EP0662195A1 - Moteur a plasma de longueur reduite a derive fermee d'electrons. - Google Patents

Moteur a plasma de longueur reduite a derive fermee d'electrons.

Info

Publication number
EP0662195A1
EP0662195A1 EP93913165A EP93913165A EP0662195A1 EP 0662195 A1 EP0662195 A1 EP 0662195A1 EP 93913165 A EP93913165 A EP 93913165A EP 93913165 A EP93913165 A EP 93913165A EP 0662195 A1 EP0662195 A1 EP 0662195A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
buffer chamber
anode
annular
channel
motor according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP93913165A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0662195B1 (fr
Inventor
Dominique Valentian
Alexei Morozov
Antonina Bougrova
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Original Assignee
Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Societe Europeenne de Propulsion SEP SA filed Critical Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Publication of EP0662195A1 publication Critical patent/EP0662195A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0662195B1 publication Critical patent/EP0662195B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
    • F03H1/0075—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field with an annular channel; Hall-effect thrusters with closed electron drift

Definitions

  • the present invention relates to plasma motors applied in particular to space propulsion and more particularly plasma motors of the closed electron drift type also called stationary plasma motors or in the United States of America "Hall motors".
  • plasma motors applied in particular to space propulsion and more particularly plasma motors of the closed electron drift type also called stationary plasma motors or in the United States of America "Hall motors".
  • Electric motors are mainly intended for space propulsion applications.
  • sources of ions or plasma they are also used for terrestrial applications, in particular for ionic machining. Thanks to their high specific impulse (from 1500 to 6000s) they allow considerable gains in mass on satellites compared to engines using chemical propulsion.
  • Ion thrusters can be divided into several categories.
  • a first type of ion propellant is thus constituted by a bombardment ionization engine also called the Kaufman engine. Examples of such a type of propellant are described in particular in documents EP-A-0 132065, WO 89/05404 and EP-A-0468706.
  • propellant atoms are introduced under low pressure into a discharge chamber where they are 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 certain number of atom-electron collisions lead to the creation of a plasma whose ions are attracted by the acceleration electrodes (output grids), themselves at a negative potential compared to the potential of the plasma.
  • 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 an external hollow cathode, called a neutralizer.
  • the specific pulses (Isp) obtained by this type of propellants are of the order of 3000 seconds and beyond.
  • the power required is around 30W per mN of thrust.
  • Other types of ionization motors are constituted by radio frequency ionization motors, contact ionization motors or even field emission motors.
  • An annular channel 1 defined by a piece 2 of insulating material is placed in an electromagnet comprising external annular pole pieces 3 and internal 4 placed respectively outside and inside the piece 2 of insulating material, a cylinder head magnetic 12 arranged upstream of the motor and electromagnet coils 11 which extend over the entire length of the channel 1 and are mounted in series around magnetic cores 10 connecting the external pole piece 3 to the yoke 12.
  • a cathode hollow 7, connected to ground, is coupled to a xenon supply device to form a plasma cloud in front of the downstream outlet of the channel 1.
  • the ionization and neutralization electrons come from the hollow cathode 7.
  • the ionization electrons are drawn into the insulating annular channel 1 by the electric field prevailing between the anode 5 and the plasma cloud coming from the cathode 7.
  • the ionization electrons take a drift trajectory in azimuth necessary to maintain the electric field in the channel.
  • the ionization electrons then drift along closed paths inside the insulating channel, hence the name of the engine.
  • the specific pulse obtained by conventional ion engines with closed electron drift operating with xenon is of the order of 1000 to 2500 seconds.
  • the ionization zone is not organized, which results in that they only work well in xenon, that the jet is divergent ( ⁇ 20 * d ' beam opening), and the efficiency is limited to around 50%.
  • the divergence of the jet causes 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.
  • the present invention aims to remedy the drawbacks of known plasma motors and more particularly to modify drift plasma motors closed of electrons in order to improve their technical characteristics and in particular to allow a better organization of the ionization zone without creating as much space charge as in ion bombardment engines for example.
  • the invention also aims to reduce the divergence of the beam and increase the density of the ion beam, the electrical efficiency, the specific pulse and the lifetime.
  • the invention also aims to reduce the mass and dimensions of the engine.
  • a reduced length plasma engine with closed electron drift comprising a main annular ionization and acceleration channel delimited by pieces of insulating material and open at its downstream end, at least one cathode. hollow disposed outside the main annular channel on the side of the downstream part thereof, an annular anode concentric with the main annular channel and disposed 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, a magnetic circuit for creating a magnetic field in the main annular channel, and an annular buffer chamber which has in the radial direction a dimension at least equal to that of the channel main annular and extends upstream thereof beyond the zone in which the annular anode is placed, the second supply means ionizable gas opening into the annular buffer chamber upstream of the anode in a zone distinct from the zone carrying the anode, in that the means for creating a magnetic field in the main channel are adapted to produce in this
  • the separate means for creating a magnetic field comprise a first means disposed around and outside the main channel in the vicinity of the downstream end thereof, a second means disposed around the core central in an area facing the anode and extending partially opposite the buffer chamber for creating the magnetic mirror effect, and a third means disposed around the central core between the second means and the end downstream of the main canal.
  • the first, second and third means for creating a magnetic field can be constituted by induction coils.
  • the plasma motor according to the invention has the all of the following advantages: a) - more efficient ionization, resulting in a higher yield, b) - possibility of easily ionizing various propellant gases such as Xenon, Argon, etc. thanks to an improvement in the ionization process, c) - obtaining electrostatic equipotentials reducing the divergence of the beam, hence cl) easier integration into the satellite, c2) lower wear of the acceleration channel,
  • the geometry of the buffer chamber allows the extension of the plasma upstream of the anode and its containment by the magnetic mirror effect.
  • the connecting yoke between the central core and the peripheral magnetic circuit is located in the immediate vicinity of the anode and enters the annular buffer chamber, makes it possible to reduce the length, and therefore the mass of the entire magnetic circuit, which leads to the production of a motor whose mass and dimensions are substantially reduced compared to embodiments in which the yoke connecting the central core and the peripheral magnetic circuit is located upstream of the buffer chamber.
  • the connecting yoke which passes through the buffer chamber while providing spaces for communication with the main channel can be produced in various ways.
  • the cylinder head can comprise radial elements constituted by cylindrical magnetic bars passing through the annular buffer chamber.
  • the magnetic bars can be constituted by metal bars electrically insulated by sheaths in two parts integral respectively with the walls of the main channel and the walls of the buffer chamber.
  • the magnetic bars are joined to their external peripheral part by a continuous magnetic ring serving as a structural part for fixing the motor to the structure of a satellite.
  • the magnetic bars can also be constituted by metal bars electrically isolated from the ground by ferrite parts constituting respectively said peripheral magnetic circuit disposed axially outside the main channel and said central core, the magnetic bars being able to be polarized to the potential of the anode.
  • the magnetic bars are made of an insulating ferrite material allowing direct implantation in the buffer chamber.
  • the peripheral magnetic circuit may comprise a set of connecting bars between the external radial pole piece and the cylinder head, or may also be constituted by a ferrule.
  • the connecting yoke may include bars radially oriented in a plane substantially perpendicular to the axis of the buffer chamber and the main channel.
  • the cylinder head comprises bars oriented radially along the generatrices of a truncated cone whose end of smallest section is connected to the central core, the end of largest section is connected to the peripheral magnetic circuit and the axis corresponds substantially to that of the buffer chamber and the main channel.
  • the cylinder head comprises a frustoconical piece of ferrite whose end of smaller section is connected to the central core and the end of larger section is connected to a ferrule constituting the peripheral magnetic circuit, channels formed axially in said frustoconical part constituting said communication spaces between the annular buffer chamber and the main channel.
  • the invention also relates to a plasma motor in which the buffer chamber comprises several cells which open into the acceleration channel in the vicinity of the anode, are distributed around the axis of the motor and are delimited by partitions parallel to the 'axis of the engine which define between the neighboring cells passages for cylindrical magnetic bars constituting the cylinder head without entering the alveolate buffer chamber.
