement électrique, I'impulsion spécifique et la durée ' de vie.
Ces buts sont atteints grâce à un moteur à plasma à dérive fermée d'électrons, comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération délimité par des pièces en matériau isolant et ouvert à son e~trémité aval, au moins une cathode creuse disposée à l'extérieur du canal annulaire principal du côté de la partie a~al de celui-ci ,~
, .
wo 94/02738 PCI/FR92/~6 2l3958l une anode annulaire concentrique au canal annulaire principal et disposée à distance de l'extrémité aval ouverte, des premiers et deuxièmes moyens d'alimentation en gaz ionisable associés respectivement à la cathode creuse et à l'anode annulaire, et des moyens de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une chambre tampon annulaire qui présente dans le sens radial une dimension plus grande que celle du canal annulaire principal e~
s'étend en amont de celui-ci au-delà de la zone dans laquelle est placée l'anodeannulaire, en ce que les deuxièmes moyens d'alimentation en gaz ionisable . débouchent en amont de l'anode à travers un distributeur annulaire dans une zone distincte de la zone portant l'anode, et en ce que les moyens de création d'un champ ,. mag,nétique dans le canal principal sont adaptés pour produire dans ce canal principal s un champ magnétique essentiellement radial qui présente un gradient avec une induction maximale à l'extrémité a~ al du canal, les lignes de champ étant essentiellement parallèles à la &ce de sortie perpendiculaire à l'axe du moteur, à
I'extrémité aval du canal, et une induction minimale dans la zone de transition située ~, au voisinage de l'anode entre la chambre tampon et le canal principal de manière à
favoriser l'ionisation du gaz ionisable.
, Avantageusement, la chambre tampon présente dans le sens radial une dimension qui est de l'ordre du double de la dimension radiale du canal principal.
A titre d'exemple, la chambre tampon présente dans le sens axial une dimension qui est de l'ordre de 1,5 fois la dimension radiale du canal principal.
.- Selon une caractéristique importante de l'invention, le circuit magnétique comprend plusieurs moyens distincts de création d'un champ magnétique et des pièces polaires radiales planes inteme et externe disposées au niveau de la face de i 25 sortie de part et d'autre du canal principal et reliées entre elles par une âme centrale, une culasse située en amont de la chambre tampon. et un circuit magnétique périphérique disposé axialement à l'extérieur du canal principal et de la chambre tampon.
Dans ce cas, de façon plus particulière, les moyens distincts de création d'un champ magnétique comprennent un premier moyen disposé autour et à l'extérieur ducanal principal au voisinage de l'extrémité aval de celui-ci, un deuxième moyen disposé autour de l'âme centrale dans une zone faisant face à l'anode et s'étendant partiellement en face de la chambre tampon, et un troisième mo~ en disposé autour de I'âme centrale entre le deuxième moyen et l'extrémité aval du canal principal.
Avantageusement, les premier, deuxième et troisicme moyens de création WO 94/02738 PCr/FR92/00836 magnétique présentent des tailles différentes.
Selon un mode de réalisation possible, les premier, deuxième et troisième - moyens de création magnétique sont constitués par des bobines d'induction.
Toutefois, pour certaines applications, les premier, deuxième et troisième moyens de création d'un champ magnétique sont formés au moins partiellement par des aimants permanents dont le point de Curie est supérieur à la température de fonctionnement du moteur.
Grâce notamment à la séparation physique de l'anode et du distributeur de gaz ionisable, à l'existence d'une chambre tampon et à la réalisation d'un champ ., 10 magnetique radial présentant un gradient particulier, le moteur à plasma selon l'invention présente l'ensemble des avantages suivants:
a) - ionisation plus efficace, d'où un rendement plus élevé, b) - possibilité d'ioniser facilement des gaz propulsifs divers le Xenon, I'Argon, etc...grâce à une amélioration du processus d'ionisation, lS c) - obtention d'équipotentielles électrostatiques réduisant la divergence du faisceau d'où
c1) une intégration plus facile au satellite, c2) une usure plus faible du canal d'accélération, Brève descnption des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
- la figure 1 est une vue en élévation et en demi-coupe axiale d'un exemple de moteur à plasma à dérive fermée d'électrons conforme à la présente invention, 1 25 - la figure 2 est une vue en coupe aYiale montrant un exemple de moteur à
-~ plasma à dérive fermée d'électrons selon l'art antérieur, - la figure 3 est une vue en demi-coupe axiale montrant une variante de -~ réalisation de l'invention, avec un agencement différent des mo,~ ens d'introduction de gaz ionisable, - les figures 4 à 7 sont des vues partielles en demi-coupe axiale de moteurs à
-~- plasma selon l'invention montrant différcnts modes de réalisation de l'ensemble ~ constitué par la chambre tampon, le canal principal, I'anode et le distributeur de gaz ,j ionisable~
- la figure 8 est une vue en perspective d'un e~emple de moteur à plasma selon l'invention monté sur la structure d'un satellite, et .
;
;
WO 94/02738 P~/FR92/00 ` 21~g~)816 - la figure 9 est une vue de détail montrant un exemple de fixation des pièces isolantes définissant le canal principal d'un moteur à plasma selon l'invention.y Desc~iption détaillée des modes particuliers de réalisation '~d On voit sur la figure 1 un exemple de moteur à plasma 20 à dérive fermée ~- S d'électrons conforme à l'invention, qui comprend un ensemble de pièces 22 en matériau isolant délimitant un canal annulaire 1 fonné en amont d'une première partie constituée par une chambre tampon 3 et en aval d'une deuxième partie s constituée par un canal d'accélération 24.
La chambre annulaire 23 présente de préférence une dimension dans le sens radial qui est de l'ordre du double de la dimension dans le sens radial du canalannulaire d'accélération 24. Dans le sens axiai, la chambre tampon 3 peut être un peu plus courte que le canal d'accélération 24 et présente avantageusement une longueur ~. qui est de l'ordre de une fois et demie la dimension d dans le sens radial du canal d'accélération 24.
