EP2211056B1 - Propulseur à dérive fermée d'électrons - Google Patents

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EP2211056B1
EP2211056B1 EP10151687.0A EP10151687A EP2211056B1 EP 2211056 B1 EP2211056 B1 EP 2211056B1 EP 10151687 A EP10151687 A EP 10151687A EP 2211056 B1 EP2211056 B1 EP 2211056B1
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EP
European Patent Office
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pole piece
magnetic
thruster
coils
magnetic field
Prior art date
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Active
Application number
EP10151687.0A
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German (de)
English (en)
Other versions
EP2211056A1 (fr
Inventor
Olivier Duchemin
Dominique Valentian
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.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by SNECMA SAS filed Critical SNECMA SAS
Publication of EP2211056A1 publication Critical patent/EP2211056A1/fr
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Publication of EP2211056B1 publication Critical patent/EP2211056B1/fr
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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 a closed electron drift propellant comprising a main annular channel of ionization and acceleration around the axis of the propellant, at least one hollow cathode, an annular anode concentric to the main annular channel, a channel and a distributor for supplying ionizable gas to the anode and a magnetic circuit for creating a magnetic field in said main annular channel, said magnetic circuit comprising at least one axial magnetic core surrounded by a first coil and a pole piece of internal upstream revolution and a plurality of external magnetic cores surrounded by external coils.
  • a first type of closed electron drift propellant comprises an outer pole piece magnetized by an annular coil.
  • the patent document FR 2 693 770 A1 also discloses a three-coil closed electron drift thruster including an annular outer coil.
  • the figure 8 is an axial half-sectional elevational view of an example of an external annular coil electron drift propeller 31 described in the document FR 2 693 770 A1 .
  • This known thruster 20 comprises a main annular channel of ionization and acceleration 24 delimited by pieces 22 of insulating material and open at its downstream end 225, at least one hollow cathode 40 associated with means 41 for supplying ionizable gas and an annular anode 25 concentric with the main annular channel 24 and disposed at a distance from the open downstream end 225.
  • the anode 25 is disposed on the insulating parts 22 and connected by a power line 43 to the positive pole of a voltage source continuous 44, which may be for example 200 to 300 V and whose negative pole is connected by a line 42 to the hollow cathode 40 which is associated with a circuit 41 for supplying ionizable gas such as xenon.
  • the hollow cathode 40 supplies a plasma 29 substantially at the reference potential from which the electrons traveling towards the anode 25 are extracted under the effect of the electrostatic field E due to the potential difference between the anode 25 and the cathode 40
  • a circuit 26 for supplying ionizable gas opens upstream of the anode 25 through an annular distributor 27.
  • the control of the radial magnetic field gradient in the main annular channel 24 is obtained thanks to the arrangement of internal annular coils 32, 33 and outer 31 and internal 35 and outer pole pieces 34, the inner pole piece 35 being connected by a core central 38 and the outer pole piece being connected by connecting bars 37 to a yoke 36 which can be protected by one or more layers 30 of super thermally insulating material.
  • Thrusters with closed electron drift with an outer annular coil such as the known propellant illustrated in FIG. figure 8 , guarantee a constant radial magnetic field in the gap defined between the outer pole pieces 34 and inner 35.
  • closed electron drift plasma thrusters have thermal drawbacks because an outer annular coil involves a large length of wire which results in dissipation. high thermal efficiency and also a high winding mass.
  • the outer annular coil 31 opposes the cooling of the ceramic channel 24, in particular the downstream part with the highest thermal load.
  • a second type of closed-electron drift propellant is still known in which no large external annular coil centered on the axis of the thruster is used, but several small coils distributed around the periphery of the thruster used to magnetize the outer pole piece.
  • Patent documents US 6,208,080 B1 and US 5,359,258 also describe a thruster with four external coils.
  • ALT D55 uses three external coils.
  • Such an ALT D 55 closed electron drift propellant is described in AIAA-94-3011 - AIAA 30th Propulsion Conference " Operating Characteristics of the Russian D-55 Thruster with Anode Layer ", by John M Sankovic and Thomas X. Haag, NASA Lewis Research Center, Cleveland, Ohio and H. Manzella Davis, Nyma, Inc. Brook Park, Ohio - and also in the article AIAA-94-3010 - same conference " Experimental Evaluation of Russian Anode Layer Thrusters ", by C. Garner, JR Bropy, JE Polk, S. Semenkin, V. Garkusha, S. Tverdokhelbov, C. Marrese -.
