EP2715131B1 - Propulseur a effet hall - Google Patents

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EP2715131B1
EP2715131B1 EP12731043.1A EP12731043A EP2715131B1 EP 2715131 B1 EP2715131 B1 EP 2715131B1 EP 12731043 A EP12731043 A EP 12731043A EP 2715131 B1 EP2715131 B1 EP 2715131B1
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EP
European Patent Office
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power supply
supply unit
thruster
discharge voltage
electrical power
Prior art date
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Active
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EP12731043.1A
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German (de)
English (en)
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EP2715131A1 (fr
Inventor
Stéphan Joseph ZURBACH
Frédéric MARCHANDISE
Michael ÖBERG
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 Services SA
SNECMA SAS
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2715131A1 publication Critical patent/EP2715131A1/fr
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Publication of EP2715131B1 publication Critical patent/EP2715131B1/fr
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    • 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
    • F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters
    • F03H1/0018—Arrangements or adaptations of power supply systems
    • 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
    • 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
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    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
    • F03H1/0068—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field with a central channel, e.g. end-Hall type
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    • 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
    • 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
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    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0087—Electro-dynamic thrusters, e.g. pulsed plasma thrusters

Definitions

  • the present invention relates to a Hall effect thruster, also called a stationary plasma thruster.
  • a Hall effect thruster essentially comprises an ionization and discharge channel with which an anode is associated, and a cathode disposed in the vicinity of the exit of the ionization and discharge channel.
  • the ionization and discharge channel is made of insulating material such as ceramic.
  • a magnetic circuit and electromagnet coils surround the ionization and discharge channel.
  • a neutral gas such as xenon is injected at the rear of the discharge channel and into the cathode.
  • the neutral gas is ionized in the ionization and discharge channel by collision with the electrons emitted by the cathode.
  • the ions produced are accelerated and ejected by the axial electric field created between the anode and the cathode.
  • the magnetic circuit and the electromagnet coils create within the channel a magnetic field which is essentially radial.
  • the figure 2 is a schematic view in axial section of an example of a Hall effect thruster of the closed electron drift type.
  • annular channel 21 defined by a piece 22 of insulating material, such as a dielectric ceramic, a magnetic circuit 24 comprising outer annular pieces 24a and internal 24b, a magnetic yoke 24d disposed upstream of the propellant and a central core 24c connecting the annular parts 24a, 24b and the magnetic yoke 24d.
  • Coils 31, 32 make it possible to create a magnetic field in the annular channel 21.
  • a hollow cathode 40 is coupled to a xenon feed device to form a plasma cloud in front of the downstream outlet of the channel 21.
  • An anode 25 is disposed in the annular channel 21 and is associated with an annular distributor 27 of ionizable gas (xenon).
  • a housing 20 protects the entire thruster.
  • the magnetic field lines B, the electric field E, the atoms a, the ions i and the electrons e created from the injected ionizable gas have been represented symbolically.
  • a Hall effect thruster such as that of the figure 2 the ergol atoms such as xenon are ionized within a confined discharge in the channel 21.
  • the ions created i are accelerated in an electric field E created by the anode 25 and ejected at the open downstream outlet 26 of the annular channel 21 to generate the propulsive effect.
  • An azimuth electronic current of a few tens of amperes is created inside the channel 21 because of the combination of the mainly axial electric field E and the predominantly radial magnetic field B.
  • Hall effect thrusters are described in particular in the documents FR 2 693 770 A1 , FR 2 743 191 A1 , FR 2 782 884 A1 and FR 2 788 084 A1 .
  • US 2002/116915 A1 discloses a known Hall effect thruster comprising an additional power supply unit for applying a pulsed voltage between the anode and the cathode. This unit alternately produces a first discharge voltage for a first duration of 50 ms and a second discharge voltage for a second duration of 200 ms.
  • Hall effect thrusters have two important limitations in terms of operation.
  • a first limitation is the limited lifetime imposed by the erosion of the ceramic discharge channel. Indeed, a portion of the ions created by the engine is accelerated in the discharge channel to the walls of the engine. Given their energy, these ions erode the ceramic of the discharge channel and thus limit the life of the propellant.
  • a second limitation lies in the lowering of the engine efficiency and the acceleration of the engine aging for the high specific pulses (Isp).
  • the increase of the specific pulse of a stationary plasma thruster is essentially achieved by increasing the discharge voltage Ud. This leads to generating a hotter plasma, strongly interacting with the walls of the discharge channel. In this case, the energy of the electrons increases significantly until levels that are incompatible with the motor channel ceramic are reached. The higher rate of ions also contributes to the increase in the erosion rate of the motor ceramic.