  • Such a buffer chamber can be in one piece.
  • the second means for supplying ionizable gas open into the annular buffer chamber upstream of the anode through an annular distributor.
  • the annular distributor is associated with sonic necks opening into the various cells of the alveolate buffer chamber.
  • the second means for supplying ionizable gas open into the annular buffer chamber upstream of the anode through a single sonic neck mounted tangentially according to the largest diameter of the buffer chamber so as to create a vortex flow.
  • the hollow cathode is placed in the axis of the motor inside the tubular central core and thermally insulated from this central core by a super-insulating screen.
  • FIG. 1 is an elevational view in axial half-section of an example of a closed electron drift plasma engine according to the present invention
  • FIG. 2 is an axial sectional view showing an example of a motor with electron drift plasma according to the prior art
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of part of the components of a plasma engine according to the invention showing a cylinder head with metal bars electrically insulated by sheaths in two parts, - Figure 3a shows a detail of production of an isolated bar used in the embodiment of FIG. 3,
  • FIG. 4 is an axial half-section view of a plasma motor according to the invention, similar to that of Figure 1 but with different connecting means to the support plate
  • - Figure 5 is a view in axial section of an alternative embodiment of the plasma engine according to the invention with a cylinder head with ferrite connecting bars
  • FIG. 6 is an axial sectional view of an alternative embodiment of the plasma motor according to the invention with metal connecting rods and parts of the ferrite magnetic circuit
  • - Figure 7 is an axial sectional view of a particular embodiment of the plasma engine according to the invention, in which the connecting yoke is constituted by bars arranged in a cone,
  • FIG. 8 is a view in axial section of a particular embodiment of the plasma engine according to the invention, in which the connecting yoke is constituted by a conical ferrule pierced with axial connecting channels,
  • - Figure 9 is an axial sectional view of a particular embodiment of the plasma engine according to the invention comprising a buffer chamber which constitutes a cylindrical extension of the acceleration channel without increasing the outside diameter
  • - Figure 10 is an axial section view of a particular example of embodiment of the plasma engine according to the invention, comprising a buffer chamber which has a reduced length and is associated with a tangential gas injector
  • FIG. 11 is a half-section along the plane XI-XI of FIG. 10,
  • FIG. 12 is a view in axial section of a particular embodiment of the plasma motor according to the invention, comprising a buffer chamber divided into several cells between which magnetic bars are arranged,
  • - Figure 13 is an exploded perspective view showing a one-piece buffer chamber and a set of magnetic bars which can be incorporated in the plasma motor of Figure 12, and - Figure 14 is an axial sectional view of a particular example for producing a plasma motor according to the invention, which has a large average diameter with respect to the width of the acceleration channel, and comprising a hollow cathode which is disposed inside a central pole piece in hollow tube shape.
  • FIG. 1 an example of plasma engine 20 with electron drift closed according to the invention, which comprises a set of parts 22 of insulating material defining an annular channel 21 formed, upstream, of a first part consisting of a buffer chamber 23 and, downstream, of a second part constituted by an acceleration channel 24.
  • the annular chamber 23 preferably has a dimension in the radial direction which is of the order of one to two times the dimension in the radial direction of the annular acceleration channel 24.
  • the buffer chamber 23 can be a little shorter than the acceleration channel 24 and advantageously has a length which is of the order of once to one and a half times the dimension d in the radial direction of the acceleration channel 24.
  • An anode 25 connected by an electric line 43 to a DC voltage source 44, which may for example be of the order of 200 to 300 N, is disposed on the insulating parts 22 delimiting the annular channel 21, in a zone situated immediately downstream of the buffer chamber 23, at the entrance to the acceleration channel 24.
  • the supply line 43 of the anode 25 is arranged in an insulating tube 45 which passes through pieces 223,224 of insulating material delimiting the buffer chamber 23.
  • a tube 26 for supplying ionizable gas such as xenon also passes through the bottom 223 of the buffer chamber 23 to open into an annular gas distributor 27 placed in the bottom of the buffer chamber 23.
  • the channel 21 delimited by all of the insulating parts 22 is placed in a magnetic circuit essentially composed of three coils 31,32,33 and pole pieces 34,35.
  • Outer 34 and inner 35 flat pole pieces are placed in the motor outlet plane outside the acceleration channel 24 and determine magnetic field lines which, at the open downstream part of the acceleration channel 24, are substantially parallel to the output plane 59 of the motor 20.
  • the magnetic circuit consisting of the pole pieces 34 and 35 is closed by an axial central core 38 and connecting bars 37 arranged at the periphery of the motor in an essentially cylindrical configuration, the central core 38 made of ferromagnetic material and the connecting bars 37 made of ferromagnetic material being in contact with a rear connecting yoke 36 made of ferromagnetic material.
  • the cylinder head 36 is constituted by essentially radial elements which are located in the immediate vicinity of the anode 25 and penetrate into the buffer chamber 23 by providing between them communication spaces 136 between the buffer chamber 23 and the annular channel 24.
  • An anti-pollution or anti-radiation screen 39 can also be disposed between the insulating parts 22 and the connecting bars 37.
  • the connecting bars 37 and the screen 39 can however be replaced by a cylindrical or cylindroconical shell which plays both the role of closing of the magnetic circuit and anti-pollution screen.
  • the electrons necessary for the operation of the engine are supplied by a hollow cathode 40 which can be of conventional design.
  • the cathode 40 which is electrically connected by a line 42 to the negative pole of the voltage source 44, has a circuit 41 for supplying ionizable gas such as xenon, and is located downstream of the outlet zone of the channel acceleration 24.
  • the hollow cathode 40 provides a plasma 29 substantially at the reference potential from which the electrons are extracted going towards the anode 25 under the effect of the electrostatic field E due to the difference between the anode 25 and the cathode 40. These electrons have an azimuth drift trajectory in the acceleration channel 24 under the effect of the electric field E and the magnetic field B.
  • the field at the outlet of channel 24 is 150 to 200 Oe.
  • the primary electrons are accelerated by the electrostatic field E, they then strike the wall of the insulator 22, which provides secondary electrons of 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 24. There is no space charge in the acceleration channel 24 due to the presence of the electrons.
  • the ion beam is neutralized by a portion of the electrons from the hollow cathode 40.
  • the control of the radial magnetic field gradient obtained thanks to the arrangement of the coils 31 to 33 and the pole pieces 34 and 35 makes it possible to separate the ion acceleration functions from the ionization function obtained in an area close to the anode 25.
  • This ionization zone can extend partially in the buffer chamber 23.
  • An important characteristic of the engine according to the invention lies in the existence of a buffer chamber 23 which makes it possible to optimize the ionization zone.
  • the buffer chamber 23 promotes the reduction of the plasma concentration gradient along the radius as well as the cooling of the electrons at the entrance to the acceleration channel 24, which reduces the divergence of the ion beam on the walls and thus avoids losses of 'ions by collision with the latter, which has the effect of increasing the efficiency and reducing the divergence of the beam at the output of the engine.
  • Another important characteristic of the motor according to the invention lies in the presence of three coils 31 to 33 which can have different dimensions and make it possible to optimize the magnetic field thanks to their specific location.
  • a first coil 31 is disposed around and outside the main channel 24 in the vicinity of the downstream end 225 thereof.
  • a second coil 32 is arranged around the central core 38 in an area facing the anode 25 and which can extend partially opposite the buffer chamber 23 so as to allow the creation of a magnetic mirror effect ( fig 7 and 8).
  • a third coil 33 is arranged around the central core 38 between the second coil 32 and the downstream end 225 of the main acceleration channel 24.
  • the coils 31, 32, 33 can have different sizes. The presence of three well differentiated coils 31, 32, 33 results in the creation of better directed field lines which allow a better channeled and more parallel jet than on conventional engines.
  • the magnetic field created is essentially radial at the end 225 of the main acceleration channel 24 and has maximum induction at this level.
  • the magnetic field has a minimum value, possibly zero, in the vicinity of the anode.
  • the absolute value of the magnetic field increases again upstream of the anode 25 in particular in the buffer chamber 23. It is this arrangement of the magnetic field which achieves a magnetic mirror effect preventing the propagation of the plasma in the buffer chamber 23.
  • the coils 31 to 33 for creating a magnetic field can be replaced at least partially by permanent magnets whose Curie point is higher than the engine operating temperature.