Une anode 2S, reliée par une ligne électrique 43 à une source de tension continue 44, qui peut être par exemple de l'ordre de ~00 à 300 V, est disposée sur les pièces isolantes _ délimitant le canal annulaire -1, dans une zone située immédiatement en aval de la chambre tampon '3, à l'entrée du canal d'accélération 24. La ligne 43 d'alimentation de l'anode 25 est disposée dans un tube isolant 45 qui traverse le fond du moteur constitué par une plaque 36 formant culasse magnétique et . des pièces 223,224 en matériau isolant délimitant la chambre tampon 23.
Un tube 26 d'alimentatioll en gaz ionisable tel que du xenon traverse également la culasse 36 et le fond ~3 de la chambre tampon 3 pour déboucher dansun distributeur annulaire de gaz 27 placé dans le fond de la chambre tampon '3.
f 25 Le canal; 1 délimité par l'ensemble des pièces isolantes ~ est placé dans un circuit magnétique composé essentiellement de trois bobines 31,3't33 et de pièces . polaires 34,35.
- Des pièces polaires planes exteme 34 et inteme 35 sont placées dans le plan de sortie du moteur à l'extérieur du canal d'accélération ~4 et déterrninent des lignes de . 30 champ magnétique qui à la partie ouverte a~al du canal d'accélération 24 sont sensiblement parallèles au plan de sortie 59 du moteur . 0.
Le circuit magnétique constitué des pièces polaires 34 et 35 est femmé par un : noyau central axial 38 et des barres de liaison 37 disposées à la périphérie du moteur selon une configura;ion essentiellement c~lindrique, le noyau central 38 en matériau ferromagnétique et les barres de liaison 37 en matériau ferromagnétique étant en /
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.
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wo 94/02738 PCI /FR92/00836 7 21395~1 i `2 contact avec la culasse arrière 36. La culasse 36 qui est en matériau ferromagnétique et constitue le fond du moteur peut être protégée par une ou plusieurs couches 30 de matériau super isolant thermiquement qui élimine le flux thermique rayonné vers le satellite.
Un écran 39 antipollution peut être également disposé entre les pièces . isolantes 22 et les barres de liaison 37. Selon une vanante de réalisation, les barres de ~; liaison 37 et l'écran 39 sont remplacés par une virole cylindrique ou cylindroconique qui joue à la fois le rôle de fermeture du circuit magnétique et d'écran. Dans tous les cas, l'écran 39 ne doit pas s'opposer au refroidissement du moteur. Il doit donc, soit 2 1 3 9 S ~ 1 PCl / FR92 / 00836 . . .
. '~
8 opens into an annular distribution channel 9 arranged immediately in the vicinity of the annular anode 5.
The ionization and neutralization electrons come from the hollow cathode7. The ionization electrons are drawn into the insulating annular channel 1 by the field ``; S electrical prevailing between the anode 5 and the plasma cloud from the cathode 7.
~ Under the effect of the electric field E and the magnetic field B created by the t coils 11, the ionization electrons take an azimuth drift trajectory necessary to maintain the electric field in the channel.
~ i The ionization electrons then drift along ferrnized trajectories at inside the insulating channel, hence the name of the engine.
The electron drift movement considerably increases the probability of collision of electrons with neutral atoms, phenomenon producing the ions (here from xenon).
The specific pulse obtained by conventional ion drift engines closed electron operation with xenon is in the order of 1000 to 2500 seconds. In conventional ion engines with closed electron drift, the area ionization is not organized, which results in them working well only xenon, that the jet is divergent (+ 20- or ~ beam opening), and that the efficiency is limited to around 50%.
In addition, the divergence of the jet leads to wear of the wall of the insulating channel.
the material of which is usually a mixture of boron nitride and alumina.
The lifespan of such an engine is around 3000h.
Obiet and desc ~ m ~ DJention The object of the present invention is to remedy the drawbacks of ~ j 25 known plasma and more specifically to modify drift plasma motors closed of electrons in order to improve their technical characteristics and in particular of allow better organization of the ionization zone without creating any space charge as in ion bombardment engines for example.
The invention also aims to reduce the diver_ence of the beam and increase the ;, ion beam density, electrical efficiency, specific pulse and duration ' of life.
These goals are achieved by a closed electron drift plasma engine, comprising a main annular ionization and acceleration channel delimited by insulating material parts and open at its e ~ downstream end, at least one hollow cathode disposed outside the main annular channel on the side of the part a ~ al thereof , ~
,.
wo 94/02738 PCI / FR92 / ~ 6 2l3958l a ring anode concentric with the main ring channel and arranged at a distance from the open downstream end, the first and second gas supply means ionizable associated respectively with the hollow cathode and the annular anode, and means for creating a magnetic field in the main annular channel, characterized in that it further comprises an annular buffer chamber which has in the radial direction a dimension larger than that of the main annular channel e ~
extends upstream thereof beyond the zone in which the anodeanular is placed, in that the second means for supplying ionizable gas . open upstream of the anode through an annular distributor in an area distinct from the area carrying the anode, and in that the means for creating a field ,. mag, netics in the main channel are adapted to produce in this main channel s an essentially radial magnetic field which presents a gradient with a maximum induction at the end a ~ al of the channel, the field lines being essentially parallel to the outlet & perpendicular to the axis of the motor, to The downstream end of the channel, and minimal induction in the transition zone located ~, in the vicinity of the anode between the buffer chamber and the main channel so as to favor the ionization of the ionizable gas.
Advantageously, the buffer chamber has in the radial direction a dimension which is of the order of twice the radial dimension of the main channel.
By way of example, the buffer chamber has in the axial direction a dimension which is of the order of 1.5 times the radial dimension of the main channel.
.- According to an important characteristic of the invention, the magnetic circuit includes several distinct means of creating a magnetic field and inner and outer planar radial pole pieces disposed at the face of i 25 outlet on either side of the main canal and connected together by a central core, a cylinder head located upstream of the buffer chamber. and a magnetic circuit peripheral arranged axially outside the main channel and the chamber buffer.
In this case, more specifically, the separate means of creating a magnetic field include a first means disposed around and outside the main channel in the vicinity of the downstream end thereof, a second means arranged around the central core in an area facing the anode and extending partially opposite the buffer chamber, and a third mo ~ arranged around it The central core between the second means and the downstream end of the main channel.