  • Hall effect thrusters having a limited specific pulse, which can typically be of the order of 1000 to 2500 seconds.
  • Bombardment ionic thrusters are also known which have grids to accelerate the ions and can operate with specific pulses greater than 4000 seconds.
  • the implementation of grids however, has a number of disadvantages.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of known plasma thrusters and more particularly to modify the Hall effect thrusters, or closed-electron drift plasma thrusters, in order to improve their technical characteristics, and in particular to improve the specific impulse and increase the service life with a significant reduction in the erosion of the discharge channel.
  • a Hall effect thruster comprising at least one high-pressure gas tank, a pressure regulation module, a gas flow control device, an ionization channel, at least one cathode disposed at adjacent to the ionization channel output, an anode associated with the ionization channel, a power supply unit, an electric filter and coils for creating a magnetic field around the ionization channel, characterized in that it further comprises an additional power supply unit for applying a pulsed voltage between said anode and said at least one cathode and in that the additional power supply unit alternately produces a first discharge voltage (Ud min ) for a first duration (t tot - t j / A ) of between 5 and 15 ⁇ s and a second discharge voltage (Ud max) for a second duration (t j / A ) of between 5 and 15 ⁇ s.
  • Ud min first discharge voltage
  • Ud max second discharge voltage
  • the additional power supply unit alternately produces a first discharge voltage (Ud min ) between 150 and 250 V and a second discharge voltage (Ud max ) between 300 V and 1200 V.
  • said first duration (t tot - t j / A ) is between 5 and 10 ⁇ s and said second duration (t j / A ) is between 5 and 10 ⁇ s.
  • the first discharge voltage (Ud min ) is between 180 and 220 V and the second discharge voltage (Ud max ) is between 400 and 1000 V.
  • the additional power supply unit comprises at least one capacitor.
  • the additional power supply unit alternately produces a first discharge voltage (Ud min ) and a second discharge voltage (Ud max ) respectively during a first duration (t tot - t j / A ). and a second duration (t j / A ) which are substantially equal.
  • the coils for creating a magnetic field are fed by said power supply unit and said electric filter independently of the supply of the anode by the additional power supply unit and said electric filter.
  • the invention applies to a Hall effect thruster whose structure of principle has been described above with reference to the figure 2 .
  • a conventional Hall effect thruster Although often referred to as a "stationary plasma thruster", the operation of a conventional Hall effect thruster is anything but stationary. Several frequency ranges can be considered, ranging from 20 kHz to several gigahertz.
  • the figure 3 presents a simplified modeling of oscillations in a Hall effect thruster.
  • the oscillations of the ionization / acceleration front are clearly distinguished by the spatial oscillation of the neutral density.
  • a Hall effect thruster is thus characterized by the alternation of an ionization / acceleration front ejecting the ionized neutrons and a front of non-ionized neutrals filling the thruster discharge chamber.
  • the discharge voltage Ud of the thruster is set at a predetermined level high enough to allow the production of hot electrons suitable for good ionization and the acceleration of ions under a high electric field.
  • the discharge voltage Ud of conventional Hall effect thrusters is kept substantially constant during operation. As indicated above, the value of this discharge voltage Ud is chosen at a level making it possible to limit the erosion rate of the ceramic of the discharge channel, typically of the order of 300 to 350 volts, but this leads to also to limit the specific pulse obtained.
  • the Hall effect thruster according to the invention makes it possible to obtain a high specific impulse without, however, increasing the erosion speed of the ceramic of the discharge channel, or requiring a modification of the mechanical structure of the thruster.
  • the discharge voltage Ud of the thruster is pulsed in order to control the propagation of the ionization front / acceleration of the thruster by reducing the amplitude of the spatial oscillations. the consumption of neutral atoms in the propellant.
  • the figure 4 illustrates the operation of the thruster with a discharge voltage Ud oscillating with time between a low discharge voltage equal to Ud min and a high discharge voltage equal to Ud max (curve 3).
  • the discharge voltage Ud is set to the low value equal to Ud min .
  • the discharge voltage Ud is set to the high value equal to Ud max for a time t j / A which may for example be between 5 and 15 ⁇ s and more preferably between 5 and 15 ⁇ s. and 10 ⁇ s, a value close to 10 ⁇ s giving good results.