  • the present invention aims to overcome the aforementioned drawbacks and to make it possible to produce a closed-beam thruster of high power electrons which at the same time benefits from good cooling of the main annular channel, makes it possible to obtain a radial magnetic field. uniformly within this channel and minimizes the length of wire needed for the windings and therefore minimizes the mass of these windings.
  • a closed electron drift propellant comprising a main annular channel of ionization and acceleration around the axis of the propellant, at least one hollow cathode, an annular anode concentric with main annular channel, a pipe and a distributor for supplying ionizable gas to the anode and a magnetic circuit for creating a magnetic field in said main annular channel, said magnetic circuit comprising at least one axial magnetic core surrounded by a first coil and an internal upstream revolution pole piece and a plurality of external magnetic cores surrounded by outer coils, further comprises a first substantially radial outer pole piece defining a concave inner circumferential surface and a second substantially radial inner pole piece defining a peripheral surface.
  • said surfac concave inner peripheral and said convex outer peripheral surface each have an adjusted profile distinct from a circular cylindrical surface so as to form therebetween a gap of variable width having zones of maximum value to the right of the outer coils and zones of minimum value between said outer coils so as to create a uniform radial magnetic field.
  • said inner upstream revolution pole piece is substantially conical and defines a contoured peripheral edge at its free end closest to said cathode.
  • said magnetic circuit further comprises an essentially conical outermost pole piece which defines a profiled peripheral edge at its free end closest to said cathode and said profiled peripheral edge of said pole piece of upstream revolution.
  • internal substantially conical and said profiled peripheral edge of said substantially conical outermost pole piece each have an adjusted profile with recessed portions along the axis of the thruster to the right of the outer coils so as to maintain the constant azimuth magnetic field profile.
  • said internal upstream revolution pole piece comprises an internal magnetic screen substantially cylindrical which defines a contoured peripheral edge at its free end closest to said cathode.
  • said magnetic circuit further comprises a substantially cylindrical external magnetic screen which defines a contoured peripheral edge at its free end closest to said cathode and said contoured peripheral edge of said internal magnetic screen and said peripheral edge profilée said external magnetic screen each have an adjusted profile with recessed portions along the axis of the thruster to the right of the outer coils so as to maintain the constant azimuth magnetic field profile.
  • the thruster according to the present invention preferably comprises four outer coils surrounding four outer magnetic cores.
  • the Figures 1 to 4 show a first example of closed electron drift propellant to which the present invention is applied.
  • Such a type of thruster comprises a basic structure which corresponds largely to the description given in the patent document. EP 0 982 976 .
  • the plasma thruster thus essentially comprises a main annular channel of ionization and acceleration 124 delimited by insulating walls 122.
  • the channel 124 is open at its downstream end 125a and has in axial plane a frustoconical section at its end. upstream and cylindrical at its downstream part.
  • a hollow cathode 140 is disposed outside the main channel 124 and an annular anode 125 is disposed in the main channel 124.
  • a distributor 127 of ionizable gas supplied by a pipe 126 allows the injection of ionizable gas through holes 120 formed in the wall of the anode 125. Also seen on the figure 1 a wire 145 of polarization of the anode 125.
  • the discharge between the anode 125 and the cathode 140 is controlled by a magnetic field distribution determined by a magnetic circuit which comprises an essentially radial outer pole piece 134 defining a concave inner peripheral surface 134a.
  • the outer pole piece 134 is connected by a plurality of magnetic cores 137 surrounded by outer coils 131 to another substantially cone-shaped outer pole piece 311 which defines a contoured peripheral rim 311a at its free end closest to the cathode 140.
  • the magnetic circuit also includes an essentially radial inner pole piece 135 which defines a convex outer peripheral surface 135a.
  • the inner pole piece 135 is extended by a central axial magnetic core 138 surrounded by an inner coil 133.
  • the axial magnetic core 138 is itself extended to the upstream portion of the thruster by a connecting portion to another upstream inner pole piece cone 351, whose tip of the cone is preferably directed upstream ( Figures 1 and 2 ).
  • the term downstream signifies a zone adjacent to the exit plane S and the open end 125a of the channel 124 while the term upstream denotes a zone remote from the exit plane S by going in the direction of the closed portion of the annular channel 124 equipped with the anode 125.
  • An additional internal magnetic coil 132 may be placed in the upstream portion of the inner pole piece 351 outside thereof.
  • the magnetic field of the coil 132 is channeled by the outer and outer pole pieces 311 and 351 as well as radial arms 136 connecting the axial magnetic core 138 to the external magnetic cores 137.
  • the coils 133, 131, 132 can be directly conductive cooled on a structural base 175 of heat conducting material which also serves as a mechanical support for the propellant.