Advantageously, the first, second and third means of creation WO 94/02738 PCr / FR92 / 00836 magnets have different sizes.
According to a possible embodiment, the first, second and third - magnetic creation means are constituted by induction coils.
However, for some applications, the first, second and third means for creating a magnetic field are formed at least partially by permanent magnets whose Curie point is higher than the temperature of engine operation.
Thanks in particular to the physical separation of the anode and the gas distributor ionizable, the existence of a buffer chamber and the creation of a field ., 10 radial magnetic having a particular gradient, the plasma motor according to the invention has all of the following advantages:
a) - more efficient ionization, resulting in a higher yield, b) - possibility of easily ionizing various propellants Xenon, I'Argon, etc ... thanks to an improvement in the ionization process, lS c) - obtaining electrostatic equipotentials reducing the divergence of the beam from where c1) easier integration with the satellite, c2) lower wear of the acceleration channel, Brief description of the drawings Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the following description of particular embodiments, given as examples nonlimiting with reference to the appended drawings, in which:
- Figure 1 is an elevational view in axial half-section of an example of closed electron drift plasma engine according to the present invention, 1 25 - Figure 2 is a aYiale sectional view showing an example of a motor to - ~ electron drift plasma closed according to the prior art, - Figure 3 is an axial half-section view showing a variant of - ~ Realization of the invention, with an arrangement different from the mo, ~ ens of introduction of ionizable gas, - Figures 4 to 7 are partial views in axial half-section of motors with - ~ - plasma according to the invention showing diffcnts embodiments of the assembly ~ consisting of the buffer chamber, the main channel, the anode and the gas distributor , j ionizable ~
- Figure 8 is a perspective view of an e ~ example of a plasma engine according to the invention mounted on the structure of a satellite, and .
;
;
WO 94/02738 P ~ / FR92 / 00 `21 ~ g ~) 816 - Figure 9 is a detail view showing an example of fixing parts insulators defining the main channel of a plasma engine according to the invention.y Desc ~ detailed iption of the particular embodiments ~ d We see in Figure 1 an example of plasma engine 20 closed drift ~ - S of electrons according to the invention, which comprises a set of parts 22 in insulating material delimiting an annular channel 1 formed upstream of a first part consisting of a buffer chamber 3 and downstream of a second part s consisting of an acceleration channel 24.
The annular chamber 23 preferably has a dimension in the direction radial which is of the order of twice the dimension in the radial direction of the annular acceleration channel 24. In the axial direction, the buffer chamber 3 can be a little shorter than the acceleration channel 24 and advantageously has a length ~. which is of the order of one and a half times the dimension d in the radial direction of the channel acceleration 24.
A 2S anode, connected by an electric line 43 to a voltage source continuous 44, which may for example be of the order of ~ 00 to 300 V, is arranged on the insulating parts _ delimiting the annular channel -1, in an area located immediately downstream of buffer chamber '3, at the entrance to the acceleration channel 24. The supply line 43 of the anode 25 is arranged in an insulating tube 45 which crosses the bottom of the engine constituted by a plate 36 forming a magnetic yoke and . pieces 223,224 of insulating material delimiting the buffer chamber 23.
An ionizable gas supply tube 26 such as xenon passes through also the cylinder head 36 and the bottom ~ 3 of the buffer chamber 3 to open into an annular gas distributor 27 placed in the bottom of the buffer chamber '3.
f 25 The canal; 1 delimited by all the insulating parts ~ is placed in a magnetic circuit consisting essentially of three coils 31,3't33 and parts . polar 34.35.
- External pole pieces 34 and inside 35 are placed in the plane of motor outlet outside the acceleration channel ~ 4 and determine lines of . 30 magnetic field which at the open part a ~ al of the acceleration channel 24 are substantially parallel to the outlet plane 59 of the engine. 0.
The magnetic circuit consisting of the pole pieces 34 and 35 is closed by a : axial central core 38 and connecting bars 37 arranged at the periphery of the engine according to a configuration essentially ion ~ lindric, the central core 38 made of material ferromagnetic and the connecting bars 37 made of ferromagnetic material being /
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.
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wo 94/02738 PCI / FR92 / 00836 7 21 395 ~ 1 i `2 contact with the rear cylinder head 36. The cylinder head 36 which is made of ferromagnetic material and constitutes the bottom of the engine can be protected by one or more layers 30 of super thermally insulating material which eliminates the heat flux radiated to the satellite.
An emission control screen 39 can also be arranged between the rooms . insulators 22 and the connecting bars 37. According to a variant of embodiment, the bars of ~; link 37 and screen 39 are replaced by a cylindrical or cylindroconical shell which plays both the closing role of the magnetic circuit and the screen. In all the In this case, the screen 39 must not oppose the cooling of the engine. He must therefore either
3 10 recevoir un revêtement émissif interne et exteme, soit être appliqué de manière à
r perrnettre un rayonnement direct vers l'espace.
Les électrons nécessaires au fonctionnement du moteur sont fournis par une .~ cathode creuse 40 qui peut être de conception classique. La cathode 40, qui est reliée électriquement par une ligne 42 au pôle négatif de la source de tension 44, comporte un circuit 41 d'alimentation en gaz ionisable tel que du xenon, et se trouve placée en aval de la zone de sortie du canal d'accélération 24.
La cathode creuse 40 foumit un plasma '9 sensiblement au potentiel de référence d'où sont extraits les électrons se dirigeant vers l'anode '5 sous l'effet du charnp électrostatique E dû à la différence entre l'anode 25 et la cathode 40.
Ces électrons ont une trajectoire de dériYe en azimuth dans le canal .~ d'accélération 24 sous l'effet du champ électrique E et du champ magnétique B.
Typiquement, le champ à la sortie du canal '4 est de 150 à 200 Oe.
~ Les électrons primaires sont accélérés par le champ électrostatique E, ils :2' heurtent alors la paroi de l'isolateur _, ce qui foumit des électrons secondaires d'énergie plus faible.
Les électrons entrent en collision avec les atomes neutres de xenon issus de la chambre tampon 23.
Les ions xenon ainsi formés sont accélérés par le champ électrostatique E dans le canal d'accélération ~4.