  • the total time t tot of a cycle with a high voltage value Ud max and a low value of voltage Ud min is imposed by the speed of filling of the thruster channel by the neutral atoms and can by example be between 10 and 30 ⁇ s and more preferably between 10 and 20 ⁇ s, a value close to 20 ⁇ s giving good results.
  • the voltage Ud min can be for example between 150 V and 250 V, more preferably between 180 V and 220 V.
  • the voltage Ud max may be for example between 300 V and 1200 V, and more preferably between 400 V and 1000 V.
  • the oscillation frequency of the value Ud between the minimum value Ud min and the maximum value Ud max depends on the fixed voltage Ud max and then itself determines the value of the specific pulse of the thruster.
  • the figure 1 shows in the form of a block diagram the general architecture of a Hall effect thruster according to the invention equipped with its gas and electricity supplies.
  • a tank 101 of ionizable gas such as xenon is connected by a pipe 102 to a pressure regulation module 103, itself connected by a pipe 104 to a device 105 for controlling the flow of gas used to supply, via pipes hoses 106, 107, 108, respectively a gas distributor within the housing 20 containing the discharge channel, and cathodes 40A and 40B.
  • the use of two cathodes 40A and 40B instead of a single cathode is not mandatory and is a simple redundancy for security reasons.
  • a main power supply unit 110 is connected by links 121 to an electrical filter 120 which itself serves to feed the magnetic field coils 123 via the links 123 to the ionization and discharge channel, which are arranged in the housing 20.
  • a direct link 122 between the main unit 110 and the gas flow control device 105 can control the latter.
  • the main power supply unit 110 receives by lines 111, 112, 113 the electrical energy produced by an external source, such as solar panels, and converts this energy.
  • This electrical power can be provided, for example, typically at a voltage of 50 V, in higher voltage electrical energy of the order of several hundred volts.
  • the main power supply unit 110 comprises in particular circuits for generating an analog control signal which is applied by a line 122 to the device 105 for controlling the flow of gas.
  • the main power supply unit 110 receives, via a line 114, data supplied by a control circuit 115 associated with the gas pressure regulation module 103 supplied to the gas flow control device 105 from the gas reservoir 101. .
  • the control circuit 115 receives sensor information and valve status from the gas pressure regulation module 103 via lines 118, 119, and receives external data via lines 116, 117.
  • the additional power supply unit 125 which is connected to the power supply unit 110, provides, by lines 126, 126A and the filter 120, the power supply of the anode incorporated in the housing 20.
  • the additional power supply unit 125 which cooperates with the cathodes 40A, 40B and the anode 25 to create an electric field and the filter 120 provides a pulsed voltage supply between the anode 25 and each cathode 40A, 40B while in parallel the electromagnet coils included in the housing 20 are fed from the power supply unit 110 and the filter 120.
  • the additional power supply unit 125 makes it possible to produce two distinct voltage levels, namely on the one hand a low level voltage, for example of the order of 200 V and, on the other hand, a high level voltage, of the order of a few hundred volts, up to about 1200 volts.
  • the energy stored in the additional power supply unit 125 must be released at very specific times.
  • the frequency implemented for discharges is around 100 kHz, with a complete cycle extending over a period of 20 microseconds.
  • the additional power supply unit 125 may comprise capacitors of a few microfarads or a few tens of microfarads in order to be able to charge and discharge, for example over a cycle of 20 ⁇ s (50 kHz), an electric charge corresponding to 7A during 10 ⁇ s, ie a electric charge of 70 ⁇ As.
  • control and management of the charge and discharge of the capacitors of the additional power supply unit 125 can be provided by control circuits associated with the additional power supply unit 125 or integrated into the power supply unit. power supply 110, so as to allow this additional power supply unit 125 to output alternately two power levels.
  • the first power level corresponds to a low power, which allows the filling of the discharge channel by neutral atoms
  • the second power level corresponds to a high power, for example the supply of a current of 7 to 10 A at 400 V at 1 kV for 5 to 10 ⁇ s, which corresponds for each pulse at high power, to an energy typically ranging between 14 mJ (7A, 400 V and 5 ⁇ s) and 100 mJ (10 A, 1 kV and 10 ⁇ s) for the range of values considered preferential, although not limiting.
  • the high power level corresponds to the ionization / acceleration process in the motor discharge channel.
  • This high power level is pulsed makes it possible to choose relatively high values leading to high specific pulses without reducing the life of the engine.