  • the annular coil 31 could also be replaced by a set of individual coils and arranged around the various connecting bars 37 constituting the peripheral magnetic circuit.
  • the magnetic material of the circuit consisting of the pole pieces 34, 35, the central core 38, the bars 37 and the cylinder head 36 can be soft iron, ultra-pure iron, or an iron-chromium alloy with high permeability. magnetic.
  • 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, 32, 33 and the ratio between the length and the diameter of each of these coils are determined so as to produce in the acceleration channel an essentially radial magnetic field, the maximum of which is located in the outlet plane 59 of the engine, the field lines of which near the outlet 225 are essentially parallel to the outlet face 59 and the field lines of which in the vicinity of the anode 25 are essentially arranged so as to favor the propellant gas in this region.
  • Examples of ion propellant according to the invention combining the presence of a buffer chamber 23 and a set of differentiated coils 31, 32, 33 have made it possible to obtain an electrical efficiency of the order of 50 to 70%, ie a improvement on average of 10 to 25% compared to previously known systems.
  • a quasi-cylindrical jet was obtained at the output of the engine with a very small divergence of the ion beam of the order of + 9 * .
  • an acceleration channel of the outside diameter 80mm we have at a distance of 80mm outside the engine relative to the outlet plane 59, 90% of the energy which remains concentrated in the diameter of the acceleration channel.
  • the motor according to the invention allows a higher thrust density (for example of the order of 1 to 2 mN / cm 2 of areolar thrust density), therefore a smaller and lighter motor with isotropy , with excellent yield.
  • the known motors show a service life of the order of 3000 hours.
  • a plasma motor in accordance with the present invention makes it possible to obtain a lifetime of at least 5000 to 6000 hours due to the lower erosion of the channel 24 linked to the better cylindricity of the ionized jet.
  • the plasma engine according to the invention can be the subject of numerous variant embodiments.
  • a magnetic circuit is represented comprising an external pole piece 34, an internal pole piece 35, a magnetic core 38, a connecting yoke 36 and ferromagnetic axial bars 32 which extend up to an outer ring 36A which forms part of the connecting yoke 36 and acts as a structural part which could be fixed directly to the mounting plate of the engine on a satellite, so as to create a fixing zone very close to the center gravity of the engine, which improves the resistance to vibrations, or, as shown in Figure 1 is connected to the mounting plate by a non-magnetic cylindrical ferrule 69 which thus constitutes a mounting interface.
  • the connecting yoke between the central magnetic core 38 and the axial ferromagnetic bars 37 is constituted by radial bars 36 made of ferromagnetic material which pass through the buffer chamber 23 just upstream from the main channel 24 and the anode 25, leaving between them large communication spaces 136 between the buffer chamber 23 and the main channel 24, as shown more clearly in FIG. 3.
  • the number of bars 36 can be between for example three and nine.
  • the outer ring 36A in the shape of a washer can be made in one piece with the bars 36.
  • bars 36 are shown electrically insulated by insulating sheaths 141, 142.
  • the sheaths 141, 142 are advantageously made in two parts 141, 142 respectively fixed to the walls 22 of the channel main 24 and walls 224 of the buffer chamber 23.
  • the bars 36 have a section of semi-cylindrical shape
  • each half-sheath 141 has a section matching the semi-cylindrical shape of a bar 36 and each half-sheath 142 has a flat shape which comes to bear against the flat face of a bar 36 4
  • the different axial bars 37 are then connected directly to the external ends of the radial bars 36.
  • Each bar 36 is also connected by a spacer 146 to the base plate 145 used for mounting on a satellite.
  • the central pole piece 38 is itself held by an extension 147 of the base plate 145.
  • the seal between the bars 36 and the insulating ceramic walls 22 of the main channel 24 can be obtained by using a cement or a glass seal, provided that the ceramic and the ferrite are chosen so as to present neighboring expansion coefficients.
  • FIG. 5 the particular configuration of FIG. 5 includes seven cylindrical bars 36 of ferrite radial which close the magnetic circuit between the outer shell 37a and the central core 38.
  • the connecting bars 36 are made of a ferromagnetic metallic material but are not surrounded by insulating sheaths.
  • the central core 38 and the parts 37b which constitute the part of the axial external magnetic circuit and can be in the form of bars or of a ferrule, are made of electrically insulating ferrite.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which the radial connecting bars 36 are not arranged in a plane perpendicular to the axis of the engine but are arranged according to the generatrices of a cone whose base is turned downstream of the engine.
  • the base of the cone is thus connected to a ferrule 37a constituting the part of the external axial magnetic circuit while the top of the cone or the smallest section of the truncated cone are connected to the central core 38 through the buffer chamber 23.
  • This mode of embodiment enables a very long coil 32 to be produced in the vicinity of the junction between the buffer chamber 23 and the main channel 24.
  • FIG. 8 shows an embodiment in which the connecting yoke 36 is not produced using separate bars but consists of a conical piece of ferrite whose large base is turned downstream and connected to the cylindrical shell 37a constituting the axial external magnetic circuit part, and the top is connected to the central core 38, the conical part 36 passing through the buffer chamber 23 upstream of the anode 25.
  • the buffer chamber 23 is thus divided into two cavities which communicate via channels 136 drilled axially through the conical part 36.
  • the channels 136 are in sufficient number, or of sufficiently large section, to have a negligible impedance at the passage of the gas.
  • FIG. 9 shows a plasma motor according to the invention, in which the buffer chamber 23 constitutes a cylindrical extension of the acceleration channel 24.
  • the transverse dimension of the buffer chamber 23, and the outside diameter of that These are the same as for the acceleration channel 24.
  • the interface plane at which the engine can be attached to the support structure of a satellite is identified by the reference 245.
  • the structure of the motor in FIG. 9 can also conform, for example, to the embodiment in FIG. 5.
  • the annular distributor 27 for the supply in ionizable gas may however preferably be located near the bottom 223 of the buffer chamber 23 in the vicinity of the internal part 222 which delimits both the buffer chamber 23 and the acceleration channel 24.
  • FIGS. 10 and 11 show a plasma motor according to the invention in which the buffer chamber 23 has a reduced length in the longitudinal direction, which may even be slightly less than the transverse dimension of the acceleration channel 24.
  • FIG. 12 shows a particular embodiment of a plasma engine according to the invention in which the buffer chamber 23, seen in perspective in FIG. 13, comprises several cells which open into the acceleration channel 24 in the vicinity of the anode 25, are distributed around the axis of the engine and are delimited by partitions parallel to the axis of the engine.
  • the partitions essentially parallel to the axis of the engine define between the neighboring cells passages 423 for magnetic bars 36 constituting the cylinder head.
  • the magnetic bars 36 do not physically penetrate into the buffer chamber 23 which can be in one piece and be produced for example by techniques of blowing glass or quartz.
  • the buffer chamber 23, which is in a way molded around the bars, can be produced using a mold rather than by blowing.
  • the walls 223 of the honeycomb buffer chamber 23 are made of a material different from that of the cylindrical part 22 of the acceleration channel 24.
  • the junction between the downstream end of the walls 223 of the honeycomb buffer chamber 23 and the upstream end walls 22 of the annular channel 21 carrying the anode 25 is referenced 523.
  • the annular distributor 27 can be mounted in advance on the wall of the buffer chamber 23.
  • the annular distributor 27 is associated with sonic necks 127 which open into the various cells of the blistered buffer chamber 23.
  • the injection can advantageously be carried out in the upstream direction, the annular distributor 27 itself being placed downstream of the buffer chamber 23
  • the actual injection of ionizable gas takes place in all cases at a certain distance upstream from anode 25.
  • the buffer chamber 23 can for example comprise from three to nine cells, magnetic bars 36 in number equal to that of the cells being arranged in the passages 423.
  • the entire magnetic circuit constituted by the parts 36, 38, 35 as well as the coils 32 and 33 can be introduced from the rear of the buffer chamber 23.
  • FIG. 14 shows a particular embodiment of the invention applicable to a plasma engine whose average diameter of the acceleration channel 24 is large with respect to the width of this channel.
  • the central pole piece 38 can be produced in a tubular manner by providing a free central space in which it is possible to insert the hollow cathode 40 which is then arranged along the axis of the motor.
  • a super-insulating screen 140 is arranged around the cathode 40 so as to not allow radiation from the cathode 40 only towards space.
  • the cathode 40 is held in position relative to the central tubular pole piece 38 by a mechanical support 240.
  • Figures 12 and 14 there is shown the interface flange 145 located in the vicinity of the connection between the bars 36 and the outer shell 37a, and used for mounting on a satellite.
  • the fact that the magnetic circuit does not extend to the bottom of the motor upstream of the buffer chamber 23 makes it possible to reduce the mass and the total length of the motor, without hampering the operation of this one.

