ES2823276T3

ES2823276T3 - Propulsor iónico de rejilla con agente de propulsión sólido integrado

Info

Publication number: ES2823276T3
Application number: ES16760449T
Authority: ES
Inventors: Dmytro Rafalskyi; Ane Aanesland
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Ecole Polytechnique
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Ecole Polytechnique
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: JP6943392B2; WO2017037062A1; US20180216605A1; FR3040442A1; RU2018109227A; CN209228552U; EP3344873B1; SG11201801545XA; KR102635775B1; CA2996431C; JP2018526570A; HK1251281A1; RU2018109227A3; CA2996431A1; FR3040442B1; EP3344873A1; RU2732865C2; IL257700A; IL257700B; US11060513B2

Abstract

Propulsor iónico (100), que comprende: - una cámara (10), - un depósito (20) que comprende un agente de propulsión sólido (PS), incluyendo dicho depósito una envoltura conductora (21) provista de al menos un orificio (22); - un conjunto de medios (30, 30', 40) para formar un plasma de iones-electrones en la cámara (10), siendo dicho conjunto adecuado para sublimar el agente de propulsión sólido en el depósito (20) para formar un agente de propulsión en el estado de gas, luego, para generar dicho plasma en la cámara (10) a partir del agente de propulsión en el estado de gas que proviene del depósito (20) a través de dicho al menos orificio (22); - un medio de extracción y de aceleración (50) de al menos los iones del plasma fuera de la cámara (10), comprendiendo dicho medio de extracción y de aceleración (50): - ya sea un electrodo (52) alojado en la cámara (10) a la que está asociada una rejilla (51) situada en un extremo (E) de la cámara (10), presentando dicho electrodo (52) una superficie más importante que la superficie de la rejilla (51), - ya sea un conjunto de al menos dos rejillas (52', 51) situadas en un extremo (E) de la cámara (10); - una fuente de tensión continua (30") o una fuente de tensión alterna de radiofrecuencia (30) dispuesta en serie con un condensador (53) y adaptada para generar una señal cuya radiofrecuencia está comprendida entre la frecuencia de plasma de los iones y la frecuencia de plasma de los electrones, estando dicha fuente de tensión continua (30") o alterna de radiofrecuencia conectada, por una de sus salidas, al medio de extracción y de aceleración (50) de al menos los iones del plasma fuera de la cámara (10) y, más precisamente: - ya sea al electrodo (52), - ya sea a una (52') de las rejillas de dicho conjunto de al menos dos rejillas (51, 52'), estando la rejilla (51) asociada al electrodo (52) o, según el caso, la otra rejilla (51) de dicho conjunto de al menos dos rejillas (52', 51) ya sea puesta en un potencial de referencia (55), ya sea conectada a la otra de las salidas de dicha fuente de tensión alterna de radiofrecuencia (30); permitiendo dicho medio de extracción y de aceleración (50) y dicha fuente de tensión continua o alterna de radiofrecuencia (30, 30") formar, en la salida de la cámara (10), un haz (70, 70') que incluye al menos unos iones; caracterizado por que dicho depósito (20) está alojado en la cámara (10).

Description

DESCRIPCIÓN

Propulsor iónico de rejilla con agente de propulsión sólido integrado

La invención se refiere a un propulsor de plasma que incluye un propergol sólido integrado.

La invención se refiere, más precisamente, a un propulsor iónico, de rejilla, que incluye un propergol sólido integrado. La invención podrá encontrar aplicación para un satélite o una sonda espacial.

Más particularmente, la invención podrá encontrar aplicación para unos satélites pequeños. Típicamente, la invención encontrará una aplicación para unos satélites que presentan una masa comprendida entre 6 kg y 100 kg, que pueden llegar eventualmente hasta 500 kg. Un caso particularmente interesante de aplicación se refiere al "CubeSat", cuyo un módulo básico (U) pesa menos de 1 kg y presenta unas dimensiones de 10 cm*10 cm*10 cm. El propulsor de plasma según la invención se puede integrar, en particular, en un módulo 1U o un medio módulo (1/2U) y utilizar en unos apilamientos de varios módulos por 2 (2U), 3 (3U), 6 (6U), 12 (12U) o más.

El término "propergol" se utiliza, en el presente documento, para designar un agente de propulsión en un propulsor iónico y no un producto constituido por uno o varios ergoles adecuado para proporcionar por reacción química la energía de propulsión de un motor cohete.