  • the main power supply unit 110 and the additional power supply unit 125 consist of electrical circuits making it possible, on the one hand, for the low-power supply of the device 105 for controlling the flow of gas. and on the other hand the high-power supply of the electromagnet coils included in the housing 20 and the cathodes 40A and 40B cooperating with the anode 25.
  • the main power supply unit 110 and the additional power supply unit 125 define at least two separate power supply modules connected in series and / or in parallel so as to allow the passage between the two. power levels required by the desired operation of the thruster.
  • the filter 120 may consist of filtering elements included in the power modules constituting units 110 and 125 to protect them from electromagnetic compatibility (EMC) effects emanating from the thruster.
  • EMC electromagnetic compatibility

Landscapes

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Description

  • La présente invention concerne un propulseur à effet Hall, encore appelé propulseur à plasma stationnaire.
    • Art antérieur
  • Un propulseur à effet Hall comprend essentiellement un canal d'ionisation et de décharge auquel est associée une anode, et une cathode disposée au voisinage de la sortie du canal d'ionisation et de décharge. Le canal d'ionisation et de décharge est réalisé en matériau isolant tel que de la céramique. Un circuit magnétique et des bobines d'électro-aimant entourent le canal d'ionisation et de décharge. Un gaz neutre tel que du xénon est injecté à l'arrière du canal de décharge et dans la cathode. Le gaz neutre est ionisé dans le canal d'ionisation et de décharge par collision avec les électrons émis par la cathode. Les ions produits sont accélérés et éjectés par le champ électrique axial créé entre l'anode et la cathode. Le circuit magnétique et les bobines d'électro-aimant créent au sein du canal un champ magnétique qui est essentiellement radial.
  • La figure 2 représente une vue schématique en coupe axiale d'un exemple de propulseur à effet Hall du type à dérive fermée d'électrons.
  • Sur la figure 2, on voit un canal annulaire 21 défini par une pièce 22 en matériau isolant, telle qu'une céramique diélectrique, un circuit magnétique 24 comprenant des pièces annulaires externe 24a et interne 24b, une culasse magnétique 24d disposée à l'amont du propulseur et un noyau central 24c reliant les pièces annulaires 24a, 24b et la culasse magnétique 24d. Des bobines 31, 32 permettent de créer un champ magnétique dans le canal annulaire 21. Une cathode creuse 40 est couplée à un dispositif d'alimentation en xénon pour former un nuage de plasma devant la sortie aval du canal 21. Une anode 25 est disposée dans le canal annulaire 21 et est associée à un distributeur annulaire 27 de gaz ionisable (xénon). Un boîtier 20 protège l'ensemble du propulseur.
  • Sur la figure 2, on a représenté symboliquement les lignes de champ magnétique B, le champ électrique E, les atomes a, les ions i et les électrons e créés à partir du gaz ionisable injecté.
  • Dans un propulseur à effet Hall tel que celui de la figure 2, les atomes d'ergol tel que le xénon sont ionisés au sein d'une décharge confinée dans le canal 21. Les ions créés i sont accélérés dans un champ électrique E créé par l'anode 25 et éjectés à la sortie aval ouverte 26 du canal annulaire 21 afin de générer l'effet propulsif.
  • Un courant électronique azimutal de quelques dizaines d'ampères est créé à l'intérieur du canal 21 du fait de la combinaison du champ électrique E principalement axial et du champ magnétique B majoritairement radial.
  • Des exemples de propulseur à effet Hall sont décrits notamment dans les documents FR 2 693 770 A1 , FR 2 743 191 A1 , FR 2 782 884 A1 et FR 2 788 084 A1 .
  • US 2002/116915 A1 décrit un propulseur à effet Hall connu, comprenant une unité d'alimentation électrique supplémentaire pour appliquer une tension pulsée entre l'anode et la cathode. Cette unité produit alternativement une première tension de décharge pendant une première durée de 50 ms et une deuxième tension de décharge pendant une deuxième durée de 200 ms.
  • Les propulseurs à effet Hall présentent deux limitations importantes en termes de fonctionnement.
  • Une première limitation consiste en la durée de vie limitée imposée par l'érosion de la céramique du canal de décharge. En effet, une partie des ions créés par le moteur est accélérée dans le canal de décharge vers les parois du moteur. Compte tenu de leur énergie, ces ions érodent la céramique du canal de décharge et limitent ainsi la durée de vie du propulseur.