Abstract

Les moyens (31 à 33, 34 à 38) de création d'un champ magnétique dans le canal principal (24) du moteur à plasma sont adaptés pour produire dans ce canal principal (24) un champ magnétique essentiellement radial à l'extrémité aval (225) du canal (24) et dont l'induction est maximale à ce niveau, ce champ magnétique présentant une induction minimale dans la zone de transition située au voisinage de l'anode (25), la valeur absolue de l'induction de ce champ augmentant à nouveau en amont de l'anode (25), au niveau de la chambre tampon (23) pour réaliser un effet de miroir magnétique, les lignes de champ magnétique présentant entre l'anode (25) et l'extrémité aval (225) du canal (24) une concavité dirigée vers l'aval provoquant une focalisation des ions, avec une région de densité d'ionisation maximale située en aval de l'anode (25), et en ce que les moyens de création d'un champ magnétique comprennent 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). La culasse (36) est constituée par des éléments radiaux situés au voisinage immédiat de l'anode (25) et traversant la chambre tampon annulaire (23) en ménageant entre eux des espaces de communication (13) entre la chambre tampon annulaire (23) et le canal principal (24).

Description

Moteur à plasma de longueur réduite à dérive fermée d'électrons
Domaine 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 fermée d'électrons encore appelés moteurs à plasma stationnaire ou aux Etats-Unis d'Amérique "moteurs de Hall". Art antérieur
Les moteurs électriques sont destinés essentiellement aux applications de propulsion spatiales. En tant que sources d'ions ou de plasma, ils sont aussi utilisés pour des applications terrestres, notamment pour l'usinage ionique. Grâce à leur haute impulsion spécifique (de 1500 à 6000s) ils permettent des gains de masse considérables sur les satellites par rapport à des moteurs utilisant la propulsion 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 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 132065, WO 89/05404 et EP-A-0468706.
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 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 création 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 ensuite neutralisé par un flux d'électrons émis à partir d'une cathode creuse externe, appelée neutraliseur.
Les impulsions spécifiques (Isp) obtenues par ce type de propulseurs sont de l'ordre de 3000 secondes et au-delà. La puissance nécessaire est de l'ordre de 30W par mN de poussée. 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 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 de 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 qui conduit à la réalisation de circuits électroniques de conversion et de contrôle assez complexes. On connaît encore, notamment par un article de L.H. ARTSIMONITCH et al. paru en 1974 concernant le programme de développement du moteur à plasma stationnaire (SPD) et ses 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 par le fait que l'ionisation et l'accélération ne sont pas différenciées et que la zone d'accélération comporte un nombre d'ions et d'électrons égal, ce qui permet d'éliminer tout phénomène de charge d'espace.
On décrira ci-après, en référence à la figure 2, un moteur à dérive fermée d'électrons tel qu'il a été proposé dans l'article précité de L.H. ARTSIMONITCH et al. Un canal annulaire 1 défini par une pièce 2 en matériau isolant est placé dans un électro-aimant comprenant des pièces polaires annulaires externe 3 et interne 4 placées respectivement à l'extérieur et à l'intérieur de la pièce 2 en matériau isolant, une culasse magnétique 12 disposée à l'amont du moteur et des bobines d'électroaimant 11 qui s'étendent sur toute le longueur du canal 1 et sont montées en série autour de noyaux magnétiques 10 reliant la pièce polaire externe 3 à la culasse 12. Une cathode creuse 7, connectée à la masse, est couplée à un dispositif d'alimentation en xénon pour former un nuage de plasma devant la sortie aval du canal 1. Une anode annulaire 5 reliée au pôle positif d'une source d'alimentation électrique par exemple de 300 volts est disposée dans la partie amont fermée du canal annulaire 1. Un tube d'injection de xénon 6, coopérant avec un isolateur thermique et 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 creuse 7. Les électrons d'ionisation sont attirés dans le canal annulaire isolant 1 par le champ 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 bobines 11, les électrons d'ionisation prennent une trajectoire de dérive en azimuth nécessaire pour maintenir le champ électrique dans le canal.
Les électrons d'ionisation dérivent alors selon des trajectoires fermées 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 xénon).
L'impulsion spécifique obtenue par des moteurs ioniques classiques à dérive fermée d'électrons fonctionnant au xénon 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 xénon, que le jet est divergent (± 20* d'ouverture 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.
On a encore proposé, notamment dans l'article intitulé "Open single lens hall accelerator" de N.N. Dem'Yanenko, L.P. Zudkov et A.L Morozov paru en août 1976 dans la revue "Soviet Physics Technical Physics" vol 21, n* 8, pp. 987-988, de séparer les deux fonctions de l'anode en utilisant d'une part une anode cylindrique et d'autre part une distribution de gaz annulaire. Une telle configuration permet d'uniformiser le débit de gaz à ioniser au voisinage de l'anode. Afin que l'homogénéisation puisse se produire, l'anode et le distributeur de gaz annulaire sont séparés par une chambre tampon. Le moteur à plasma décrit dans l'article précité fonctionne toutefois en mode puisé et avec une haute tension de décharge et reste d'une manière générale peu adapté à des applications spatiales. Objet et description succincte de l'invention
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des moteurs à 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 divergence du faisceau et accroître la densité du faisceau d'ions, le rendement électrique, l'impulsion spécifique et la durée de vie.
L'invention a encore pour but de réduire la masse et les dimensions du moteur.
Ces buts sont atteints grâce à un moteur à plasma de longueur réduite 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 extrémité aval, au moins une cathode creuse disposée à l'extérieur du canal annulaire principal du côté de la partie aval de celui-ci, 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, un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal, et une chambre tampon annulaire qui présente dans le sens radial une dimension au moins égale à celle du canal annulaire principal et s'étend en amont de celui-ci au-delà de la zone dans laquelle est placée l'anode annulaire, les deuxièmes moyens d'alimentation en gaz ionisable débouchant dans la chambre tampon annulaire en amont de l'anode dans une zone distincte de la zone portant l'anode, en ce que les moyens de création d'un champ magnétique dans le canal principal sont adaptés pour produire dans ce canal principal un champ magnétique essentiellement radial à l'extrémité aval du canal et dont l'induction est maximale à ce niveau, ce champ magnétique présentant une induction minimale dans la zone de transition située au voisinage de l'anode, la valeur absolue de l'induction de ce champ augmentant à nouveau en amont de l'anode, au niveau de la chambre tampon pour réaliser un effet de miroir magnétique, les lignes de champ magnétique présentant entre l'anode et l'extrémité aval du canal, une concavité dirigée vers l'aval provoquant une focalisation des ions, avec une région de densité d'ionisation maximale située en aval de l'anode, en ce que les moyens de création d'un champ magnétique comprennent plusieurs moyens distincts de création d'un champ magnétique et des pièces polaires radiales planes interne et externe disposées au niveau de la face de sortie de part et d'autre du canal principal et reliées entre elles par un âme centrale, une culasse et un circuit magnétique périphérique disposé axialement à l'extérieur du canal principal, la culasse étant constituée par des éléments radiaux situés au voisinage immédiat de l'anode et traversant la chambre tampon annulaire en ménageant entre eux des espaces de communication entre la chambre tampon annulaire et le canal principal. Avantageusement, la chambre tampon présente dans le sens radial une dimension qui est comprise entre une fois et deux fois la dimension radiale du canal principal.
De façon plus particulière, les moyens distincts de création d'un champ magnétique comprennent un premier moyen disposé autour et à l'extérieur du canal 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 pour la création de l'effet miroir magnétique, et un troisième moyen disposé autour de l'âme centrale entre le deuxième moyen et l'extrémité aval du canal principal. Selon un mode de réalisation possible, Les premier, deuxième et troisième moyens de création d'un champ magnétique peuvent être constitués par des bobines d'induction.
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 magnétique de profil 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 tels que le Xénon, l'Argon, etc...grâce à une amélioration du processus d'ionisation, c) - obtention d'équipotentielles électrostatiques réduisant la divergence du faisceau d'où cl) une intégration plus facile au satellite, c2) une usure plus faible du canal d'accélération,
De façon plus particulière, la réalisation d'un profil de champ magnétique particulier dans le canal d'accélération et en amont de l'anode, au sein même de la chambre tampon, permet :
- d'améliorer l'homogénéité du plasma et ainsi de diminuer la distortion des équipotentielles électrostatiques dans la zone d'accélération, ce qui contribue à limiter les pertes d'ions sur les parois et à augmenter la focalisation du faisceau, - de mieux localiser la région de formation des ions, ce qui contribue à restreindre la dispersion d'énergie des ions, et
- d'effectuer un confinement immatériel du plasma en amont de l'anode, par un effet de miroir magnétique.
La transition entre la valeur minimale du champ magnétique au voisinage de l'anode et la valeur maximale en sortie du canal d'accélération (de l'ordre de 300 Oe) permet d'obtenir dans tous les cas une zone où la probabilité d'ionisation est maximale.
La géométrie de la chambre tampon permet l'extension du plasma en amont de l'anode et sa contention par l'effet de miroir magnétique. Le fait que, selon l'invention, la culasse de liaison entre l'âme centrale et le circuit magnétique périphérique soit située au voisinage immédiat de l'anode et pénètre dans la chambre tampon annulaire, permet de réduire la longueur, et donc la masse de l'ensemble du circuit magnétique, ce qui conduit à la réalisation d'un moteur dont la masse et les dimensions sont sensiblement réduites par rapport à des modes de réalisation dans lesquels la culasse de liaison entre l'âme centrale et le circuit magnétique périphérique est située en amont de la chambre tampon.
La culasse de liaison qui traverse la chambre tampon en ménageant des espaces de communication avec le canal principal peut être réalisée de diverses manières. Ainsi, la culasse peut comprendre des éléments radiaux constitués par des barreaux magnétiques cylindriques traversant la chambre tampon annulaire.
Dans ce cas, les barreaux magnétiques peuvent être constitués par des barreaux métalliques isolés électriquement par des gaines en deux parties solidaires respectivement des parois du canal principal et des parois de la chambre tampon. Selon un mode de réalisation possible les barreaux magnétiques sont réunis à leur partie périphérique externe par une couronne magnétique continue servant de pièce structurale de fixation du moteur sur la structure d'un satellite.
Les barreaux magnétiques peuvent encore être constitués par des barreaux métalliques isolés électriquement de la masse par des pièces en ferrite constituant respectivement ledit circuit magnétique périphérique disposé axialement à l'extérieur du canal principal et ladite âme centrale, les barreaux magnétiques pouvant être polarisés au potentiel de l'anode .