  • external coils 131 the number of which can be between 2 and 8 and preferably equal to three or four, which are provided with magnetic cores 137 arranged between the outer pole pieces 134, 311 makes it possible to let a large part of the radiation from the outer wall of the annular channel 124.
  • the conical shape of the outer pole piece 311 makes it possible to increase the available volume for the outer coils 131 and to increase the solid angle of radiation.
  • the tapered outer pole piece 311 is advantageously perforated to increase the view factor of the ceramic pieces 122, so that a very compact and very ventilated magnetic circuit is obtained which allows the radiation of the entire face. side of channel 124.
  • the closed-electron drift plasma propellant according to the present invention is suitable for high power, since it allows a good cooling of the main annular channel, that it minimizes the length of wire required for the windings because of the implementing a plurality of external coils 131 instead of a single coil annular large diameter and that measures are taken to ensure a uniform radial magnetic field within the channel 124.
  • a uniform radial magnetic field is obtained in the channel 124, since the concave inner peripheral surface 134a of the outer pole piece 134 and the convex outer peripheral surface 135a of the inner pole piece 135 each have a profile. adjusted distinct from a circular cylindrical surface so as to form between them a gap of variable width having zones 232 of maximum value to the right of the outer coils 131 and zones 231 of minimum value between the outer coils 131 (see figures 2 and 3 ).
  • the profiled peripheral edge 351a of the substantially cone-shaped inner upstream revolution piece 351 and the profiled peripheral edge 311a of the substantially conical outer upstream pole piece 311 also each have an adjusted profile with recessed portions along the axis of the thruster to the right of the external coils 131 so as to maintain constant the azimuth magnetic field profile in the channel 124 (see figures 1 and 4 ).
  • the dotted line 411a of the contoured peripheral edge 311a is shown in dotted lines in the absence of correction, that is to say in a manner analogous to the prior art where this border did not include any recessed part.
  • the correction leading to the corrected profiles 135a, 134a of the inner and outer pole pieces 135 and 134 can be calculated using a 3D magnetic field calculation software that first makes it possible to calculate the magnetic field increase to the right of the external coils 131, then to determine the increase in air gap necessary to standardize the field.
  • FIG 3 which relates to an embodiment with four external coils 131 mounted on cores 137 arranged substantially at the vertices of a square, it is seen that the gap width is greater in the zone 232 to the right of the coils 131 than in the zones 231 located at 45 ° of the cores 137 where the gap width is minimal.
  • the correction can be determined experimentally by an iterative method: after a first 3D measurement of the magnetic field on a revolution configuration, a first digital correction machining is performed and the field distribution is measured. 3D magnetic. A second machining is performed if the first correction is not satisfactory and so on.
  • the present invention is also applicable to magnetic drift plasma drift plasma thrusters, such as those described in the patent document. US 5,359,258 .
  • FIGS 5 to 7 illustrate such a type of plasma thruster with an annular anode gas distributor 1, a cathode 2, an annular discharge chamber 3, an external magnetic shield surrounding the discharge chamber 3 and terminating in a terminal free surface 5a, a external pole piece 6 ending in a concave peripheral surface 6a, an inner pole piece 7 terminating in a convex peripheral surface 7a, a magnetic circuit 8, a central coil 9 creating an internal magnetic field, a plurality of external coils 10 for creating an external magnetic field, a central core 12, heat shields 13, and a support 17.
  • outer coils 10 I , 10 II , 10 III , IV and an outer pole piece 6 are shown.
  • the concave internal peripheral surface 6a of the pole piece 6 and the convex outer peripheral surface 7a of the pole piece 7 each have an adjusted profile distinct from a circular cylindrical surface so as to form between them a gap of variable width presenting zones. of maximum value to the right of the external coils 10 and valuable areas between the outer coils 10 (coils 10 I , 10 II , 10 III , 10 IV on the figure 5 ).
  • the profiles of uncorrected surfaces 6a, 7a (that is to say, strictly circular surfaces as they appear before correction) have been shown in dashed lines on the figure 5 .
  • the thruster of Figures 5 to 7 comprises an essentially cylindrical internal magnetic screen 4 which defines a contoured peripheral edge 4a at its free end closest to the cathode 2.
  • the profiled peripheral edge 4a of the internal magnetic screen 4 and the profiled peripheral edge 5a of the magnetic screen external 5 each have an adjusted profile with recessed portions along the axis of the thruster to the right of the outer coils 10 so as to maintain the constant azimuth magnetic field profile.