Il n'y a pas de charge d'espace dans le canal d'accélération 4 en raison de la présence des électrons.
~, La neutralisation du faisceau d'ions est assurée par une partie des électrons issus de la cathode creuse 40.
La maîtrise du 8radient de champ maenétique radial obtenue grace à la disposition des bobines 31 à 33 et des pièces polaires 34 et 35 permet de séparer les wo 94/02738 PCI /FR92/Qr~6 21~9581 8 ;~ fonctions d'accélération des ions de la fonction ionisation obtenue dans une zone proche de l'anode ~5. Cette zone d~ionisation peut s'étendre partiellement dans la chambre tampon 23. -i~ Une caractéristique importante de l'invention réside dans l'existence d'une chambre tampon 23 qui permet d'optimiser la zone d'ionisation.
Dans les moteurs classiques à dérive fennée d'électrons, une partie notable de I'ionisation est localisée dans la partie médiane. Une partie des ions percute les parois, ~1 ce qui est une cause d'usure rapide des parois et diminue ainsi la durée de vie du ;~ propulseur. La chambre tampon 23 favorise la réduction du gradient de concentration du plasma selon le rayon ainsi que le refroidissement des électrons à l'entrée du canal d'accélération 24, ce qui réduit la divergence du faisceau ionique sur les parois et ainsi evite des pertes d'ions par collision avec ces dernières, ce qui a pour effet d'augmenter `- le rendement et de réduire la divergence du faisceau à la sortie du moteur.
Une autre caractéristique importante de l'invention réside dans la présence de - 15 trois bobines 31 à 33 qui peuvent présenter des dimensions différentes et pennettent d'optimiser le champ magnétique grâce à leur localisation spécifique.
` Ainsi, une première bobine 31 est disposée autour et à l'extérieur du canal - principal 24 au voisinage de l'extrémité aval '~5 de celui-ci. Une deuxième bobine 32 est disposée autour de l'âme centrale 38 dans une zone faisant face à l'anode 25 et s'étendant partiellement en face de la chambre tampon ''3. Une troisième bobine 33 . est disposée autour de l'âme centrale 38 entre la deuxième bobine 32 et l'extrémité
aval 225 du canal principal d'accélération ~4. Les bobines 31,3~,33 peuvent présenter - des tailles différentes comme représenté sur la figure 1. La présence de trois bobines ; 31,32,33 bien différenciées a pour conséquence la création de lignes de champ mieux dirigées qui permettent d'obtenir un jet mieux canalisé et plus parallèle que sur les moteurs classiques.
. Selon une variante de réalisation, les bobines 31 à 33 de création d'un charnp .
magnétique peuvent être remplacées au moins partiellement par des aimants pennanents dont le point de Curie est supérieur à la température de fonctionnement ~, 30 du moteur.
k~ La bobine annulaire 31 pourrait également ètre remplacée par un ensemble de '3~ bobines individuelles et disposées autour dcs différcntcs barrcs de liaison 37 constituant le circuit magnétique périphcrique.
L'ensemble des bobines d'induction 31,3~ et 33 peu~ent également être montées en série avec la source d'alimentation électrique 4~ et la cathode 40 ~e -~ wo 94/02738 21 3 PCI /FR92/00836 . .
manière à réaliser une autorégulation du courant de décharge.
Les bobines 31,3',33 peuvent etre constituees de fil de cuivre revêtu d'un ~3 isolant minçral haute température. Les bobines 31 à 33 peuvent encore être ' constituées de fil du type coaxial à isolant minéral.
Le matériau magnétique du circuit constitué des pièces polaires 34,35, de I'âme centrale 38, des barres 37 et de la culasse 36 peut être du fer doux, du fer ultra-pur, ou encore un alliage fer-chrome à haute perméabilité magnétique.
Le refroidissement des bobines 3~ et 33 peut être amélioré par un caloduc ~' placé dans l'axe du noyau magnétique 38 e~ rejetant la chaleur vers la culasse 36 et la 0 pièce polaire radiale inteme 35 ra~onnant v ers l'espace.
A titre d'exemple, les pièces polaires 34 et 35 peuvent présenter une dimension de l'ordre d'une vingtaine de millimctres dans le sens axial.
Le nombre d'ampères-tours de chaque bobine 31,3 ',33 et le rapport entre la ~; longueur et le diamètre de chacune de ces bobines sont détemninés de manière à
~, 15 produire dans le canal d'accélération un champ magnétique essentiellement radial dont le maximum est situé dans le plan de sortie 59 du moteur, dont les lignes de , champ près de la sortie _5 sont essentiellement parallèles à la face de sortie 59 et dont les lignes de champ au voisinage de l'anode ''S sont essentiellement disposées de ~ manière à favoriser l'ionisation du gaz propulsif dans cette région.
- 20 Des exemples de propulseur ionique selon l'im,ention combinant la présence d'une chambre tampon ''3 et d'un ensemble de bobines 31,3',33 différenciées ont pemnis d'obtenir un rendement électrique de l'ordre de 50 à 70% soit une amélioration en moyenne de l'ordre de 10 à ~5% par rapport aux s)~stèmes antérieurement connus.
Par ailleurs, dans les réalisations confommes à l'invention, on a obtenu en sortie ' 25 du moteur un jet quasi-c~lindrique avec une très faible divergence du faisceau d'ions de l'ordre de + 9-. Ainsi, avec un canal d'accélération du diamètre extérieur 80mm, on a à une distance de 80mm à l'extérieur du moteur par rapport au plan de sortie 59, 90% de l'énergie qui reste concentrée dans le diamètre du canal d'accelération.
, D'une manière générale, le moteur selon l'invention permet une plus forte densité de poussée (par exemple de l`ordre dc 1 à 'ml~/cm2 de densité de pousséearéolaire), donc un moteur plus petit et plus lé~cr à isopoussée, avec un excellent rendement.
En ce qui conceme la durée de vie, les moteurs connus montrent une durée de vie de l'ordre de 3000h.
;' 35 Au contraire, un moteur à plasma conforme à la presente invention pemmet ~' ~ .
wo 94/02738 . ~ PCl /FR92/~--'6 . ' 10 213!~581 d'obtenir une durée de vie d'au moins 5000 à 6000 heures en raison de la plus faible -.~ érosion du canal 24 liée à la meilleure c~lindricité du jet ionisé.