Selon encore une autre forme de réalisation possible les barreaux magnétiques sont constitués d'un matériau ferrite isolant permettant une implantation directe dans la chambre tampon . Le circuit magnétique périphérique peut comprendre un ensemble de barreaux de liaison entre la pièce polaire radiale externe et la culasse, ou peut encore être constitué par une virole.
La culasse de liaison peut comprendre des barreaux orientés radialement dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de la chambre tampon et du canal principal.
Toutefois, selon un autre mode de réalisation possible, la culasse comprend des barreaux orientés radialement selon les génératrices d'un tronc de cône dont l'extrémité de plus petite section est reliée à l'âme centrale, l'extrémité de plus grande section est reliée au circuit magnétique périphérique et l'axe correspond sensiblement à celui de la chambre tampon et du canal principal .
Selon encore un autre mode de réalisation particulière la culasse comprend une pièce tronconique en ferrite dont l'extrémité de plus petite section est reliée à l'âme centrale et l'extrémité de plus grande section est reliée à une virole constituant le circuit magnétique périphérique, des canaux ménagés axialement dans ladite pièce tronconique constituant lesdits espaces de communication entre la chambre tampon annulaire et le canal principal .
L'invention concerne également un moteur à plasma dans lequel la chambre tampon comprend plusieurs alvéoles qui débouchent dans le canal d'accélération au voisinage de l'anode, sont répartis autour de l'axe du moteur et sont délimités par des cloisons parallèles à l'axe du moteur qui définissent entre les alvéoles voisins des passages pour des barreaux magnétiques cylindriques constituant la culasse sans pénétrer dans la chambre tampon alvéolée.
Une telle chambre tampon peut être monobloc. Selon un mode particulier de réalisation possible, les deuxièmes moyens d'alimentation en gaz ionisable débouchent dans la chambre tampon annulaire en amont de l'anode à travers un distributeur annulaire.
Dans le cas d'une chambre tampon alvéolaire, le distributeur annulaire est associé à des cols soniques débouchant dans les différents alvéoles de la chambre tampon alvéolée.
Selon un autre mode particulier de réalisation possible, les deuxièmes moyens d'alimentation en gaz ionisable débouchent dans la chambre tampon annulaire en amont de l'anode à travers un col sonique unique monté tangentiellement selon le plus grand diamètre de la chambre tampon de manière à créer un écoulement vortex. Dans le cas où le diamètre moyen du moteur est important vis-à-vis de la largeur du canal, selon un mode particulier de réalisation, la cathode creuse est placée dans l'axe du moteur à l'intérieur de l'âme centrale tubulaire et isolée thermiquement de cette âme centrale par un écran superisolant. Brève description 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, - la figure 2 est une vue en coupe axiale montrant un exemple de moteur à plasma à dérive fermée d'électrons selon l'art antérieur,
- la figure 3 est une vue éclatée en perspective d'une partie des éléments constitutifs d'un moteur à plasma selon l'invention montrant une culasse à barreaux métalliques isolés électriquement par des gaines en deux parties, - la figure 3a montre un détail de réalisation d'un barreau isolé mis en oeuvre dans le mode de réalisation de la figure 3,
- la figure 4 est une vue en demi-coupe axiale d'un moteur à plasma selon l'invention, semblable à celui de la figure 1 mais avec des moyens de liaison à la plaque de support différents, - la figure 5 est une vue en coupe axiale d'une variante de réalisation du moteur à plasma selon l'invention avec une culasse à barreaux de liaison en ferrite,
- la figure 6 est une vue en coupe axiale d'une variante de réalisation du moteur à plasma selon l'invention avec des barreaux de liaison métalliques et des parties de circuit magnétique en ferrite, - la figure 7 est une vue en coupe axiale d'un exemple particulier de réalisation du moteur à plasma selon l'invention, dans lequel la culasse de liaison est constituée par des barreaux disposés selon un cône,
- la figure 8 est une vue en coupe axiale d'un exemple particulier de réalisation du moteur à plasma selon l'invention, dans lequel la culasse de liaison est constituée par une virole conique percée de canaux de liaison axiaux,
- la figure 9 est une vue en coupe axiale d'un exemple particulier de réalisation du moteur à plasma selon l'invention comprenant une chambre tampon qui constitue un prolongement cylindrique du canal d'accélération sans augmentation du diamètre extérieur, - la figure 10 est une vue en coupe axiale d'un exemple particulier de réalisation du moteur à plasma selon l'invention, comprenant une chambre tampon qui présente une longueur réduite et est associée à un injecteur de gaz tangentiel,
- la figure 11 est une demi-coupe selon le plan XI-XI de la figure 10,
- la figure 12 est une vue en coupe axiale d'un exemple particulier de réalisation de moteur à plasma selon l'invention, comprenant une chambre tampon divisée en plusieurs alvéoles entre lesquels sont disposés des barreaux magnétiques,
- la figure 13 est une vue éclatée en perspective montrant une chambre tampon monobloc et un ensemble de barreaux magnétiques pouvant être incorporés dans le moteur à plasma de la figure 12, et - la figure 14 est une vue en coupe axiale d'un exemple particulier de réalisation d'un moteur à plasma selon l'invention, qui présente un diamètre moyen important vis-àvis de la largeur du canal d'accélération, et comprenant une cathode creuse qui est disposée à l'intérieur d'une pièce polaire centrale en forme de tube creux. Description détaillée des modes particuliers de réalisation
On voit sur la figure 1 un exemple de moteur à plasma 20 à dérive fermée d'électrons conforme à l'invention, qui comprend un ensemble de pièces 22 en matériau isolant délimitant un canal annulaire 21 formé, en amont, d'une première partie constituée par une chambre tampon 23 et, en aval, d'une deuxième partie 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 simple au double de la dimension dans le sens radial du canal annulaire d'accélération 24. Dans le sens axial, la chambre tampon 23 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 à une fois et demie la dimension d dans le sens radial du canal d'accélération 24.
Une anode 25, reliée par une ligne électrique 43 à une source de tension continue 44, qui peut être par exemple de l'ordre de 200 à 300 N, est disposée sur les pièces isolantes 22 délimitant le canal annulaire 21, dans une zone située immédiatement en aval de la chambre tampon 23, 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 des pièces 223,224 en matériau isolant délimitant la chambre tampon 23.
Un tube 26 d'alimentation en gaz ionisable tel que du xénon traverse également le fond 223 de la chambre tampon 23 pour déboucher dans un distributeur annulaire de gaz 27 placé dans le fond de la chambre tampon 23. Le canal 21 délimité par l'ensemble des pièces isolantes 22 est placé dans un circuit magnétique composé essentiellement de trois bobines 31,32,33 et de pièces polaires 34,35.
Des pièces polaires planes externe 34 et interne 35 sont placées dans le plan de sortie du moteur à l'extérieur du canal d'accélération 24 et déterminent des lignes de champ magnétique qui à la partie ouverte aval du canal d'accélération 24 sont sensiblement parallèles au plan de sortie 59 du moteur 20.
Le circuit magnétique constitué des pièces polaires 34 et 35 est fermé par un noyau central axial 38 et des barres de liaison 37 disposées à la périphérie du moteur selon une configuration essentiellement cylindrique, le noyau central 38 en matériau ferromagnétique et les barres de liaison 37 en matériau ferromagnétique étant en contact avec une culasse arrière de liaison 36 en matériau ferromagnétique. La culasse 36 est constituée par des éléments essentiellement radiaux qui sont situés au voisinage immédiat de l'anode 25 et pénètrent dans la chambre tampon 23 en ménageant entre eux des espaces de communication 136 entre la chambre tampon 23 et le canal annulaire 24.
Un écran 39 antipollution ou antirayonnement peut être également disposé entre les pièces isolantes 22 et les barres de liaison 37. Les barres de liaison 37 et l'écran 39 pouvant toutefois être remplacés par une virole cylindrique ou cylindroconique qui joue à la fois le rôle de fermeture du circuit magnétique et d'écran anti-pollution.
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 xénon, et se trouve placée en aval de la zone de sortie du canal d'accélération 24.
La cathode creuse 40 fournit un plasma 29 sensiblement au potentiel de référence d'où sont extraits les électrons se dirigeant vers l'anode 25 sous l'effet du champ électrostatique E dû à la différence entre l'anode 25 et la cathode 40. Ces électrons ont une trajectoire de dérive en azimut 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 24 est de 150 à 200 Oe.
Les électrons primaires sont accélérés par le champ électrostatique E, ils heurtent alors la paroi de l'isolateur 22, ce qui fournit des électrons secondaires d'énergie plus faible. Les électrons entrent en collision avec les atomes neutres de xénon issus de la chambre tampon 23.
Les ions xénon ainsi formés sont accélérés par le champ électrostatique E dans le canal d'accélération 24. II n'y a pas de charge d'espace dans le canal d'accélération 24 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 gradient de champ magnétique radial obtenue grâce à la disposition des bobines 31 à 33 et des pièces polaires 34 et 35 permet de séparer les fonctions d'accélération des ions de la fonction ionisation obtenue dans une zone proche de l'anode 25. Cette zone d'ionisation peut s'étendre partiellement dans la chambre tampon 23.
Une caractéristique importante du moteur selon 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 fermée d'électrons, une partie notable de l'ionisation est localisée dans la partie médiane. Une partie des ions percute les parois, 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 évite 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 du moteur selon l'invention réside dans la présence de trois bobines 31 à 33 qui peuvent présenter des dimensions différentes et permettent 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 225 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 pouvant s'étendre partiellement en face de la chambre tampon 23 de manière à permettre la création d'un effet de miroir magnétique (fig 7 et 8). 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 24. Les bobines 31,32,33 peuvent présenter des tailles différentes. 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. Le champ magnétique créé est essentiellement radial à l'extrémité 225 du canal principal d'accélération 24 et présente une induction maximale à ce niveau. Le champ magnétique présente une valeur minimale, pouvant être nulle, au voisinage de l'anode. La valeur absolue du champ magnétique augmente à nouveau en amont de l'anode 25 en particulier dans la chambre tampon 23. C'est cette disposition du champ magnétique qui réalise un effet de miroir magnétique empêchant la propagation du plasma dans la chambre tampon 23.
Selon une variante de réalisation, les bobines 31 à 33 de création d'un champ magnétique peuvent être remplacées au moins partiellement par des aimants permanents dont le point de Curie est supérieur à la température de fonctionnement du moteur.
La bobine annulaire 31 pourrait également être remplacée par un ensemble de bobines individuelles et disposées autour des différentes barres de liaison 37 constituant le circuit magnétique périphérique.
Le matériau magnétique du circuit constitué des pièces polaires 34,35, de l'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.
A titre d'exemple, les pièces polaires 34 et 35 peuvent présenter une dimension de l'ordre d'une vingtaine de millimètres dans le sens axial.
Le nombre d'ampères-tours de chaque bobine 31, 32, 33 et le rapport entre la longueur et le diamètre de chacune de ces bobines sont déterminés de manière à 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 225 sont essentiellement parallèles à la face de sortie 59 et dont les lignes de champ au voisinage de l'anode 25 sont essentiellement disposées de manière à favoriser l'ionisation du gaz propulsif dans cette région.