  • the figure 7 shows in solid lines the adjusted profile of the contoured peripheral edge 5a and dashed the initial profile 405a of the contoured peripheral edge 5a before its adjustment.

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Description

    Domaine de l'invention
  • La présente invention concerne un propulseur à dérive fermée d'électrons comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération autour de l'axe du propulseur, au moins une cathode creuse, une anode annulaire concentrique au canal annulaire principal, une canalisation et un distributeur pour alimenter en gaz ionisable l'anode et un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal, ledit circuit magnétique comprenant au moins un noyau magnétique axial entouré d'une première bobine et d'une pièce polaire de révolution amont interne et une pluralité de noyaux magnétiques externes entourés de bobines externes.
    • Art antérieur
  • On connaît déjà divers types de propulseurs à dérive fermée d'électrons.
  • Un premier type de propulseur à dérive fermée d'électrons comprend une pièce polaire externe magnétisée par une bobine annulaire.
  • Un tel type de propulseur avec une bobine externe blindée est décrit par exemple dans le document de brevet EP 0 900 196 A1 .
  • Le document de brevet FR 2 693 770 A1 décrit également un propulseur à dérive fermée d'électrons à trois bobines dont une bobine externe annulaire.
  • La figure 8 est une vue en élévation et en demi-coupe axiale d'un exemple de propulseur à dérive fermée d'électrons à bobine annulaire externe 31 décrit dans le document FR 2 693 770 A1 .
  • Ce propulseur connu 20 comprend 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 associée à des moyens 41 d'alimentation en gaz ionisable et une anode annulaire 25 concentrique au canal annulaire principal 24 et disposée à distance de l'extrémité aval ouverte 225. L'anode 25 est disposée sur les pièces isolantes 22 et reliée par une ligne électrique 43 au pôle positif d'une source de tension continue 44, qui peut être par exemple de 200 à 300 V et dont le pôle négatif est relié par une ligne 42 à la cathode creuse 40 qui est associée à un circuit 41 d'alimentation en gaz ionisable tel que du xénon. 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 de potentiel entre l'anode 25 et la cathode 40. Un circuit 26 d'alimentation en gaz ionisable débouche en amont de l'anode 25 à travers un distributeur annulaire 27.
  • La maîtrise du gradient de champ magnétique radial dans le canal annulaire principal 24 est obtenue grâce à la disposition de bobines annulaires internes 32, 33 et externe 31 et de pièces polaires interne 35 et externe 34, la pièce polaire interne 35 étant reliée par une âme centrale 38 et la pièce polaire externe étant reliée par des barres de liaison 37 à une culasse 36 qui peut être protégée par une ou plusieurs couches 30 de matériau super isolant thermiquement.
  • Les propulseurs à dérive fermée d'électrons à bobine externe annulaire, tels que le propulseur connu illustré sur la figure 8, garantissent un champ magnétique radial constant dans l'entrefer défini entre les pièces polaires externe 34 et interne 35.
  • Toutefois, pour des missions spatiales nécessitant de fortes puissances et une impulsion spécifique élevée, les propulseurs à plasma à dérive fermée d'électrons présentent des inconvénients sur le plan thermique car une bobine annulaire externe implique une longueur de fil importante qui se traduit par une dissipation thermique élevée et par une masse de bobinage également élevée. De plus, la bobine annulaire externe 31 s'oppose au refroidissement du canal 24 en céramique, en particulier de la partie aval la plus chargée thermiquement.
  • On connaît encore un second type de propulseur à dérive fermée d'électrons dans lequel il n'est pas mis en oeuvre de grosse bobine annulaire externe centrée sur l'axe du propulseur, mais plusieurs petites bobines réparties à la périphérie du propulseur servant à magnétiser la pièce polaire externe.
  • Le document de brevet EP 0 982 976 B1 décrit ainsi un propulseur à plusieurs bobines externes qui est adapté à de fortes charges thermiques.
  • Les documents de brevet US 6 208 080 B1 et US 5 359 258 décrivent également un propulseur à quatre bobines externes.
  • Un autre propulseur à dérive fermée d'électrons connu sous la dénomination ALT D55 met en oeuvre trois bobines externes. Un tel propulseur à dérive fermée d'électrons ALT D 55 est décrit dans l'article AIAA-94-3011 - 30ème conférence de l'AIAA sur la Propulsion "Operating Characteristics of the Russian D-55 Thruster with Anode Layer", de John M Sankovic et Thomas X. Haag, NASA Lewis Research Center, Cleveland, Ohio et Davis H. Manzella, Nyma, Inc. Brook Park, Ohio - et également dans l'article AIAA-94-3010 - même conférence "Experimental evaluation of Russian Anode Layer Thrusters", de C. Garner, J.R. Bropy, J.E. Polk, S. Semenkin, V. Garkusha, S. Tverdokhelbov, C. Marrese -.