Le moteur à plasma selon l'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation.
S Ainsi, le matériau isolant constituant les pièces ~2 délimitant la chambre tampon 23 et la canal d'accélération 24 peut être constitué notamment par l'une des combinaisons suivantes:
- céramique BN + B4C + Al 03 alumine ultra pure - composite Al ' 03 - Al ~ 03 . - vitrocéramique à base de silice pure ou déposée, par exemple avec un oxyde de terre rare.
L'isolateur _ peut être fixé vis-à-vis de l'une des pièces polaires par exemple 34, à l'aide d'une pièce interrnédiaire élastique 6~ en métal dont le coefficient de dilatation est proche de celui de la céramique (figure 9).
Ceci permet d'éliminer les contraintes thermiques dues aux différences de coefficient de dilation de la céramique ou similaire et du circuit magnétique. Dans ce cas, les pièces 22 délimitant le canal 24 peuvent présenter un talon 61 de retenue de la pièce intermédiaire élastique 6 ' et la fixation de celle-ci sur la pièce polaire 34 peut se faire par une vis de liaison 63.
La liaison entre une matière céramique constituant les pièces isolantes 2 et le métal des pièces polaires 34,35 peut encore être obtenue par exemple par brasure, par soudage par diffusion, par frittage d'une composition cérami~métallique ou par pressage isostatique à chaud.
-"~ 25 La puissance dissipée sous forme des pertes themmiques dans l'anode ~5 et le canal 24 peut être évacuée par rayonnement du canal '~4 vers l'espace en aval ainsi que par le rayonnement du circuit magnétique. Afin d'éviter des interactions entre le plasma 29 de la cathode 40 et les pièces ~ de l'isolateur, celui-ci peut être entouré
par un écran 39 situé entre la pièce polaire 3~ et la culasse 36, comme indiqué plus haut. Pour pemmettre son refroidissement par ra~onnement, cet écran 39 est recouvert d'un revêtement à haute émissivité, ou pcrforé. Dans ce dcmier cas, la dimension dcs trous doit être suffisamment petite pour empêchcr la pcnctration du plasma.
Le distributeur . 7 de xenon peut être réalisé en acier inoxydable ou en niobium ou encore dans la mème céramique que les pièces isolantes ~ '.
L'anode ~S peut elle-même être réalisée par excmple en acier inoxydable, en .
wo 94/02738 pcr/FR92/oo836 11 2139581 t alliage de nickel, en niobium ou en graphi~e.
L'alimentation électrique dc l'anode "5 est effectuée par un passage céramique/métal heImétique.
L'alimentation en xenon du distributeur annulaire 7 peut être effectuée par :. S I'intermédiaire d'un tube isolant si le distributeur ''7 est lui-meme métallique, afin d'éviter que se produise dans la chambre tampon 23 une décharge entre l'anode 25 et Ie distributeur 27 qui serait à la masse en l'absence de tube isolant.
On a représenté sur la figure 3 un exemple de tube isolant 300 pour un distributeur 127 métallique qui, selon une variante de réalisation n'est pas disposé
-~ 10 dans le fond de la chambre tampon 23, mais dans la partie aval de cette chambre 23 tout en étant séparé du l'anode 25 elle-même placée à l'entrée du canal d'accélération '9 24. Ce tube isolant peut aussi être disposé radialement à la périphérie de la chambre.
Sur la figure 3, le tube isolant 300 comprend à titre d'exemple un tube en ~ céramique 301 brasé aux deux extrémités sur des embouts métalliques 302 et rempli -~ 15 interieurement d'un gamissage 303 qui peut être en feutre céramique, en lit de g~anulés isolants ou encore formé d'un empilement de plaquettes isolantes et de grilles métalliques.
Dans le cas de la figure 3, le tube isolant 300 est placé le long du canal d'accélération 24 entre la chambre tampon 23 et la bobine 31 de manière à minimiser la longueur totale du moteur~
~J Toutefois, le tube isolant 300 pourrait aussi être placé entre la culasse 36 et la - chambre tampon 23.
Les pièces isolantes '2 délimitant la chambre tampon 23 et la canal d'accélération 24 peuvent présenter diverses confi~urations de même que l'anode 5 qui peut être c~lindrique (figures 1,4,7) ou conique (figures 5 et 6).
Sur la figure 1, une pièce annulaire interne '' '1 et des pièces complémentaires- _ ',"3,224 rapportées sur la pièce interne "1 dclimitent la chambre tampon '3 et le canal annulaire 24 tout en permettant le montage du distributeur 27 et de l'anode 25.
Dans le cas de la figure 6, les pièces en matériau isolant définissant le canal principal 24 et la chambre tampon '3 comprenncnt une première pièce '''c formantune paroi externe de la chambre tampon ~3 et du canal principal 24 et une deuxième pièce '2d formant une paroi interne de la chambre tampon '3 et du canal principal 24 et le distributeur ''7 en gaz ionisable placé dans la chambre tampon '3 constitue lui-même un élément de liaison entre lesdites première et deuxième pièces "c,"d.
L'anode conique 50 peut être montée par l'amont sur une portion de transition conique ~, WO ~4/02738 PCr/FRs2/oo~
2139~8 1 12 ~ 56 entre la chambre tampon 23 et le canal d'accélération 24.
- Dans le cas de la figure 4, les pièces en matériau isolant définissant le canal principal 24 et la chambre tampon 3 comprennent une première pièce 22a forrnant la paroi de la chambre tampon 23 et la paroi inteme du canal principal 24 et une -< 5 deuxième pièce 22b formant la paroi externe du canal principal 24 et l'anode est - scellée par des portions 51,5-~ entre les première et deuxième pièces 22a,22b. La référence 53 désigne un capot optionnel. Le distributeur 27 peut être introduit par l'aval. Le mode de réalisation de la figure 5 est voisin de celui de la figure 4 mais montre une anode 50 conique scellée par des portions 54,55 entre les première etdeuxième pièces 22a, 22b.
Dans le cas des figures 1 et 6, l'anode est rapportée sur une face des pièces 22en matériau isolant à la jonction entre la chambre tampon ~3 et le canal principal 24.