Des exemples de propulseur ionique selon l'invention combinant la présence d'une chambre tampon 23 et d'un ensemble de bobines 31, 32, 33 différenciées ont permis d'obtenir un rendement électrique de l'ordre de 50 à 70% soit une amélioration en moyenne de l'ordre de 10 à 25% par rapport aux systèmes antérieurement connus.
Par ailleurs, dans les réalisations conformes à l'invention, on a obtenu en sortie du moteur un jet quasi-cylindrique 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'accélération.
D'une manière générale, le moteur selon l'invention permet une plus forte densité de poussée (par exemple de l'ordre de 1 à 2mN/cm2 de densité de poussée aréolaire), donc un moteur plus petit et plus léger à isopoussée, avec un excellent rendement.
En ce qui concerne la durée de vie, les moteurs connus montrent une durée de vie de l'ordre de 3000h.
Au contraire, un moteur à plasma conforme à la présente invention permet 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 cylindricité du jet ionisé.
Le moteur plasma selon l'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation.
Dans le cas de la figure 1, on a représenté un circuit magnétique comprenant une pièce polaire externe 34, une pièce polaire interne 35, un noyau magnétique 38, une culasse de liaison 36 et des barreaux axiaux ferromagnétiques 32 qui s'étendent jusqu'à une couronne extérieure 36A qui fait partie de la culasse de liaison 36 et joue le rôle d'une pièce structurale qui pouvait être fixée directement sur la plaque de montage du moteur sur un satellite, de manière à créer une zone de fixation très proche du centre de gravité du moteur, ce qui améliore la tenue aux vibrations, ou, comme représenté sur la figure 1 est relié à la plaque de montage par une virole cylindrique non magnétique 69 qui constitue ainsi une interface de montage.
La culasse de liaison entre le noyau magnétique central 38 et les barreaux ferromagnétiques axiaux 37 est constituée par des barreaux radiaux 36 en matériau ferromagnétique qui traversent la chambre tampon 23 juste en amont du canal principal 24 et de l'anode 25, en ménageant entre eux de larges espaces de communication 136 entre la chambre tampon 23 et le canal principal 24, comme cela est représenté de façon plus claire sur la figure 3.
Le nombre de barreaux 36 peut être compris entre par exemple trois et neuf. La couronne extérieure 36A en forme de rondelle peut être réalisée d'une seule pièce avec les barreaux 36.
Sur le mode de réalisation des figures 1, 3, 3A, on a représenté des barreaux 36 isolés électriquement par des gaines isolantes 141, 142. Les gaines 141, 142 sont avantageusement réalisées en deux parties 141, 142 solidaires respectivement des parois 22 du canal principal 24 et des parois 224 de la chambre tampon 23. De façon plus particulière, dans l'exemple de réalisation des figures 3 et 3A, les barreaux 36 présentent une section de forme semi-cylindrique, chaque demi-gaine 141 présente une section épousant la forme semi-cylindrique d'un barreau 36 et chaque demi- gaine 142 présente une forme plane qui vient porter contre la face plane d'un barreau 36. La figure 4 montre, en demi-coupe axiale et perspective une variante de réalisation, dans laquelle les barreaux 36 constituent des bras radiaux qui ne sont pas reliés entre eux par une couronne 36A à leur extrémité externe. Les différents barreaux axiaux 37 sont alors reliés directement aux extrémités externes des barreaux radiaux 36. Chaque barreau 36 est par ailleurs relié par une entretoise 146 à la plaque de base 145 servant au montage sur un satellite. La pièce polaire centrale 38 est elle- même maintenue par une extension 147 de la plaque de base 145.
Par souci de clarté, on n'a pas représenté sur la figure 3, la figure 4 ou les figures 5 à 8 divers éléments représentés sur la figure 1, tels que les moyens d'alimentation électrique de l'anode 25. Dans le mode de réalisation de la figure 5, les barreaux axiaux 37 ont été remplacés par une virole externe 37a en matériau ferromagnétique. Les barreaux radiaux 36 sont eux-mêmes réalisés en ferrite douce électriquement isolante. Les barreaux 36 n'ont donc pas besoin d'être entourés par des gaines isolantes 141, 142 comme dans le cas du mode de réalisation des figures 1, 3 et 4. Dans le cas de barreaux 36 réalisés en ferrite douce, il n'y a pas de perturbation du champ électrostatique à proximité des barreaux 36.
L'étanchéité entre les barreaux 36 et les parois 22 en céramique isolante du canal principal 24 peut être obtenue par utilisation d'un ciment ou d'un scellement aux verres, sous réserve que la céramique et la ferrite soient choisis de manière à présenter des coefficients de dilatation voisins.
A titre d'exemple, la configuration particulière de la figure 5 comprend sept barreaux cylindriques 36 radiaux en ferrite qui ferment le circuit magnétique entre la virole externe 37a et le noyau central 38.
Dans le mode de réalisation de la figure 6, les barreaux de liaison 36 sont réalisés en un matériau métallique ferromagnétique mais ne sont pas entourés de gaines isolantes. En revanche, le noyau central 38 et les pièces 37b qui constituent la partie de circuit magnétique externe axial et peuvent être sous la forme de barreaux ou d'une virole, sont réalisés en ferrite isolante électriquement.
Dans ce cas, les barreaux métalliques 36 peuvent être polarisés au potentiel de l'anode et peuvent jouer le rôle de l'anode 25 ou celui d'une anode complémentaire. La figure 7 montre un mode de réalisation dans lequel les barreaux radiaux de liaison 36 ne sont pas disposés dans un plan perpendiculaire à l'axe du moteur mais sont disposés selon les génératrices d'un cône dont la base est tournée vers l'aval du moteur. La base du cône est ainsi reliée à une virole 37a constituant la partie de circuit magnétique axial externe tandis que le sommet du cône ou la plus petite section du tronc de cône sont reliés au noyau central 38 à travers la chambre tampon 23. Ce mode de réalisation permet de réaliser une bobine 32 de grande longueur au voisinage de la jonction entre la chambre tampon 23 et le canal principal 24.
La figure 8 montre un mode de réalisation dans lequel la culasse de liaison 36 n'est pas réalisée à l'aide de barreaux distincts mais est constituée par une pièce conique en ferrite dont la grande base est tournée vers l'aval et reliée à la virole cylindrique 37a constituant la partie de circuit magnétique externe axial, et le sommet est relié au noyau central 38, la pièce conique 36 traversant la chambre tampon 23 en amont de l'anode 25. La chambre tampon 23 est ainsi divisée en deux cavités qui communiquent par des canaux 136 percés axialement à travers la pièce conique 36. Les canaux 136 sont en nombre suffisant, ou de section suffisamment grande, pour présenter une impédance négligeable au passage du gaz.
Comme dans le cas du mode de réalisation de la figure 7, la mise en oeuvre d'une culasse de liaison 36 de forme conique traversant la chambre tampon 23 en amont de l'anode 25 permet de disposer une bobine 32 de relativement grande longueur au voisinage de la jonction entre la chambre tampon 23 et le canal principal 24.
La figure 9 montre un moteur à plasma conforme à l'invention, dans lequel la chambre tampon 23 constitue un prolongement cylindrique du canal d'accélération 24. Dans ce cas, la dimension transversale de la chambre tampon 23, et le diamètre extérieur de celle-ci sont les mêmes que pour le canal d'accélération 24.
L'ensemble des pièces 222, 223, 224 définissant le canal annulaire 21 comprenant successivement la chambre tampon 23 et le canal d'accélération 24 présente sur la face externe de sa paroi 224, perpendiculairement à l'axe du moteur, un talon 323 de montage sur une bride 145 d'interface contre laquelle vient porter la virole 37a constituant la partie du circuit magnétique axial externe. Le plan d'interface au niveau duquel peut s'effectuer la fixation du moteur sur la structure support d'un satellite est repéré par la référence 245.
La structure du moteur de la figure 9 peut être par ailleurs conforme par exemple à la réalisation de la figure 5. Le distributeur annulaire 27 pour l'alimentation en gaz ionisable peut cependant de préférence être situé près du fond 223 de la chambre tampon 23 au voisinage de la pièce interne 222 qui délimite à la fois la chambre tampon 23 et le canal d'accélération 24.
Les figures 10 et 11 montrent un moteur à plasma selon l'invention dans lequel la chambre tampon 23 présente dans le sens longitudinal une longueur réduite, qui peut même être légèrement inférieure à la dimension transversale du canal d'accélération 24.
Dans ce cas, le distributeur annulaire 27 est remplacé par un injecteur de gaz tangentiel 227 qui comprend un col sonique permettant l'introduction tangentielle de gaz dans la chambre tampon 23 avec un effet de vortex qui permet une homogénéisation du flux de gaz malgré la faible dimension longitudinale de la chambre tampon 23. Les autres éléments du moteur des figures 10 et 11 peuvent être réalisés par exemple selon le mode de réalisation de la figure 6 et ne seront pas décrits à nouveau. La figure 12 montre un mode de réalisation particulier de moteur à plasma selon l'invention dans lequel la chambre tampon 23 , vue en perspective sur la figure 13, comprend plusieurs alvéoles qui débouchent dans le canal d'accélération 24 au voisinage de l'anode 25, sont répartis autour de l'axe du moteur et sont délimités par des cloisons parallèles à l'axe du moteur. Les cloisons essentiellement parallèles à l'axe du moteur définissent entre les alvéoles voisins des passages 423 pour des barreaux magnétiques 36 constituant la culasse. Dans ce cas, les barreaux magnétiques 36 ne pénètrent pas physiquement dans la chambre tampon 23 qui peut être monobloc et être réalisée par exemple par des techniques de soufflage du verre ou du quartz. La chambre tampon 23, qui est en quelque sorte moulée autour des barreaux peut être réalisée à l'aide d'un moule plutôt que par soufflage. Les parois 223 de la chambre tampon alvéolée 23 sont réalisées en un matériau différent de celui de la partie cylindrique 22 du canal d'accélération 24. La jonction entre l'extrémité aval des parois 223 de la chambre tampon alvéolée 23 et l'extrémité amont des parois 22 du canal annulaire 21 portant l'anode 25 est référencée 523. Le distributeur annulaire 27 peut être monté à l'avance sur la paroi de la chambre tampon 23. Le distributeur annulaire 27 est associé à des cols soniques 127 qui débouchent dans les différents alvéoles de la chambre tampon alvéolée 23. Comme on peut le voir sur la figure 12, l'injection peut avantageusement se faire en direction de l'amont, le distributeur annulaire 27 étant lui-même placé en aval de la chambre tampon 23. L'injection proprement dite en gaz ionisable s'effectue dans tous les cas à une certaine distance en amont de l'anode 25.
La chambre tampon 23 peut comprendre par exemple de trois à neuf alvéoles, des barreaux magnétiques 36 en nombre égal à celui des alvéoles étant disposés dans les passages 423. L'ensemble du circuit magnétique constitué par les pièces 36, 38, 35 ainsi que les bobines 32 et 33 peut être introduit par l'arrière de la chambre tampon 23.
La figure 14 montre un mode particulier de réalisation de l'invention applicable à un moteur à plasma dont le diamètre moyen du canal d'accélération 24 est important vis-à-vis de la largeur de ce canal. Dans ce cas, la pièce polaire centrale 38 peut être réalisée de façon tubulaire en ménageant un espace central libre dans lequel il est possible d'insérer la cathode creuse 40 qui est alors disposée selon l'axe du moteur. Afin d'éviter une surchauffe des bobines 32, 33 par la cathode 40, un écran superisolant 140, par exemple de forme conique s'ouvrant vers l'aval est disposé autour de la cathode 40 de manière à n'autoriser un rayonnement de la cathode 40 que vers l'espace. La cathode 40 est maintenue en position par rapport à la pièce polaire centrale tubulaire 38 par un support mécanique 240.
Sur les figures 12 et 14 on a représenté la bride d'interface 145 située au voisinage de la liaison entre les barreaux 36 et la virole externe 37a, et servant au montage sur un satellite. Dans tous les modes de réalisation décrits, le fait que le circuit magnétique ne se prolonge pas jusqu'au fond du moteur en amont de la chambre tampon 23 permet de réduire la masse et la longueur totale du moteur, sans pour autant gêner le fonctionnement de celui-ci.