  • Il a toutefois été constaté que le champ magnétique radial fourni par les propulseurs à bobines externes multiples n'est pas rigoureusement uniforme, les variations pouvant atteindre plusieurs pour cents.
  • Or cette non-uniformité du champ magnétique radial pose de sérieux problèmes lorsque les propulseurs présentent une forte puissance ou fonctionnent à une haute tension. Il a ainsi été constaté que du fait que le confinement du plasma est directement lié à l'intensité du champ magnétique, de petites variations du champ magnétique résultent en une interaction plasma-paroi qui est variable en azimut et nuit au rendement et au potentiel de durée de vie du moteur. Par ailleurs, pour être sûr d'atteindre le champ magnétique souhaité en tous points du canal annulaire, il est nécessaire d'augmenter le potentiel magnétique, c'est-à-dire le nombre d'ampères tours des bobines en se basant sur les zones où le champ magnétique présente la valeur la plus faible, ce qui augmente la masse du bobinage.
    • Définition et objet de l'invention
  • La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre de réaliser un propulseur à dérive fermée d'électrons de forte puissance qui à la fois bénéficie d'un bon refroidissement du canal annulaire principal, permette l'obtention d'un champ magnétique radial uniforme au sein de ce canal et minimise la longueur de fil nécessaire pour les bobinages et en conséquence minimise la masse de ces bobinages.
  • Ces buts sont atteints conformément à l'invention grâce à un propulseur à dérive fermée d'électrons comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération autour de l'axe du propulseur, au moins une cathode creuse, une anode annulaire concentrique au canal annulaire principal, une canalisation et un distributeur pour alimenter en gaz ionisable l'anode et un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal, ledit circuit magnétique comprenant au moins un noyau magnétique axial entouré d'une première bobine et d'une pièce polaire de révolution amont interne et une pluralité de noyaux magnétiques externes entourés de bobines externes, comprend en outre une première pièce polaire externe essentiellement radiale définissant une surface périphérique interne concave et une deuxième pièce polaire interne essentiellement radiale définissant une surface périphérique externe convexe et en ce que ladite surface périphérique interne concave et ladite surface périphérique externe convexe présentent chacune un profil ajusté distinct d'une surface cylindrique circulaire de manière à former entre elles un entrefer de largeur variable présentant des zones de valeur maximale au droit des bobines externes et des zones de valeur minimale entre lesdites bobines externes de manière à créer un champ magnétique radial uniforme.
  • Selon un premier mode de réalisation possible, ladite pièce polaire de révolution amont interne est essentiellement conique et définit une bordure périphérique profilée à son extrémité libre la plus proche de ladite cathode.
  • Dans ce cas, selon l'invention, ledit circuit magnétique comprend en outre une pièce polaire amont externe essentiellement conique qui définit une bordure périphérique profilée à son extrémité libre la plus proche de ladite cathode et ladite bordure périphérique profilée de ladite pièce polaire de révolution amont interne essentiellement conique et ladite bordure périphérique profilée de ladite pièce polaire amont externe essentiellement conique présentent chacune un profil ajusté avec des portions en retrait selon l'axe du propulseur au droit des bobines externes de manière à maintenir constant le profil de champ magnétique en azimut.
  • Selon un autre mode de réalisation possible, ladite pièce polaire de révolution amont interne comprend un écran magnétique interne essentiellement cylindrique qui définit une bordure périphérique profilée à son extrémité libre la plus proche de ladite cathode.
  • Dans ce cas, selon l'invention, ledit circuit magnétique comprend en outre un écran magnétique externe essentiellement cylindrique qui définit une bordure périphérique profilée à son extrémité libre la plus proche de ladite cathode et ladite bordure périphérique profilée dudit écran magnétique interne et ladite bordure périphérique profilée dudit écran magnétique externe présentent chacune un profil ajusté avec des portions en retrait selon l'axe du propulseur au droit des bobines externes de manière à maintenir constant le profil de champ magnétique en azimut.
  • Le propulseur selon la présente invention comprend de préférence quatre bobines externes entourant quatre noyaux magnétiques externes.
  • Toutefois, compte tenu des mesures préconisées selon l'invention, il est aussi possible d'obtenir d'excellents résultats avec trois bobines externes entourant trois noyaux magnétiques externes ou même avec deux bobines externes entourant deux noyaux magnétiques externes.