  • Une deuxième limitation réside dans la baisse du rendement du moteur et l'accélération du vieillissement du moteur pour les fortes impulsions spécifiques (Isp). L'accroissement de l'impulsion spécifique d'un propulseur à plasma stationnaire est réalisé essentiellement par l'augmentation de la tension de décharge Ud. Ceci conduit à générer un plasma plus chaud, interagissant fortement avec les parois du canal de décharge. Dans ce cas, l'énergie des électrons augmente de façon significative jusqu'à atteindre des niveaux incompatibles avec la céramique du canal du moteur. La vitesse plus élevée des ions contribue également à l'accroissement de la vitesse d'érosion de la céramique du moteur.
  • Pour ces raisons, on a été conduit jusqu'à présent à utiliser des propulseurs à effet Hall présentant une impulsion spécifique limitée, celle-ci pouvant être typiquement de l'ordre de 1 000 à 2 500 secondes.
  • Afin d'augmenter la durée de vie d'un moteur à effet Hall, il a déjà été proposé de réaliser des canaux de décharge translatables. Lorsque la chambre est érodée, on fait avancer la céramique du canal de décharge suivant l'axe du moteur. Ceci ne permet toutefois pas de résoudre le problème de la limitation du fonctionnement à haute tension.
  • On connaît par ailleurs des propulseurs ioniques à bombardement qui comportent des grilles pour accélérer les ions et peuvent fonctionner avec des impulsions spécifiques supérieures à 4 000 secondes. La mise en oeuvre de grilles présente cependant un certain nombre d'inconvénients.
    • Objet et description succincte de l'invention
  • La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des propulseurs à plasma connus et plus particulièrement de modifier les propulseurs à effet Hall, ou propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons, afin d'améliorer leurs caractéristiques techniques, et notamment améliorer l'impulsion spécifique et accroître la durée de vie avec une réduction significative de l'érosion du canal de décharge.
  • Ces buts sont atteints grâce à un propulseur à effet Hall comprenant au moins un réservoir de gaz sous haute pression, un module de régulation de pression, un dispositif de commande de débit de gaz, un canal d'ionisation, au moins une cathode disposée au voisinage de la sortie du canal d'ionisation, une anode associée au canal d'ionisation, une unité d'alimentation électrique, un filtre électrique et des bobines de création d'un champ magnétique autour du canal d'ionisation, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité d'alimentation électrique supplémentaire pour appliquer une tension pulsée entre ladite anode et ladite au moins une cathode et en ce que l'unité d'alimentation électrique supplémentaire produit alternativement une première tension de décharge (Udmin) pendant une première durée (ttot - tj/A) comprise entre 5 et 15 µs et une deuxième tension de décharge (Ud max) pendant une deuxième durée (tj/A) comprise entre 5 et 15 µs.
  • Avantageusement, l'unité d'alimentation électrique supplémentaire produit alternativement une première tension de décharge (Udmin) comprise entre 150 et 250 V et une deuxième tension de décharge (Udmax) comprise entre 300 V et 1 200 V.
  • De préférence, ladite première durée (ttot - tj/A) est comprise entre 5 et 10 µs et ladite deuxième durée (tj/A) est comprise entre 5 et 10 µs.
  • Selon une caractéristique préférentielle, la première tension de décharge (Udmin) est comprise entre 180 et 220 V et la deuxième tension de décharge (Udmax) est comprise entre 400 et 1 000 V.
  • L'unité d'alimentation électrique supplémentaire comprend au moins un condensateur.
  • Selon un mode de réalisation particulier, l'unité d'alimentation électrique supplémentaire produit alternativement une première tension de décharge (Udmin) et une deuxième tension de décharge (Udmax) respectivement pendant une première durée (ttot - tj/A) et une deuxième durée (tj/A) qui sont sensiblement égales.
  • Selon un aspect particulier de l'invention, les bobines de création d'un champ magnétique sont alimentées par ladite unité d'alimentation électrique et ledit filtre électrique indépendamment de l'alimentation de l'anode par l'unité d'alimentation électrique supplémentaire et ledit filtre électrique.
    • 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 un schéma-bloc de l'ensemble d'un propulseur à effet Hall selon l'invention, avec son alimentation électrique,
    • la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale montrant un exemple de propulseur à effet Hall auquel est applicable l'invention,
    • la figure 3 montre des courbes représentant en fonction du temps l'évolution du courant de décharge I et de la densité moyenne du gaz N sous la forme d'oscillations basse fréquence pour un propulseur à effet Hall auquel l'invention peut être appliquée, et
    • la figure 4 est une courbe montrant un exemple d'évolution en fonction du temps de la tension de décharge Ud qui, selon l'invention, évolue alternativement entre une tension élevée Udmax et une tension faible Udmin.