Ya se ha propuesto un propulsor de plasma con propergol sólido. Se les puede clasificar en dos categorías, según si implementan una cámara de plasma o no.

En el artículo de Keidar y al., "Electric propulsion for small satellites", Plasma Phys. Control. Fusion, 57 (2015) (D1), se describen diferentes técnicas para generar un plasma a partir de un propergol sólido, todas basadas en una ablación de un propergol sólido. El propergol sólido da directamente al espacio exterior, a saber, el espacio para unos satélites o sondas espaciales, sin cámara de plasma.

Según una primera técnica, se dispone teflón (propergol sólido) entre un ánodo y un cátodo entre los que se realiza una descarga eléctrica. Esta descarga eléctrica provoca la ablación del teflón, su ionización y su aceleración principalmente por vía electromagnética para generar un haz de iones directamente en el espacio externo.

Según una segunda técnica, se utiliza un haz láser para realizar la ablación y la ionización de un propergol sólido, por ejemplo, PVC o Kapton®. La aceleración de los iones se realiza, generalmente, por vía electromagnética.

Según una tercera técnica, se dispone un aislante entre un ánodo y un cátodo, estando todo al vacío. El cátodo, metálico, sirve como material de ablación para generar unos iones. La aceleración se efectúa por vía electromagnética. Las técnicas descritas en este documento permiten obtener un propulsor relativamente compacto. En efecto, el propergol sólido se somete a ablación, se ioniza y los iones se aceleran para asegurar la propulsión con un dispositivo de todo en uno.

No obstante, la consecuencia es que no hay un control separado de la sublimación del propergol sólido, del plasma y del haz de iones.

En particular, el haz de iones está más o menos controlado por el hecho de que no hay medios separados para controlar la densidad del plasma inducido por la ablación del propergol sólido y la velocidad de los iones. En consecuencia, el empuje y el impulso específico del propulsor no se pueden controlar por separado.

Generalmente, no se tiene este tipo de inconvenientes cuando se implementa una cámara de plasma.

El artículo de Polzin y al., "Iodine Hall Thruster Propellant Feed System for a CubeSat", American Institute of Aeronautics and Astronautics (Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica) (D2) propone un sistema de alimentación de propergol sólido para un propulsor que funciona por efecto Hall.

Este sistema de alimentación se puede utilizar para cualquier propulsor que implemente una cámara de plasma. En efecto, en el artículo D2, el propergol sólido (yodo l², en este caso concreto) se almacena en un depósito. Un medio de calentamiento está asociado al depósito. Este medio de calentamiento puede ser un elemento adecuado para recibir una radiación externa, colocada en el exterior del depósito. De este modo, cuando el depósito se calienta, el diyodo se sublima. El diyodo en el estado de gas sale del depósito y se dirige hacia una cámara, situada a distancia del depósito, donde se ioniza para formar un plasma. La ionización se realiza, en el caso que nos ocupa, por efecto Hall. El caudal de gas que entra en la cámara de plasma se controla por una válvula dispuesta entre el depósito y esta cámara. De este modo, se puede realizar un mejor control de la sublimación del diyodo y de las características del plasma, con respecto a las técnicas descritas en el documento D1.

Por otro lado, las características del haz de iones que sale de la cámara pueden controlarse, entonces, por un medio de extracción y de aceleración de los iones separados de los medios implementados para sublimar el propergol sólido y generar el plasma.

Por lo tanto, este sistema presenta unas numerosas ventajas con respecto a los descritos en el documento D1.

No obstante, en el documento D2, la presencia de un sistema de alimentación de este tipo hace el propulsor de plasma poco compacto y, en consecuencia, poco considerable para unos satélites pequeños, en particular, para un módulo de tipo "CubeSat".

En el documento de los Estados Unidos US 8610356 (D3), se propone, igualmente, un sistema que utiliza un propergol tal como el yodo (l²) almacenado en un depósito situado a distancia de una cámara de plasma. El control del caudal de gas de diyodo que sale del depósito se realiza por unos sensores de temperatura y presión instalados en la salida del depósito y unidos a un bucle de control de la temperatura del depósito.

Ahí, igualmente, el sistema es poco compacto.