    • 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'exemple, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue en demi-coupe axiale d'un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons selon un premier mode de réalisation de l'invention,
    • la figure 2 est une vue partielle schématique en perspective de certains éléments du propulseur de la figure 1,
    • la figure 3 est une vue de face de pièces polaires ajustées du propulseur de la figure 1,
    • la figure 4 est une vue de côté des pièces polaires amont ajustées du propulseur de la figure 1,
    • la figure 5 est une vue de face d'un propulseur à dérive fermée d'électrons selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
    • la figure 6 est une vue de côté d'un écran magnétique ajusté du propulseur de la figure 5,
    • la figure 7 est une vue en demi-coupe axiale du propulseur des figures 5 et 6, et
    • la figure 8 est une vue en élévation et en demi-coupe axiale d'un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons avec une bobine externe annulaire selon l'art antérieur.
    Description détaillée de modes de réalisation préférentiels
  • Les figures 1 à 4 montrent un premier exemple de propulseur à dérive fermée d'électrons auquel est appliquée la présente invention.
  • Un tel type de propulseur comprend une structure de base qui correspond en grande partie à la description qui est donnée dans le document de brevet EP 0 982 976 .
  • Le propulseur à plasma comprend ainsi essentiellement un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération 124 délimité par des parois isolantes 122. Le canal 124 est ouvert à son extrémité aval 125a et présente dans un plan axial une section de forme tronconique à sa partie amont et cylindrique à sa partie aval. Une cathode creuse 140 est disposée à l'extérieur du canal principal 124 et une anode annulaire 125 est disposée dans le canal principal 124. Un distributeur 127 de gaz ionisable alimenté par une canalisation 126 permet l'injection de gaz ionisable à travers des trous 120 formés dans la paroi de l'anode 125. On voit aussi sur la figure 1 un fil 145 de polarisation de l'anode 125.
  • La décharge entre l'anode 125 et la cathode 140 est contrôlée par une distribution de champ magnétique déterminée par un circuit magnétique qui comprend une pièce polaire externe 134 essentiellement radiale définissant une surface périphérique interne concave 134a.
  • La pièce polaire externe 134 est reliée par une pluralité de noyaux magnétiques 137 entourés de bobines externes 131 à une autre pièce polaire externe 311 de forme essentiellement conique qui définit une bordure périphérique profilée 311a à son extrémité libre la plus proche de la cathode 140.
  • Le circuit magnétique comprend également une pièce polaire interne 135 essentiellement radiale qui définit une surface périphérique externe convexe 135a.
  • La pièce polaire interne 135 est prolongée par un noyau magnétique axial central 138 entouré d'une bobine interne 133. Le noyau magnétique axial 138 est lui-même prolongé à la partie amont du propulseur par une partie de liaison à une autre pièce polaire interne amont conique 351, dont la pointe du cône est de préférence dirigée vers l'amont (figures 1 et 2). On notera que dans l'ensemble de la présente description, le terme aval signifie une zone voisine du plan de sortie S et de l'extrémité ouverte 125a du canal 124 tandis que le terme amont désigne une zone éloignée du plan de sortie S en allant dans la direction de la partie fermée du canal annulaire 124 équipée de l'anode 125.
  • Une bobine magnétique interne additionnelle 132 peut être placée dans la partie amont de la pièce polaire interne 351 à l'extérieur de celle-ci. Le champ magnétique de la bobine 132 est canalisé par les pièces polaires externe 311 et interne 351 ainsi que par des bras radiaux 136 reliant le noyau magnétique axial 138 aux noyaux magnétiques externes 137.
  • Les bobines 133, 131, 132 peuvent être directement refroidies par conduction sur une embase structurale 175 en matériau conducteur de la chaleur qui sert aussi de support mécanique pour le propulseur.
  • La mise en oeuvre de bobines externes 131, dont le nombre peut être compris entre 2 et 8 et de préférence égal à trois ou quatre, qui sont munies de noyaux magnétiques 137 disposés entre les pièces polaires externes 134, 311 permet de laisser passer une grande partie du rayonnement issu de la paroi externe du canal annulaire 124. La forme conique de la pièce polaire externe 311 permet d'augmenter le volume disponible pour les bobines externes 131 et d'augmenter l'angle solide de rayonnement. Par ailleurs, la pièce polaire externe conique 311 est avantageusement ajourée pour augmenter le facteur de vue des pièces en céramique 122, de sorte que l'on obtient un circuit magnétique très compact et très aéré qui permet le rayonnement de l'ensemble de la face latérale du canal 124.