    Description détaillée de modes particuliers de réalisation
  • L'invention s'applique à un propulseur à effet Hall dont la structure de principe a été décrite plus haut en référence à la figure 2.
  • Bien que souvent appelé "propulseur à plasma stationnaire", le fonctionnement d'un propulseur à effet Hall classique est tout sauf stationnaire. Plusieurs gammes de fréquence peuvent être considérées, allant de 20 kHz à plusieurs gigahertz.
  • A basse fréquence, un propulseur à effet Hall classique est essentiellement caractérisé par les phases suivantes :
    1. a) remplissage du canal de décharge par des atomes neutres d'un ergol tel que du xénon,
    2. b) ionisation des atomes neutres par des électrons énergétiques dans la moitié aval du propulseur,
    3. c) accélération et éjection des ions créés par le champ électrique E, qui est proportionnel à la tension de décharge Ud du propulseur.
  • Le même cycle de trois phases redémarre de façon périodique.
  • La figure 3 présente une modélisation simplifiée des oscillations dans un propulseur à effet Hall.
  • On a représenté sur la figure 3 le courant de décharge I en fonction du temps (courbe 1) et la densité moyenne de gaz N en fonction du temps (courbe 2).
  • On distingue clairement les oscillations du front d'ionisation/ accélération par l'oscillation spatiale de la densité des neutres.
  • Un propulseur à effet Hall est ainsi caractérisé par l'alternance d'un front d'ionisation/accélération éjectant les neutres ionisés et d'un front de neutres non ionisés remplissant la chambre de décharge du propulseur.
  • Dans un propulseur à effet Hall classique, la tension de décharge Ud du propulseur est fixée à un niveau prédéterminé suffisamment élevé pour permettre la production d'électrons chauds aptes à une bonne ionisation et l'accélération des ions sous un champ électrique élevé.
  • La tension de décharge Ud des propulseurs à effet Hall classiques est maintenue essentiellement constante en cours de fonctionnement. Comme cela a été indiqué précédemment, la valeur de cette tension de décharge Ud est choisie à un niveau permettant de limiter la vitesse d'érosion de la céramique du canal de décharge, typiquement de l'ordre de 300 à 350 volts, mais ceci conduit également à limiter l'impulsion spécifique obtenue.
  • Le propulseur à effet Hall selon l'invention permet d'obtenir une impulsion spécifique élevée sans pour autant accroître la vitesse d'érosion de la céramique du canal de décharge, ni nécessiter une modification de la structure mécanique du propulseur.
  • Pour ce faire, au cours du fonctionnement du propulseur à effet Hall selon l'invention, on fait pulser la tension de décharge Ud du propulseur afin de contrôler la propagation du front d'ionisation/ accélération du propulseur en réduisant l'amplitude des oscillations spatiales de la consommation des atomes neutres dans le propulseur.
  • On empêche ainsi la formation puis l'accélération d'ions trop en amont dans le canal du propulseur afin de limiter de façon significative l'érosion du canal, grâce à l'abaissement périodique de la tension de décharge.
  • La figure 4 illustre le fonctionnement du propulseur avec une tension de décharge Ud oscillant avec le temps entre une tension de décharge faible égale à Udmin et une tension de décharge élevée égale à Udmax (courbe 3).
  • Au départ, la tension de décharge Ud est fixée à la valeur faible égale à Udmin. Lorsque le canal du propulseur est rempli par les atomes neutres, la tension de décharge Ud est fixée à la valeur élevée égale à Udmax pendant un temps tj/A qui peut par exemple être compris entre 5 et 15 µs et plus préférentiellement entre 5 et 10 µs, une valeur voisine de 10 µs donnant de bons résultats.
  • Le temps total ttot d'un cycle avec valeur élevée de tension Udmax et valeur faible de tension Udmin est imposé par la vitesse de remplissage du canal du propulseur par les atomes neutres et peut par exemple être compris entre 10 et 30 µs et plus préférentiellement entre 10 et 20 µs, une valeur voisine de 20 µs donnant de bons résultats.
  • La tension Udmin peut être comprise par exemple entre 150 V et 250 V, plus préférentiellement entre 180 V et 220 V.
  • La tension Udmax peut être comprise par exemple entre 300 V et 1 200 V, et plus préférentiellement entre 400 V et 1 000 V.