En el mismo tipo de sistema que los propuestos en los documentos D2 o D3, también se puede citar el documento de los Estados Unidos US 6609363 (D4), que describe un propulsor iónico según el preámbulo de la reivindicación 1.

Es conveniente señalar que en el documento de los Estados Unidos US 7059 111 (D5) ya se ha propuesto un propulsor de plasma de propergol integrado en una cámara de plasma. Este propulsor de plasma, basado en el efecto Hall, es, por lo tanto, susceptible de ser más compacto que el propuesto en los documentos D2, D3 o D4. Igualmente, es susceptible de controlar mejor la evaporación del propergol, el plasma y la extracción de los iones, con respecto al documento D1. No obstante, el propergol se almacena en el estado líquido y utiliza un sistema adicional de electrodos para controlar el caudal de gas que sale del depósito.

Un objetivo de la invención es superar uno al menos de los inconvenientes citados anteriormente.

Para alcanzar este objetivo, la invención propone un propulsor iónico, que comprende:

- una cámara,

- un depósito que comprende un propergol sólido, estando dicho depósito alojado en la cámara e incluyendo una envoltura conductora provista de al menos un orificio;

- un conjunto de medios para formar un plasma de iones-electrones en la cámara, siendo dicho conjunto adecuado para sublimar el propergol sólido en el depósito para formar un propergol en el estado de gas, luego, para generar dicho plasma en la cámara a partir del propergol en el estado de gas que proviene del depósito a través de dicho al menos orificio;

- un medio de extracción y de aceleración de al menos los iones del plasma fuera de la cámara, comprendiendo dicho medio de extracción y de aceleración:

• ya sea un electrodo alojado en la cámara a la que está asociada una rejilla situada en un extremo de la cámara, presentando dicho electrodo una superficie más importante que la superficie de la rejilla,

• ya sea un conjunto de al menos dos rejillas situadas en un extremo de la cámara;

- una fuente de tensión continua o una fuente de tensión alterna de radiofrecuencia dispuesta en serie con un condensador y adaptada para generar una señal cuya radiofrecuencia está comprendida entre la frecuencia de plasma de los iones y la frecuencia de plasma de los electrones, estando dicha fuente de tensión continua o alterna de radiofrecuencia conectada, por una de sus salidas, al medio de extracción y de aceleración de al menos los iones del plasma fuera de la cámara y, más precisamente:

• ya sea al electrodo,

• ya sea a una de las rejillas de dicho conjunto de al menos dos rejillas,

estando la rejilla asociada al electrodo o, según el caso, la otra rejilla de dicho conjunto de al menos dos rejillas ya sea puesta en un potencial de referencia, ya sea conectada a la otra de las salidas de dicha fuente de tensión alterna de radiofrecuencia; permitiendo dicho medio de extracción y de aceleración y dicha fuente de tensión continua o alterna de radiofrecuencia formar, en la salida de la cámara, un haz que incluye al menos unos iones.

El propulsor podrá comprender, igualmente, una al menos de las siguientes características, tomadas solas o en combinación:

- la fuente de tensión conectada al medio de extracción y de aceleración es una fuente de tensión alterna de radiofrecuencia y el conjunto de medios para formar el plasma de iones-electrones comprende al menos una bobina alimentada por esta misma fuente de tensión alterna de radiofrecuencia por mediación de un medio para gestionar la señal proporcionada por dicha fuente de tensión de radiofrecuencia en dirección, por una parte, de dicha al menos una bobina y, por otra parte, del medio de extracción y de aceleración, para formar un haz de iones y de electrones en la salida de la cámara;

- el conjunto de medios para formar el plasma de iones -electrones comprende al menos una bobina alimentada por una fuente de tensión alterna de radiofrecuencia diferente de la fuente de tensión continua o alterna de radiofrecuencia conectada al medio de extracción y de aceleración o al menos una antena de microondas alimentada por una fuente de tensión alterna de microondas;

- la fuente de tensión conectada al medio de extracción y de aceleración es una fuente de tensión alterna de radiofrecuencia, para formar, en la salida de la cámara, un haz de iones y de electrones;

- el medio de extracción y de aceleración es un conjunto de al menos dos rejillas situadas en un extremo de la cámara, la electroneutralidad del haz de iones y de electrones se obtiene al menos en parte por ajuste de la duración de la aplicación de los potenciales positivos y/o negativos procedentes de la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia conectada al medio de extracción y de aceleración;