Dans le cas de la figure 7, l'anode 5 est réalisée en plusieurs troncons reliés électriquement entre eux (liaison 57). Le distributeur '7 peut etre introduit par l'aval.
. 15 Il existe au niveau de la jonction 58 entre les pièces 2 'e et 2 'f en matériau isolant un scellement céramique-céramique permettant de réaliser le canal à partir de deux élérnents séparés.
La figure 8 montre un exemple de mise en oeuvre dans lequel la virole exteme 75 en matériau magnétique constitue également une interface de ~lxation du moteur sur la structure 72 d'un satellite. La référence 71 désigne l'interface mécanique du moteur et la référence 7~ le mur du satellite parallèle à l'axe nord-sud du satellite géostationnaire .
L'angle a représente l'angle d'inclinaison du moteur par rapport à l'axe nord-sud 73 du satellite.
b qui est ici toujours inférieur à a représente le demi-angle de divergence du faisceau d'ions.
Des fenêtres 74 de rayonnement sont percées dans la virole 75 et recouvertes d'un écran perforé 76 pouvant être un tamis métallique.
D'autres exemples de mise en oeuvre du mo~eur à plasma selon l'invention sont naturellement possibles. 3 10 receive an internal and external emissive coating, or be applied so as to r allow direct radiation to space.
The electrons required to operate the engine are supplied by a ~ hollow cathode 40 which can be of conventional design. Cathode 40, which is connected electrically via a line 42 at the negative pole of the voltage source 44, comprises a circuit 41 for supplying ionizable gas such as xenon, and is placed in downstream of the exit zone of the acceleration channel 24.
The hollow cathode 40 provides a plasma 9 substantially at the potential of reference from which are extracted the electrons going towards the anode '5 under the effect of electrostatic charnp E due to the difference between anode 25 and cathode 40.
These electrons have an azimuth drift trajectory in the channel ~ acceleration 24 under the effect of the electric field E and the magnetic field B.
Typically, the field at the outlet of channel '4 is 150 to 200 Oe.
~ The primary electrons are accelerated by the electrostatic field E, they : 2 'then strike the wall of the insulator _, which provides secondary electrons lower energy.
The electrons collide with the neutral xenon atoms from the buffer chamber 23.
The xenon ions thus formed are accelerated by the electrostatic field E in the acceleration channel ~ 4.
There is no space charge in acceleration channel 4 due to the presence of electrons.
~, Neutralization of the ion beam is ensured by part of the electrons from the hollow cathode 40.
The control of the radial maenetic field 8radient obtained thanks to the arrangement of the coils 31 to 33 and the pole pieces 34 and 35 makes it possible to separate the wo 94/02738 PCI / FR92 / Qr ~ 6 21 ~ 9581 8 ; ~ ion acceleration functions of the ionization function obtained in an area close to the anode ~ 5. This ionization zone can extend partially in the buffer chamber 23. -i ~ An important feature of the invention lies in the existence of a buffer chamber 23 which optimizes the ionization zone.
In conventional electron-drifted engines, a significant part of The ionization is located in the middle part. Part of the ions hit the walls, ~ 1 which is a cause of rapid wear of the walls and thus decreases the life of the ; ~ propellant. The buffer chamber 23 promotes the reduction of the concentration gradient plasma according to the radius as well as the cooling of the electrons at the entrance of the channel acceleration 24, which reduces the divergence of the ion beam on the walls and thus prevents ion losses by collision with them, which has the effect of increasing `- the efficiency and reduce the divergence of the beam at the output of the engine.
Another important characteristic of the invention resides in the presence of - 15 three coils 31 to 33 which can have different dimensions and allow optimize the magnetic field thanks to their specific location.
`Thus, a first coil 31 is placed around and outside the channel - main 24 in the vicinity of the downstream end '~ 5 thereof. A second coil 32 is arranged around the central core 38 in an area facing the anode 25 and partially extending in front of the buffer chamber '' 3. A third reel 33 . is arranged around the central core 38 between the second coil 32 and the end downstream 225 from the main acceleration channel ~ 4. The coils 31,3 ~, 33 can have - different sizes as shown in Figure 1. The presence of three coils ; 31,32,33 well differentiated results in the creation of better field lines directed which allow to obtain a better channeled and more parallel jet than on the classic engines.
. According to an alternative embodiment, the coils 31 to 33 for creating a charnp .
magnetic can be replaced at least partially by magnets permanent whose Curie point is higher than the operating temperature ~, 30 of the engine.
k ~ The annular coil 31 could also be replaced by a set of '3 ~ individual coils and arranged around different connecting bars 37 constituting the peripheral magnetic circuit.
All of the induction coils 31.3 ~ and 33 bit ~ ent also be connected in series with the electrical power source 4 ~ and the cathode 40 ~ e - ~ wo 94/02738 21 3 PCI / FR92 / 00836 . .
so as to achieve self-regulation of the discharge current.
The coils 31, 3 ', 33 can be made of copper wire coated with a ~ 3 high temperature mineral insulation. Coils 31 to 33 can still be '' consisting of coaxial type wire with mineral insulation.
The magnetic material of the circuit consisting of the pole pieces 34,35, of The central core 38, bars 37 and the cylinder head 36 can be soft iron, ultra-iron pure, or an iron-chromium alloy with high magnetic permeability.
The cooling of the coils 3 ~ and 33 can be improved by a heat pipe ~ 'placed in the axis of the magnetic core 38 e ~ rejecting heat to the cylinder head 36 and the 0 internal radial pole piece 35 ra ~ onnant to space.
For example, the pole pieces 34 and 35 may have a dimension of the order of twenty millimeters in the axial direction.
The number of ampere-turns of each coil 31,3 ', 33 and the ratio between the ~; length and diameter of each of these coils are compensated so as to ~, 15 produce in the acceleration channel an essentially radial magnetic field the maximum of which is located in the output plane 59 of the engine, the lines of which , field near the exit _5 are essentially parallel to the exit face 59 and whose field lines in the vicinity of the anode '' S are essentially arranged ~ so as to favor the ionization of the propellant gas in this region.