Claims

RENENDICAΗONS 1. Moteur à plasma de longueur réduite à dérive fermée d'électrons, comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (24) délimité par des pièces (22) en matériau isolant et ouvert à son extrémité aval (225), au moins une cathode creuse (40) disposée à l'extérieur du canal annulaire principal (24) du côté de la partie aval de celui-ci, une anode annulaire (25) concentrique au canal annulaire principal (24) et disposée à distance de l'extrémité aval ouverte (225), des premiers et deuxièmes moyens (41,26) d'alimentation en gaz ionisable associés respectivement à la cathode creuse (40) et à l'anode annulaire (25), un circuit magnétique (31 à 33, 34 à 38) de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal (24), et une chambre tampon annulaire (23) qui présente dans le sens radial une dimension au moins égale à celle du canal annulaire principal (24) et s'étend en amont de celui-ci au-delà de la zone dans laquelle est placée l'anode annulaire (25), les deuxièmes moyens (26) d'alimentation en gaz ionisable débouchant dans la chambre tampon annulaire (23) en amont de l'anode (25) dans une zone distincte de la zone portant l'anode (25), c a r a c t é r i s é en ce que les moyens (31 à 33, 34 à 38) de création d'un champ magnétique dans le canal principal (24) sont adaptés pour produire dans ce canal principal (24) un champ magnétique essentiellement radial à l'extrémité aval (225) du canal (24) et dont l'induction est maximale à ce niveau, ce champ magnétique présentant une induction minimale dans la zone de transition située au voisinage de l'anode (25), la valeur absolue de l'induction de ce champ augmentant à nouveau en amont de l'anode (25), au niveau de la chambre tampon (23) pour réaliser un effet de miroir magnétique, les lignes de champ magnétique présentant entre l'anode (25) et l'extrémité aval (225) du canal (24) une concavité dirigée vers l'aval provoquant une focalisation des ions, avec une région de densité d'ionisation maximale située en aval de l'anode (25), et en ce que les moyens de création d'un champ magnétique comprennent 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), la culasse (36) étant constituée par des éléments radiaux situés au voisinage immédiat de l'anode (25) et traversant la chambre tampon annulaire (23) en ménageant entre eux des espaces de communication (13) entre la chambre tampon annulaire (23) et le canal principal (24).
2. Moteur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre tampon (23) présente dans le sens radial une dimension qui est comprise entre une fois et deux fois la dimension radiale du canal principal (24).
3. Moteur à plasma selon la revendication 1, caractérisé 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 voisinage 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) pour la création de l'effet miroir magnétique 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).
4. Moteur à plasma selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier, deuxième et troisième moyens (31,32,33) de création d'un champ magnétique sont constitués par des bobines d'induction.
5. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chambre tampon (23) comprend plusieurs alvéoles qui débouchent dans le canal d'accélération (24) au voisinage de l'anode (25), sont répartis autour de l'axe du moteur et sont délimités par des cloisons parallèles à l'axe du moteur qui définissent entre les alvéoles voisins des passages (423) pour des barreaux magnétiques cylindriques constituant la culasse (36) sans pénétrer dans la chambre tampon alvéolée (23).
6. Moteur à plasma selon la revendication 5, caractérisé en ce que la chambre tampon alvéolée (23) est monobloc.
7. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la culasse (36) comprend des éléments radiaux constitués par des barreaux magnétiques cylindriques traversant la chambre annulaire (23).
8 Moteur à plasma selon la revendication 7, caractérisé en ce que les barreaux magnétiques (36) sont constitués par des barreaux métalliques isolés électriquement par des gaines en deux parties (141, 142) solidaires respectivement des parois (22) du canal principal (24) et des parois (224) de la chambre tampon (23).
9. Moteur à plasma selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que les barreaux magnétiques (36) sont réunis à leur partie périphérique externe par une couronne magnétique (36A) continue servant de pièce structurale de fixation du moteur sur la structure d'un satellite.
10. Moteur à plasma selon la revendication 7, caractérisé en ce que les barreaux magnétiques (36) sont constitués par des barreaux métalliques isolés électriquement de la masse par des pièces en ferrite (37b, 38b) constituant respectivement ledit circuit magnétique périphérique (37) disposé axialement à l'extérieur du canal principal (24) et ladite âme centrale (38), les barreaux magnétiques (36) pouvant être polarisés au potentiel de l'anode (25).
11. Moteur à plasma selon la revendication 7, caractérisé en ce que les barreaux magnétiques (36) sont constitués d'un matériau ferrite isolant permettant une implantation directe dans la chambre tampon (23).
12. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le circuit magnétique périphérique (37) comprend un ensemble de barreaux de liaison entre la pièce polaire radiale externe (34) et la culasse (36).
13. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le circuit magnétique périphérique (37) est constitué par une virole.
14. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la culasse (36) comprend des barreaux orientés radialement dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de la chambre tampon (23) et du canal principal (24).
15. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la culasse (36) comprend des barreaux orientés radialement selon les génératrices d'un tronc de cône dont l'extrémité de plus petite section est reliée à l'âme centrale (38), l'extrémité de plus grande section est reliée au circuit magnétique périphérique (37) et l'axe correspond sensiblement à celui de la chambre tampon (23) et du canal principal (24).
16. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la culasse (36) comprend une pièce tronconique en ferrite dont l'extrémité de plus petite section est reliée à l'âme centrale (38) et l'extrémité de plus grande section est reliée à une virole (37a) constituant le circuit magnétique périphérique (37), des canaux (136) ménagés axialement dans ladite pièce tronconique constituant lesdits espaces de communication entre la chambre tampon annulaire (23) et le canal principal (24).
17. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens (26) d'alimentation en gaz ionisable débouchant dans la chambre tampon annulaire (23) en amont de l'anode (25) à travers un distributeur annulaire (27).
18. Moteur à plasma selon la revendication 5 et la revendication 17, caractérisé en ce que le distributeur annulaire (27) est associé à des cols soniques (127) débouchant dans les différents alvéoles de la chambre tampon alvéolée (23).
19. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens (26) d'alimentation en gaz ionisable débouchent dans la chambre tampon annulaire (23) en amont de l'anode (25) à travers un col sonique unique (227) monté tangentiellement selon le plus grand diamètre de la chambre tampon de manière à créer un écoulement vortex.
20. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que la cathode creuse (40) est placée dans l'axe du moteur à l'intérieur de l'âme centrale tubulaire (38) et isolée thermiquement de cette âme centrale (38) par un écran superisolant (140).
EP93913165A 1993-06-21 1993-06-21 Moteur a plasma de longueur reduite a derive fermee d'electrons Expired - Lifetime EP0662195B1 (fr)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/FR1993/000612 WO1995000758A1 (fr) 1993-06-21 1993-06-21 Moteur a plasma de longueur reduite a derive fermee d'electrons

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0662195A1 true EP0662195A1 (fr) 1995-07-12
EP0662195B1 EP0662195B1 (fr) 1996-08-28

Family

ID=9443268

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP93913165A Expired - Lifetime EP0662195B1 (fr) 1993-06-21 1993-06-21 Moteur a plasma de longueur reduite a derive fermee d'electrons

Country Status (8)

Country Link
US (1) US5475354A (fr)
EP (1) EP0662195B1 (fr)
JP (1) JP3609407B2 (fr)
DE (1) DE69304336T2 (fr)
ES (1) ES2092314T3 (fr)
RU (1) RU2107837C1 (fr)
UA (1) UA27921C2 (fr)
WO (1) WO1995000758A1 (fr)