- el medio de extracción y de aceleración es un conjunto de al menos dos rejillas situadas en un extremo de la cámara, la electroneutralidad del haz de iones y de electrones se obtiene al menos en parte por ajuste de la amplitud de los potenciales positivos y/o negativos procedentes de la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia conectada al medio de extracción y de aceleración;

- la fuente de tensión conectada al medio de extracción y de aceleración es una fuente de tensión continua, para formar, en la salida de la cámara, un haz de iones, comprendiendo, además, el propulsor unos medios para inyectar unos electrones en dicho haz de iones, con el fin de asegurar una electroneutralidad;

- el depósito incluye una membrana situada entre el propergol sólido y la envoltura provista de al menos un orificio, incluyendo dicha membrana al menos un orificio, siendo la superficie del o cada orificio de la membrana mayor que la superficie del o cada orificio de la envoltura del depósito;

- la o cada rejilla presenta unos orificios cuya forma se elige de entre las siguientes formas: circulares, cuadrados, rectángulos o en formas de rendijas, en concreto, de rendijas paralelas;

- la o cada rejilla presenta unos orificios circulares, cuyo diámetro está comprendido entre 0,2 mm y 10 mm, por ejemplo, entre 0,5 mm y 2 mm;

- cuando el medio de extracción y de aceleración fuera de la cámara comprende un conjunto de al menos dos rejillas situadas en el extremo de la cámara, la distancia entre las dos rejillas está comprendida entre 0,2 mm y 10 mm, por ejemplo, entre 0,5 mm y 2 mm;

- el propergol sólido se elige de entre: el diyodo, el diyodo mezclado con otros componentes químicos, el ferroceno, el adamantano o el arsénico.

La invención se refiere, igualmente, a un satélite que comprende un propulsor según la invención y una fuente de energía, por ejemplo, una batería o un panel solar, conectada a la o cada fuente de tensión continua o alterna del propulsor.

La invención se refiere, igualmente, a una sonda espacial que comprende un propulsor según la invención y una fuente de energía, por ejemplo, una batería o un panel solar, conectada a la o cada fuente de tensión continua o alterna del propulsor.

La invención se comprenderá mejor y otras finalidades, ventajas y características de esta se evidenciarán más claramente a la lectura de la descripción que sigue y que se hace respecto a las figuras adjuntas, en las que:

- la figura 1 es una vista esquemática de un propulsor de plasma según un primer modo de realización de la invención;

- la figura 2 es una vista esquemática de una variante para el primer modo de realización representado en la figura 1;

- la figura 3 es una vista esquemática de otra variante para el primer modo de realización representado en la figura 1;

- la figura 4 es una vista esquemática de otra variante para el primer modo de realización representado en la figura 1;

- la figura 5 es una vista esquemática de un propulsor de plasma según un segundo modo de realización de la invención;

- la figura 6 es una vista esquemática de una variante para el segundo modo de realización representado en la figura 5;

- la figura 7 es una vista esquemática de otra variante para el segundo modo de realización representado en la figura 5;

- la figura 8 es una vista esquemática de otra variante para el segundo modo de realización representado en la figura 5;

- la figura 9 es una vista esquemática de una variante de realización del propulsor de plasma representado en la figura 8

- la figura 10 es una vista esquemática de un tercer modo de realización de la invención;

- la figura 11 es una vista en corte de un depósito de propergol sólido susceptible de emplearse en un propulsor de plasma según la invención, sea el que sea el modo de realización considerado, con su entorno que permite su montaje en el interior de la cámara de plasma;

- la figura 12 es una vista despiezada del depósito representado en la figura 9;

- la figura 13 es una curva que proporciona, en el caso del diyodo (I²) utilizado como propergol sólido, la evolución de la presión de vapores de diodo en función de la temperatura;

- la figura 14 representa, de forma esquemática, un satélite que incluye un propulsor de plasma según la invención; - la figura 15 representa, de forma esquemática, una sonda espacial que incluye un propulsor de plasma según la invención.

En la figura 1, se representa un primer modo de realización de un propulsor iónico 100 según la invención.

El propulsor 100 incluye una cámara de plasma 10 y un depósito 20 de propergol sólido PS alojado en la cámara 10. Más precisamente, el depósito 20 incluye una envoltura conductora 21 que incluye el propergol sólido PS, estando esta envoltura 21 provista de uno o varios orificios 22. El hecho de alojar el depósito 20 de propergol sólido en la cámara 10 confiere al propulsor una mayor compacidad.