  • Sur la figure 4, on a représenté un exemple de fonctionnement pulsé où les durées tj/A et ttot - tj/A pour lesquelles la tension de décharge est égale respectivement à Udmax et Udmin, sont sensiblement égales, mais ceci n'est pas obligatoire.
  • La fréquence d'oscillation de la valeur Ud entre la valeur minimale Udmin et la valeur maximale Udmax dépend de la tension Udmax fixée puis détermine elle-même la valeur de l'impulsion spécifique du propulseur.
  • La figure 1 montre sous forme d'un schéma-bloc l'architecture générale d'un propulseur à effet Hall selon l'invention équipé de ses alimentations en gaz et en électricité.
  • Un réservoir 101 de gaz ionisable tel que du xénon est relié par une conduite 102 à un module 103 de régulation de pression, lui-même relié par une conduite 104 à un dispositif 105 de commande de débit de gaz servant à alimenter, par des conduites flexibles 106, 107, 108, respectivement un distributeur de gaz au sein du boîtier 20 contenant le canal de décharge, et des cathodes 40A et 40B. L'utilisation de deux cathodes 40A et 40B au lieu d'une seule cathode n'est pas obligatoire et constitue une simple redondance pour des questions de sécurité.
  • Une unité principale d'alimentation électrique 110 est reliée par des liaisons 121 à un filtre électrique 120 qui sert lui-même à alimenter par des liaisons 123 les bobines de création d'un champ magnétique autour du canal d'ionisation et de décharge, qui sont disposées dans le boîtier 20. Une liaison directe 122 entre l'unité principale 110 et le dispositif 105 de commande de débit de gaz permet de commander ce dernier.
  • L'unité principale d'alimentation électrique 110 reçoit par des lignes 111, 112, 113 l'énergie électrique produite par une source extérieure, telle que des panneaux solaires, et convertit cette énergie électrique qui peut être fournie par exemple typiquement sous une tension de 50 V, en une énergie électrique de tension plus élevée, de l'ordre de plusieurs centaines de volts.
  • L'unité principale d'alimentation électrique 110 comprend notamment des circuits de génération d'un signal de commande analogique qui est appliqué par une ligne 122 au dispositif 105 de commande de débit de gaz.
  • L'unité principale d'alimentation électrique 110 reçoit par une ligne 114 des données fournies par un circuit 115 de commande associé au module 103 de régulation de pression du gaz fourni au dispositif 105 de commande de débit de gaz à partir du réservoir de gaz 101.
  • Le circuit de commande 115 reçoit des informations de capteurs et de l'état de vannes du module 103 de régulation de pression de gaz, par des lignes 118, 119, et reçoit par des lignes 116, 117 des données externes. Les données transmises par le circuit de commande 115, par la ligne 114, à l'unité principale d'alimentation électrique 110, permettent l'élaboration du signal de commande analogique appliqué par la ligne 122 au dispositif 105 de commande de débit de gaz.
  • L'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 qui est connectée à l'unité d'alimentation électrique 110, assure, par des lignes 126, 126A et le filtre 120, l'alimentation électrique de l'anode incorporée dans le boîtier 20.
  • L'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 qui coopère avec les cathodes 40A, 40B et l'anode 25 pour créer un champ électrique et le filtre 120 assurent une alimentation en tension pulsée entre l'anode 25 et chaque cathode 40A, 40B tandis qu'en parallèle les bobines d'électro-aimant incluses dans le boîtier 20 sont alimentées à partir de l'unité d'alimentation électrique 110 et du filtre 120.
  • L'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 permet de produire deux niveaux de tension distincts, à savoir d'une part une tension de niveau bas, par exemple de l'ordre de 200 V et d'autre part une tension de niveau haut, de l'ordre de quelques centaines de volts, pouvant aller jusqu'à environ 1 200 volts.
  • A titre indicatif, on peut considérer un courant de 2A pour une tension basse de 200 V et un courant de 7A pour une tension haute de 400 V.
  • L'énergie stockée dans l'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 doit être libérée à des moments bien précis. A titre d'exemple, la fréquence mise en oeuvre pour les décharges avoisine les 100 kHz, avec un cycle complet s'étendant sur une période de 20 µs.
  • L'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 peut comprendre des condensateurs de quelques microfarads ou quelques dizaines de microfarads pour pouvoir charger et décharger par exemple sur un cycle de 20 µs (50 kHz) une charge électrique correspondant à 7A pendant 10 µs, soit une charge électrique de 70 µAs.