- 20 Examples of ion propellant according to the image, combining the presence a buffer chamber '' 3 and a set of coils 31,3 ', 33 differentiated have pemnis to obtain an electrical efficiency of the order of 50 to 70% is an improvement on average of the order of 10 to ~ 5% compared to s) ~ previously known stems.
Furthermore, in the embodiments confused with the invention, the output was obtained '25 of the engine a quasi-c ~ lindric jet with a very small divergence of the ion beam of the order of + 9-. Thus, with an acceleration channel with an outside diameter of 80mm, we a at a distance of 80mm outside the engine relative to the outlet plane 59, 90% of the energy that remains concentrated in the diameter of the acceleration channel.
In general, the engine according to the invention allows a stronger thrust density (for example of the order dc 1 to 'ml ~ / cm2 of density of areal pressure), therefore a smaller and lighter motor ~ cr to iso-thrust, with an excellent yield.
With regard to the service life, the known motors show a service life of life of around 3000h.
; ' On the contrary, a plasma motor according to the present invention allows ~ ' ~.
wo 94/02738. ~ PCl / FR92 / ~ - '6 . '10 213! ~ 581 obtain a lifespan of at least 5000 to 6000 hours due to the lower -. ~ erosion of channel 24 linked to the better c ~ lindricity of the ionized jet.
The plasma motor according to the invention can be the subject of numerous variant embodiments.
S Thus, the insulating material constituting the parts ~ 2 delimiting the chamber buffer 23 and the acceleration channel 24 can be constituted in particular by one of the following combinations:
- BN + B4C + Al 03 ceramic ultra pure alumina - composite Al '03 - Al ~ 03 . - glass ceramic based on pure or deposited silica, for example with an oxide of rare earth.
The insulator _ can be fixed vis-à-vis one of the pole pieces for example 34, using an elastic intermediate piece 6 ~ of metal, the coefficient of expansion is close to that of ceramic (Figure 9).
This eliminates thermal stresses due to differences in coefficient of expansion of ceramic or similar and of the magnetic circuit. In this case, the parts 22 delimiting the channel 24 may have a heel 61 for retaining the elastic intermediate piece 6 'and the fixing thereof on the pole piece 34 can be done by a connecting screw 63.
The connection between a ceramic material constituting the insulating parts 2 and the metal of the pole pieces 34.35 can also be obtained for example by brazing, by diffusion welding, sintering a metallic ceramic composition or by isostatic hot pressing.
- "~ 25 The power dissipated in the form of thermal losses in the anode ~ 5 and the channel 24 can be evacuated by radiation from channel '~ 4 to the downstream space as well only by the radiation from the magnetic circuit. In order to avoid interactions between the plasma 29 of cathode 40 and parts ~ of the insulator, it can be surrounded by a screen 39 located between the pole piece 3 ~ and the cylinder head 36, as indicated more high. To allow cooling by ra ~ onment, this screen 39 is covered a coating with high emissivity, or perforated. In this first case, the dimension dcs holes should be small enough to prevent plasma generation.
The distributor . 7 of xenon can be made of stainless steel or niobium or in the same ceramic as the insulating parts ~ '.
The anode ~ S can itself be made by excmple in stainless steel, in .
wo 94/02738 pcr / FR92 / oo836 11 2 139 581 t nickel alloy, niobium or graphi ~ e.
The electrical supply to the anode "5 is carried out by a passage heImetic ceramic / metal.
The xenon supply to the annular distributor 7 can be carried out by :. Via an insulating tube if the distributor '' 7 is itself metallic, so to prevent the discharge in the buffer chamber 23 between the anode 25 and Ie distributor 27 which would be grounded in the absence of an insulating tube.
FIG. 3 shows an example of an insulating tube 300 for a metallic distributor 127 which, according to an alternative embodiment, is not arranged - ~ 10 in the bottom of the buffer chamber 23, but in the downstream part of this chamber 23 while being separated from the anode 25 itself placed at the entrance of the acceleration channel 24. This insulating tube can also be arranged radially at the periphery of the chamber.
In FIG. 3, the insulating tube 300 comprises, for example, a tube in ~ ceramic 301 brazed at both ends on metal ferrules 302 and filled - ~ 15 internally of a lining 303 which can be made of ceramic felt, in a g ~ insulating insulators or formed of a stack of insulating plates and metal grids.
In the case of FIG. 3, the insulating tube 300 is placed along the channel acceleration 24 between the buffer chamber 23 and the coil 31 so as to minimize the total length of the motor ~
~ J However, the insulating tube 300 could also be placed between the cylinder head 36 and the - buffer chamber 23.
The insulating parts' 2 delimiting the buffer chamber 23 and the channel acceleration 24 may have various confi ~ urations as well as the anode 5 which can be c ~ lindric (Figures 1,4,7) or conical (Figures 5 and 6).
In FIG. 1, an internal annular part '''1 and complementary parts - _', "3,224 attached to the internal part" 1 delimit the buffer chamber '3 and the annular channel 24 while allowing the mounting of the distributor 27 and the anode 25.
In the case of FIG. 6, the pieces of insulating material defining the channel main 24 and the buffer chamber '3 include a first part''' c forming an external wall of the buffer chamber ~ 3 and the main channel 24 and a second piece '2d forming an internal wall of the buffer chamber' 3 and the main channel 24 and the distributor '' 7 in ionizable gas placed in the buffer chamber '3 constitutes itself even a connecting element between said first and second parts "c," d.
The conical anode 50 can be mounted upstream on a conical transition portion ~, WO ~ 4/02738 PCr / FRs2 / oo ~
2139 ~ 8 1 12 ~ 56 between the buffer chamber 23 and the acceleration channel 24.
- In the case of Figure 4, the pieces of insulating material defining the channel main 24 and the buffer chamber 3 comprise a first part 22a forming the wall of the buffer chamber 23 and the inner wall of the main channel 24 and a - <5 second part 22b forming the external wall of the main channel 24 and the anode is - sealed by portions 51.5- ~ between the first and second parts 22a, 22b. The reference 53 designates an optional cover. The distributor 27 can be introduced by downstream. The embodiment of Figure 5 is similar to that of Figure 4 but shows a conical anode 50 sealed by portions 54, 55 between the first and second parts 22a, 22b.