Families Citing this family (54)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2693770B1 (fr) * 1992-07-15 1994-10-14 Europ Propulsion Moteur à plasma à dérive fermée d'électrons.
EP0784417B1 (fr) * 1994-08-25 1998-11-04 AEROSPATIALE Société Nationale Industrielle Accelerateur plasmatique a flux electronique ferme
US5646476A (en) * 1994-12-30 1997-07-08 Electric Propulsion Laboratory, Inc. Channel ion source
RU2084085C1 (ru) * 1995-07-14 1997-07-10 Центральный научно-исследовательский институт машиностроения Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов
RU2092983C1 (ru) * 1996-04-01 1997-10-10 Исследовательский центр им.М.В.Келдыша Плазменный ускоритель
ATE376122T1 (de) * 1995-12-09 2007-11-15 Matra Marconi Space France Steuerbarer hall-effekt-antrieb
FR2743191B1 (fr) * 1995-12-29 1998-03-27 Europ Propulsion Source d'ions a derive fermee d'electrons
JP4090503B2 (ja) * 1996-04-01 2008-05-28 ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション ホール効果プラズマ加速器
JP3975365B2 (ja) * 1996-04-01 2007-09-12 ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション ホール効果プラズマスラスター
JP2929275B2 (ja) * 1996-10-16 1999-08-03 株式会社アドテック 透磁コアを有する誘導結合型−平面状プラズマの発生装置
EP0914560B1 (fr) * 1997-05-23 2005-08-24 Société Nationale d'Etude et de Construction de Moteurs d' Aviation PROPULSEUR A PLASMA avec DISPOSITIF DE CONCENTRATION DE FAISCEAU D'IONS
US5973447A (en) * 1997-07-25 1999-10-26 Monsanto Company Gridless ion source for the vacuum processing of materials
WO1999028624A1 (fr) * 1997-12-04 1999-06-10 Primex Technologies, Inc. Appareil de partage du courant cathodique et son procede d'utilisation
US6215124B1 (en) 1998-06-05 2001-04-10 Primex Aerospace Company Multistage ion accelerators with closed electron drift
US6612105B1 (en) 1998-06-05 2003-09-02 Aerojet-General Corporation Uniform gas distribution in ion accelerators with closed electron drift
US6208080B1 (en) 1998-06-05 2001-03-27 Primex Aerospace Company Magnetic flux shaping in ion accelerators with closed electron drift
US6031334A (en) * 1998-06-17 2000-02-29 Primex Technologies, Inc. Method and apparatus for selectively distributing power in a thruster system
KR100611826B1 (ko) * 1998-06-29 2006-08-11 동경 엘렉트론 주식회사 플라즈마 펌핑 셀 및 이온 펌핑 방법
US6075321A (en) * 1998-06-30 2000-06-13 Busek, Co., Inc. Hall field plasma accelerator with an inner and outer anode
US6150764A (en) * 1998-12-17 2000-11-21 Busek Co., Inc. Tandem hall field plasma accelerator
US6777862B2 (en) * 2000-04-14 2004-08-17 General Plasma Technologies Llc Segmented electrode hall thruster with reduced plume
AU2002232395A1 (en) * 2000-11-03 2002-05-15 Tokyo Electron Limited Hall effect ion source at high current density
US6735935B2 (en) * 2000-12-14 2004-05-18 Busek Company Pulsed hall thruster system
AU2002257299A1 (en) * 2001-06-19 2003-01-02 Toky0 Electron Limited A closed-drift hall effect plasma vacuum pump for process reactors
DE10130464B4 (de) * 2001-06-23 2010-09-16 Thales Electron Devices Gmbh Plasmabeschleuniger-Anordnung
US6729850B2 (en) 2001-10-31 2004-05-04 Tokyo Electron Limited Applied plasma duct system
DE10153723A1 (de) * 2001-10-31 2003-05-15 Thales Electron Devices Gmbh Plasmabeschleuniger-Anordnung
US6696792B1 (en) 2002-08-08 2004-02-24 The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration Compact plasma accelerator
EP1480499A4 (fr) * 2002-09-13 2008-06-04 Pearl Kogyo Co Ltd Procede de traitement de surface au plasma et appareil correspondant
WO2005008066A1 (fr) * 2003-06-17 2005-01-27 Kaufman & Robinson, Inc. Source d'ions sans grille modulaire
JP2005166458A (ja) * 2003-12-03 2005-06-23 Fujisawa Pharmaceut Co Ltd プラズマ表面処理方法及びその装置
JP2006147449A (ja) * 2004-11-24 2006-06-08 Japan Aerospace Exploration Agency 高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器
KR100599094B1 (ko) * 2004-11-29 2006-07-12 삼성전자주식회사 코일의 권선수 조절에 의한 전자기 유도 가속장치
US7617092B2 (en) * 2004-12-01 2009-11-10 Microsoft Corporation Safe, secure resource editing for application localization
US7624566B1 (en) 2005-01-18 2009-12-01 The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator
US7500350B1 (en) 2005-01-28 2009-03-10 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Elimination of lifetime limiting mechanism of hall thrusters
JP4816179B2 (ja) * 2006-03-20 2011-11-16 三菱電機株式会社 ホールスラスタ
US7853364B2 (en) * 2006-11-30 2010-12-14 Veeco Instruments, Inc. Adaptive controller for ion source
JP2008223655A (ja) * 2007-03-14 2008-09-25 Japan Aerospace Exploration Agency ホール型電気推進機
FR2919755B1 (fr) * 2007-08-02 2017-05-05 Centre Nat De La Rech Scient (C N R S ) Dispositif d'ejection d'electrons a effet hall
US8407979B1 (en) 2007-10-29 2013-04-02 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Magnetically-conformed, variable area discharge chamber for hall thruster, and method
US20100146931A1 (en) * 2008-11-26 2010-06-17 Lyon Bradley King Method and apparatus for improving efficiency of a hall effect thruster
FR2950115B1 (fr) * 2009-09-17 2012-11-16 Snecma Propulseur plasmique a effet hall
EP2543881B1 (fr) * 2010-03-01 2019-09-18 Mitsubishi Electric Corporation Système comprenant un propulseur à effet hall, véhicule cosmonautique et procédé de propulsion
US8723422B2 (en) * 2011-02-25 2014-05-13 The Aerospace Corporation Systems and methods for cylindrical hall thrusters with independently controllable ionization and acceleration stages
RU2456473C1 (ru) * 2011-05-18 2012-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" Ускоритель плазмы
RU2543103C2 (ru) * 2013-06-24 2015-02-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Ионный двигатель
US9706633B2 (en) * 2013-07-02 2017-07-11 Nihon University Magnetized coaxial plasma generation device
US8994258B1 (en) * 2013-09-25 2015-03-31 Kaufman & Robinson, Inc. End-hall ion source with enhanced radiation cooling
US10273944B1 (en) * 2013-11-08 2019-04-30 The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration Propellant distributor for a thruster
RU2565646C1 (ru) * 2014-03-18 2015-10-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Ионный двигатель
KR20190002618A (ko) * 2016-04-29 2019-01-08 레트로-세미 테크놀로지스, 엘엘씨 Ｖｈｆ ｚ－코일 플라즈마 소스
RU2682962C1 (ru) * 2018-06-14 2019-03-25 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Ионный ракетный двигатель космического аппарата
CN111120112B (zh) * 2019-12-04 2022-06-14 中国人民解放军空军工程大学 基于燃烧室二次流的多阳极滑动弧等离子体点火器及点火方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0463408A3 (en) * 1990-06-22 1992-07-08 Hauzer Techno Coating Europe Bv Plasma accelerator with closed electron drift
US5359258A (en) * 1991-11-04 1994-10-25 Fakel Enterprise Plasma accelerator with closed electron drift
EP0541309B1 (fr) * 1991-11-04 1996-01-17 Fakel Enterprise Accélérateur de plasma avec parcours fermé d'électrons

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO9500758A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO1995000758A1 (fr) 1995-01-05
JPH08500699A (ja) 1996-01-23
DE69304336T2 (de) 1997-01-23
EP0662195B1 (fr) 1996-08-28
RU2107837C1 (ru) 1998-03-27
UA27921C2 (uk) 2000-10-16
DE69304336D1 (de) 1996-10-02
JP3609407B2 (ja) 2005-01-12
ES2092314T3 (es) 1996-11-16
US5475354A (en) 1995-12-12
RU95107039A (ru) 1996-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0662195B1 (fr) Moteur a plasma de longueur reduite a derive fermee d'electrons
EP0650557B1 (fr) Moteur a plasma a derive fermee d'electrons
EP0781921B1 (fr) Source d'ions à dérive fermée d'électrons
EP1496727B1 (fr) Accélérateur à plasma à dérive fermée d'électrons
EP2798209B1 (fr) Propulseur plasmique et procede de generation d'une poussee propulsive plasmique
EP0982976B1 (fr) Propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons adapté à de fortes charges thermiques
EP2433002B1 (fr) Propulseur a plasma a effet hall
FR2799576A1 (fr) Source d'ions a haute frequence notamment moteur pour engin spatial
EP2179435B1 (fr) Dispositif d'ejection d'ions a effet hall
WO1998053201A1 (fr) Dispositif de concentration de faisceau d'ions pour propulseur a plasma et propulseur a plasma equipe d'un tel dispositif
EP1130949B1 (fr) Dispositif électromagnetique pour la production d'atomes froids
EP3526472B1 (fr) Propulseur ionique à décharge plasma externe
FR2842261A1 (fr) Propulseur plasmique a effet hall
EP2652766B1 (fr) Dispositif generateur d'ions a resonance cyclotronique electronique
FR3094557A1 (fr) Dispositif d’éjection d’ions à effet Hall
EP4153862A1 (fr) Circuit magnetique de creation d'un champ magnetique dans un canal annulaire principal d'ionisation et d'acceleration de propulseur plasmique a effet hall
EP3250822A1 (fr) Propulseur à effet hall et engin spatial comprenant un tel propulseur
CA2139581A1 (fr) Moteur a plasma a derive fermee d'electrons
EP0813223B1 (fr) Dispositif pour engendrer un champ magnétique et source ecr comportant ce dispositif
FR2820880A1 (fr) Source d'ions multicharges

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 19950214

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CH DE ES FR GB IT LI NL SE

GRAG Despatch of communication of intention to grant

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA

17Q First examination report despatched

Effective date: 19951207

GRAH Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: SOCIETE EUROPEENNE DE PROPULSION

GRAH Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): CH DE ES FR GB IT LI NL SE

REF Corresponds to:

Ref document number: 69304336

Country of ref document: DE

Date of ref document: 19961002

ITF It: translation for a ep patent filed

Owner name: JACOBACCI & PERANI S.P.A.

GBT Gb: translation of ep patent filed (gb section 77(6)(a)/1977)

Effective date: 19961003

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: NV

Representative=s name: BOVARD AG PATENTANWAELTE

REG Reference to a national code

Ref country code: ES

Ref legal event code: FG2A

Ref document number: 2092314

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: T3

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: ES

Payment date: 19970612

Year of fee payment: 5

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SE

Payment date: 19970619

Year of fee payment: 5

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: CH

Payment date: 19970624

Year of fee payment: 5

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

26N No opposition filed
PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: NL

Payment date: 19980518

Year of fee payment: 6

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 19980622

Ref country code: ES

Free format text: LAPSE BECAUSE OF EXPIRATION OF PROTECTION

Effective date: 19980622

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: LI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 19980630

Ref country code: CH

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 19980630

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: PL

EUG Se: european patent has lapsed

Ref document number: 93913165.2

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: NL

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20000101

NLV4 Nl: lapsed or anulled due to non-payment of the annual fee

Effective date: 20000101

REG Reference to a national code

Ref country code: ES

Ref legal event code: FD2A

Effective date: 20000201

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: 732E

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: IF02

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: TP

Ref country code: FR

Ref legal event code: CD

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: 732E

Free format text: REGISTERED BETWEEN 20120517 AND 20120523

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Payment date: 20120524

Year of fee payment: 20

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Payment date: 20120525

Year of fee payment: 20

Ref country code: FR

Payment date: 20120621

Year of fee payment: 20

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Payment date: 20120526

Year of fee payment: 20

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R082

Ref document number: 69304336

Country of ref document: DE

Representative=s name: BEETZ & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R082

Ref document number: 69304336

Country of ref document: DE

Representative=s name: BEETZ & PARTNER MBB PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE

Effective date: 20130320

Ref country code: DE

Ref legal event code: R082

Ref document number: 69304336

Country of ref document: DE

Representative=s name: BEETZ & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE

Effective date: 20130320

Ref country code: DE

Ref legal event code: R081

Ref document number: 69304336

Country of ref document: DE

Owner name: SNECMA, FR

Free format text: FORMER OWNER: SOCIETE NATIONALE D'ETUDE ET DE CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION, PARIS, FR

Effective date: 20130320

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R071

Ref document number: 69304336

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R071

Ref document number: 69304336

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: PE20

Expiry date: 20130620

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF EXPIRATION OF PROTECTION

Effective date: 20130622

Ref country code: GB

Free format text: LAPSE BECAUSE OF EXPIRATION OF PROTECTION

Effective date: 20130620