  • Le propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons selon la présente invention est adapté aux fortes puissances, dès lors qu'il permet un bon refroidissement du canal annulaire principal, qu'il minimise la longueur de fil nécessaire pour les bobinages du fait de la mise en oeuvre d'une pluralité de bobines externes 131 au lieu d'une seule bobine annulaire de grand diamètre et que par ailleurs des mesures sont prises pour garantir l'obtention d'un champ magnétique radial uniforme au sein du canal 124.
  • On entend ici par profil de champ magnétique uniforme dans le canal d'accélération 124 le fait que le champ magnétique est identique dans le canal 124 dans tout plan passant par l'axe du propulseur.
  • Conformément à l'invention, un champ magnétique radial uniforme est obtenu dans le canal 124, du fait que la surface périphérique interne concave 134a de la pièce polaire externe 134 et la surface périphérique externe convexe 135a de la pièce polaire interne 135 présentent chacune un profil ajusté distinct d'une surface cylindrique circulaire de manière à former entre elles un entrefer de largeur variable présentant des zones 232 de valeur maximale au droit des bobines externes 131 et des zones 231 de valeur minimale entre les bobines externes 131 (voir les figures 2 et 3).
  • Sur la figure 3, on a représenté en pointillés les traces 434a, 435a des surfaces périphériques 134a et 135a si celles-ci étaient rigoureusement cylindriques circulaires sans aucune correction.
  • Par ailleurs, la bordure périphérique profilée 351a de la pièce polaire de révolution amont interne 351 essentiellement conique et la bordure périphérique profilée 311a de la pièce polaire amont externe 311 essentiellement conique présentent également chacune un profil ajusté avec des portions en retrait selon l'axe du propulseur au droit des bobines externes 131 de manière à maintenir constant le profil de champ magnétique en azimut dans le canal 124 (voir figures 1 et 4). Sur la figure 4, on a représenté en pointillés la trace 411a de la bordure périphérique profilée 311a en l'absence de correction, c'est-à-dire de façon analogue à l'art antérieur où cette bordure ne comportait aucune partie en retrait.
  • On notera que selon un premier procédé possible, la correction conduisant aux profils corrigés 135a, 134a des pièces polaires interne 135 et externe 134 peut être calculée à l'aide d'un logiciel de calcul de champ magnétique 3D qui permet d'abord de calculer l'augmentation de champ magnétique au droit des bobines externes 131, puis de déterminer l'augmentation d'entrefer nécessaire pour uniformiser le champ. Sur la figure 3, qui concerne un mode de réalisation à quatre bobines externes 131 montées sur des noyaux 137 disposés sensiblement aux sommets d'un carré, on voit que la largeur d'entrefer est plus grande dans la zone 232 au droit des bobines 131 que dans les zones 231 situées à 45° des noyaux 137 où la largeur d'entrefer est minimale. Sur la figure 3, on voit à la fois en pointillés, le profil d'origine 434a, 435a des surfaces périphériques des pièces polaires 134, 135 et en traits pleins des profils corrigés de ces surfaces périphériques 134a, 135a. Une fois les corrections calculées, on procède à l'usinage par une machine à commande numérique pour obtenir des surfaces souhaitées 134a, 135a, 311a, 351a.
  • On notera que selon un autre procédé possible, la correction peut être déterminée expérimentalement par une méthode itérative : après une première mesure 3D du champ magnétique sur une configuration de révolution, on procède à un premier usinage de correction numérique et on mesure la répartition de champ magnétique 3D. On procède à un deuxième usinage si la première correction n'est pas satisfaisante et ainsi de suite.
  • La présente invention est aussi applicable aux propulseurs à plasma à dérive fermée d'électrons à écrans magnétiques, tels que ceux décrits dans le document de brevet US 5 359 258 .
  • Les figures 5 à 7 illustrent un tel type de propulseur à plasma avec un distributeur de gaz 1 formant anode annulaire, une cathode 2, une chambre de décharge annulaire 3, un écran magnétique externe entourant la chambre de décharge 3 et se terminant par une surface libre terminale 5a, une pièce polaire externe 6 se terminant par une surface périphérique concave 6a, une pièce polaire interne 7 se terminant par une surface périphérique convexe 7a, un circuit magnétique 8, une bobine centrale 9 créant un champ magnétique interne, une pluralité de bobines externes 10 pour créer un champ magnétique externe, un noyau central 12, des écrans thermiques 13, et un support 17.
  • Sur la figure 5, on a représenté quatre bobines externes 10I, 10II, 10III, 10IV et une pièce polaire externe 6.