In the case of FIGS. 1 and 6, the anode is attached to one face of the pieces 22 of insulating material at the junction between the buffer chamber ~ 3 and the main channel 24.
In the case of FIG. 7, the anode 5 is produced in several connected sections electrically between them (link 57). The distributor '7 can be introduced downstream.
. 15 There is at junction 58 between parts 2 'e and 2' f of insulating material a ceramic-ceramic sealing allowing the canal to be made from two separate components.
Figure 8 shows an example of implementation in which the outer shell 75 made of magnetic material also constitutes a motor lxation interface on the structure 72 of a satellite. Reference 71 designates the mechanical interface of the engine and reference 7 ~ the satellite wall parallel to the north-south axis of the satellite geostationary.
The angle a represents the angle of inclination of the engine relative to the north axis.
south 73 of the satellite.
b which is here always less than a represents the half-angle of divergence of the ion beam.
Radiation windows 74 are drilled in the shell 75 and covered a perforated screen 76 which may be a metal screen.
Other examples of implementation of the plasma ~ eur according to the invention are naturally possible.
Claims (23)
travers un distributeur annulaire (27) dans une zone distincte de la zone portant l'anode (25), et le circuit magnétique comprenant plusieurs moyens distincts (31 à
33) de création d'un champ magnétique et des pièces polaires radiales planes (34, 35) interne (35) et externe (34) disposées au niveau de la face de sortie de part et d'autre du canal principal (24) et reliées entre elles par une âme centrale (38), une culasse (36) et un circuit magnétique périphérique (37) disposé axialement à
l'extérieur du canal principal (24) et de la chambre tampon (23), caractérisé en ce que les moyens (31 à 33, 31 à 38) de création d'un champ magnétique dans le canal principal (24) sont adaptés pour produire dans ce canalprincipal (24) un champ magnétique essentiellement radial qui présente un gradient avec une induction maximale à l'extrémité aval (225) du canal (24), leslignes de champ étant essentiellement parallèles à la face de sortie (34,35) perpendiculaire à l'axe du moteur à l'extrémité aval (225) du canal (24), et uneinduction minimale dans la zone de transition située au voisinage de l'anode (25) entre la chambre tampon (23) et le canal principal (24) de manière à favoriser l'ionisation du gaz ionisable, et en ce que les moyens distincts (31 à 33) de création d'un champ magnétique comprennent un premier moyen (31) disposé
autour et à l'extérieur du canal principal (24) au voisina e de l'extrémité aval (225) de celui-ci, un deuxième moyen (32) disposé autour de l'âme centrale (38) dans une zone faisant face à l'anode (25) et s'étendant partiellement en face de la chambre tampon (23) et un troisième moyen (33) disposé autour de l'âme centrale (38) entre le deuxième moyen (32) et l'extrémité aval (225) du canal principal (24). 1. Closed electron drift plasma engine, including one channel main ionization and acceleration ring (24) delimited by parts (22) made of insulating material and open at its downstream end (225), at least one cathode hollow (40) arranged outside the main annular channel (24) on the side of the downstream part thereof, an annular anode (25) concentric with the annular channel main (24) and disposed at a distance from the open downstream end (225), the first and second associated ionizable gas supply means (41,26) respectively to the hollow cathode (40) and to the annular anode (225), a magnetic circuit (31 to 33, 34 to 38) for creating a magnetic field in the channel main annular (24), and an annular buffer chamber (23) which present in the radial direction a dimension greater than that of the main annular channel (24) and extends upstream thereof beyond the zone in which the anode is placed annular (25), the second means (26) for supplying ionizable gas opening into the annular buffer chamber (23) upstream of the anode (25) at through an annular distributor (27) in a zone distinct from the zone carrying the anode (25), and the magnetic circuit comprising several separate means (31 to 33) for creating a magnetic field and planar radial pole pieces (34, 35) internal (35) and external (34) arranged at the level of the exit face on both sides other side of the main channel (24) and interconnected by a central core (38), a yoke (36) and a peripheral magnetic circuit (37) arranged axially at the outside of the main channel (24) and the buffer chamber (23), characterized in that the means (31 to 33, 31 to 38) for creating a field magnetic field in the main channel (24) are adapted to produce in this main channel (24) an essentially radial magnetic field which has a gradient with maximum induction at the downstream end (225) of the channel (24), the field lines being essentially parallel to the exit face (34,35) perpendicular to the axis of the engine at the downstream end (225) of the channel (24), and a minimum induction in the transition zone located in the vicinity of the anode (25) between the buffer chamber (23) and the main channel (24) so as to promote ionization of the ionizable gas, and in that the separate means (31 to 33) of creation of a magnetic field comprise a first means (31) disposed around and outside the main channel (24) near the downstream end (225) thereof, a second means (32) disposed around the central core (38) in a zone facing the anode (25) and extending partially in front of the buffer chamber (23) and a third means (33) disposed around the central core (38) between the second means (32) and the downstream end (225) of the main channel (24).
?5 10. Plasma motor according to claim 5, characterized in that the induction coils constituting the first, second and third means (31,32,33) for creating a magnetic field are connected in series between a power source (44) and the hollow cathode (40).
?5
?6 17. Plasma motor according to any one of claims 1 to 15, characterized in that the pieces (22) of insulating material defining the channel main (24) and the buffer chamber (23) comprise a first part (22a) forming the wall of the buffer chamber (23) and the inner wall of the main channel (24) and a second piece (22b) forming the outer wall of the main channel (24) and in that the anode (25) is sealed between the first and second parts (22a, 22b).
?6
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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Family Applications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3239519A1 (en) * | 2016-04-29 | 2017-11-01 | Airbus DS GmbH | Gas inlet for an ion thruster |
-
1992
- 1992-09-01 CA CA 2139581 patent/CA2139581A1/en not_active Abandoned
-
1993
- 1993-06-21 UA UA94129147A patent/UA27909C2/en unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3239519A1 (en) * | 2016-04-29 | 2017-11-01 | Airbus DS GmbH | Gas inlet for an ion thruster |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| UA27909C2 (en) | 2000-10-16 |
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|---|---|---|---|
| FZDE | Dead |