  • Le pilotage et la gestion de la charge et de la décharge des condensateurs de l'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 peuvent être assurés par des circuits de commande associés à l'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 ou intégrés dans l'unité d'alimentation électrique 110, de manière à permettre à cette unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 de fournir en sortie alternativement deux niveaux de puissance.
  • Le premier niveau de puissance correspond à une basse puissance, qui permet le remplissage du canal de décharge par des atomes neutres, tandis que le deuxième niveau de puissance correspond à une puissance élevée, par exemple la fourniture d'un courant de 7 à 10 A sous 400 V à 1 kV pendant 5 à 10 µs, ce qui correspond pour chaque impulsion à puissance élevée, à une énergie pouvant être typiquement comprise entre 14 mJ (7A, 400 V et 5 µs) et 100 mJ (10 A, 1 kV et 10 µs) pour la plage de valeurs considérée comme préférentielle, bien que n'étant pas limitative.
  • Le niveau de puissance élevée correspond au processus d'ionisation/accélération dans le canal de décharge du moteur. Le fait que ce niveau de puissance élevée soit pulsé permet de choisir des valeurs relativement élevées conduisant à de fortes impulsions spécifiques sans réduire la durée de vie du moteur.
  • D'une manière générale, l'unité principale d'alimentation électrique 110 et l'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 sont constituées de circuits électriques permettant d'une part l'alimentation en basse puissance du dispositif 105 de commande de débit de gaz et d'autre part l'alimentation en forte puissance des bobines d'électro-aimant incluses dans le boîtier 20 et des cathodes 40A et 40B coopérant avec l'anode 25. L'unité principale d'alimentation électrique 110 et l'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 définissent au moins deux modules d'alimentation distincts connectés en série et/ou en parallèle de façon à permettre le passage entre les deux niveaux de puissance requis par le fonctionnement recherché du propulseur.
  • Le filtre 120 peut être constitué par des éléments de filtrage inclus dans les modules d'alimentation constituant des unités 110 et 125 pour protéger ceux-ci des effets de compatibilité électromagnétique (EMC) émanant du propulseur.

Claims (8)

  1. Propulseur à effet Hall comprenant au moins un réservoir de gaz sous haute pression (101), un module de régulation de pression (103), un dispositif de commande de débit de gaz (105), un canal d'ionisation (21), au moins une cathode (40A, 40B) disposée au voisinage de la sortie du canal d'ionisation (21), une anode (25) associée au canal d'ionisation (21), une unité d'alimentation électrique (110), un filtre électrique (120) et des bobines (31, 32) de création d'un champ magnétique autour du canal d'ionisation (21),
    caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité d'alimentation électrique supplémentaire (125) pour appliquer une tension pulsée entre ladite anode (25) et ladite au moins une cathode (40A, 40B) et en ce que l'unité d'alimentation électrique supplémentaire (125) produit alternativement une première tension de décharge (Udmin) pendant une première durée (ttot - tj/A) comprise entre 5 et 15 µs et une deuxième tension de décharge (Ud max) pendant une deuxième durée (tj/A) comprise entre 5 et 15 µs.
  2. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité d'alimentation électrique supplémentaire (125) produit alternativement une première tension de décharge (Udmin) comprise entre 150 et 250 V et une deuxième tension de décharge (Udmax) comprise entre 300 V et 1 200 V.
  3. Propulseur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première durée (ttot - tj/A) est comprise entre 5 et 10 µs et ladite deuxième durée (tj/A) est comprise entre 5 et 10 µs.
  4. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première tension de décharge (Udmin) est comprise entre 180 et 220 V et la deuxième tension de décharge (Udmax) est comprise entre 400 et 1 000 V.
  5. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'unité d'alimentation électrique supplémentaire (125) comprend au moins un condensateur.
  6. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'unité d'alimentation électrique supplémentaire (125) produit alternativement une première tension de décharge (Udmin) et une deuxième tension de décharge (Udmax) respectivement pendant une première durée (ttot - tj/A) et une deuxième durée (tj/A) qui sont sensiblement égales.
  7. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les bobines (31, 32) de création d'un champ magnétique sont alimentées par ladite unité d'alimentation électrique (110) et ledit filtre électrique (120) indépendamment de l'alimentation de l'anode (25) par l'unité d'alimentation électrique supplémentaire (125) et le filtre électrique (120).
  8. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le canal d'ionisation (21) est délimité par une paroi (22) en matériau céramique.
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