  • Comme dans le mode de réalisation des figures 1 à 4, la surface périphérique interne concave 6a de la pièce polaire 6 et la surface périphérique externe convexe 7a de la pièce polaire 7 présentent chacune un profil ajusté distinct d'une surface cylindrique circulaire de manière à former entre elles un entrefer de largeur variable présentant des zones de valeur maximale au droit des bobines externes 10 et des zones de valeur minimale entre les bobines externes 10 (bobines 10I, 10II, 10III, 10IV sur la figure 5). Les profils des surfaces 6a, 7a non corrigées (c'est-à-dire des surfaces rigoureusement circulaires telles qu'elles apparaissent avant correction) ont été représentés en pointillés sur la figure 5.
  • Le propulseur des figures 5 à 7 comprend un écran magnétique interne 4 essentiellement cylindrique qui définit une bordure périphérique profilée 4a à son extrémité libre la plus proche de la cathode 2. La bordure périphérique profilée 4a de l'écran magnétique interne 4 et la bordure périphérique profilée 5a de l'écran magnétique externe 5 présentent chacune un profil ajusté avec des portions en retrait selon l'axe du propulseur au droit des bobines externes 10 de manière à maintenir constant le profil de champ magnétique en azimut. La figure 7 montre en traits pleins le profil ajusté de la bordure périphérique profilée 5a et en pointillés le profil initial 405a de la bordure périphérique profilée 5a avant son ajustement.

Claims (8)

  1. Propulseur à dérive fermée d'électrons comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (124;3) autour de l'axe du propulseur, au moins une cathode creuse (140;2), une anode annulaire (125;1) concentrique au canal annulaire principal (124;3), une canalisation (126) et un distributeur (127) pour alimenter en gaz ionisable l'anode (125;1) et un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal (124;3), ledit circuit magnétique comprenant au moins un noyau magnétique axial (138;12) entouré d'une première bobine (133;9) et d'une pièce polaire de révolution amont interne (351) et une pluralité de noyaux magnétiques externes (137) entourés de bobines externes (131;10),
    ledit circuit magnétique comprenant en outre une première pièce polaire externe essentiellement radiale (134;6) définissant une surface périphérique interne concave (134a;6a) et une deuxième pièce polaire interne essentiellement radiale (135;7) définissant une surface périphérique externe convexe (135a;7a), caractérisé en ce que ladite surface périphérique interne concave (134a;6a) et ladite surface périphérique externe convexe (135a;7a) présentent chacune un profil ajusté distinct d'une surface cylindrique circulaire de manière à former entre elles un entrefer de largeur variable présentant des zones (232) de valeur maximale au droit des bobines externes (131;10) et des zones (231) de valeur minimale entre lesdites bobines externes (131;10) de manière à créer un champ magnétique radial uniforme.
  2. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce polaire de révolution amont interne (351) est essentiellement conique et définit une bordure périphérique profilée (351a) à son extrémité libre la plus proche de ladite cathode (140).
  3. Propulseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique comprend en outre une pièce polaire amont externe essentiellement conique (311) qui définit une bordure périphérique profilée (311a) à son extrémité libre la plus proche de ladite cathode (140) et en ce que ladite bordure périphérique profilée (351a) de ladite pièce polaire de révolution amont interne (351) essentiellement conique et ladite bordure périphérique profilée (311a) de ladite pièce polaire amont externe essentiellement conique (311) présentent chacune un profil ajusté avec des portions en retrait selon l'axe du propulseur au droit des bobines externes (131) de manière à maintenir constant le profil de champ magnétique en azimut.
  4. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce polaire de révolution amont interne (4) comprend un écran magnétique interne essentiellement cylindrique qui définit une bordure périphérique profilée (4a) à son extrémité libre la plus proche de ladite cathode (2).
  5. Propulseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique comprend en outre un écran magnétique externe essentiellement cylindrique (5) qui définit une bordure périphérique profilée (5a) à son extrémité libre la plus proche de ladite cathode (2) et en ce que ladite bordure périphérique profilée (4a) dudit écran magnétique interne (4) et ladite bordure périphérique profilée (5a) dudit écran magnétique externe (5) présentent chacune un profil ajusté avec des portions en retrait selon l'axe du propulseur au droit des bobines externes (10) de manière à maintenir constant le profil de champ magnétique en azimut.
  6. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend quatre bobines externes (131;10) entourant quatre noyaux magnétiques externes (137).
  7. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend trois bobines externes (131;10) entourant trois noyaux magnétiques externes (137).
  8. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend deux bobines externes (131;10) entourant deux noyaux magnétiques externes (137).
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