El propulsor 100 incluye, igualmente, una fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 y una o varias bobinas 40 alimentada(s) por la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30. La o cada bobina 40 puede presentar uno o varios devanado(s). En la figura 1, está prevista una sola bobina 40 que incluye varios devanados.

La bobina 40, alimentada por la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30, induce una corriente en el depósito 20, que es conductor (corriente de Foucault). La corriente inducida en el depósito provoca un efecto Joule que calienta el depósito 20. El calor producido de este modo se transmite al propergol sólido PS por conducción térmica y/o radiación térmica. El calentamiento del propergol sólido PS permite, entonces, sublimar este, siendo el propergol, de este modo, puesto en el estado de gas. Luego, el propergol en el estado de gas pasa, a continuación, a través del o de los orificio(s) 22 del depósito 20, en dirección de la cámara 10. Este mismo conjunto 30, 40 permite generar, por otro lado, un plasma en la cámara 10 ionizando el propergol en el estado de gas que está en la cámara 10. El plasma formado de este modo será, generalmente, un plasma de iones-electrones (es conveniente señalar que, la cámara de plasma comprenderá, igualmente, unas especies neutras - propergol en el estado de gas - ya que, generalmente, no todo el gas se ioniza para formar el plasma).

Por lo tanto, se utiliza una misma fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 para sublimar el propergol sólido PS y crear el plasma en la cámara 10. En el caso que nos ocupa, se emplea, igualmente, una sola bobina 40 para tal efecto. No obstante, se puede considerar prever varias bobinas, por ejemplo, una bobina para sublimar el propergol sólido PS y una bobina para crear el plasma. Utilizando varias bobinas 40, entonces, es posible aumentar la longitud de la cámara 10.

Más precisamente, la cámara 10 y el depósito 20 están inicialmente a una misma temperatura.

Cuando se implementa la fuente 30, la temperatura del depósito 20, calentado por la o las bobina(s) 40, aumenta. La temperatura del propergol sólido PS aumenta, igualmente, estando el propergol en contacto térmico con la envoltura 21 del depósito.

Esto provoca una sublimación del propergol sólido PS, dentro del depósito 20 y, como continuación, un aumento de la presión P1 de propergol en el estado de gas dentro del depósito 20 que acompaña al aumento de temperatura T1 en este depósito.

Luego, bajo el efecto de la diferencia de presión entre el depósito 20 y la cámara 10, el propergol en el estado de gas pasa a través del o de cada orificio 22 en dirección de la cámara 10.

Cuando las condiciones de temperatura y de presión son lo suficientemente importantes en la cámara 10, el conjunto formado por la fuente 30 y la o las bobina(s) 40 permite generar el plasma en la cámara 10. En esta fase, el propergol sólido PS se calienta, entonces, más ampliamente por las partículas cargadas del plasma, estando la o las bobina(s) protegidas por la presencia de la vaina en el plasma (efecto de piel), así como por la presencia de las propias partículas cargadas dentro del plasma.

En presencia del plasma (propulsor en funcionamiento), es conveniente señalar que la temperatura del depósito 20 se puede controlar mejor por la presencia de un intercambiador térmico (no representado) conectado al depósito 20.

Se pueden prever uno o varios orificio(s) 22 sobre el depósito 20, esto no tiene importancia. Solo la superficie total del orificio o, si están previstos varios orificios, del conjunto de estos orificios tiene una importancia. Su dimensionamiento dependerá de la naturaleza del propergol sólido empleado y de los parámetros de funcionamiento deseados para el plasma (temperatura, presión).

Por lo tanto, este dimensionamiento se efectuará caso por caso.

De manera general, el dimensionamiento del propulsor según la invención retomará las siguientes etapas.

El volumen de la cámara 10 se define, en primer lugar, así como la presión de funcionamiento nominal deseada P2 en esta cámara 10 y el caudal másico m' de iones positivos deseado en la salida de la cámara 10. Estos datos pueden obtenerse por modelización numérica o por unos ensayos de rutina. Hay que señalar que este caudal másico (m') es corresponde sustancialmente al que se encuentra entre el depósito 20 y la cámara 10.

A continuación, se elige la temperatura deseada T1 para el depósito 20.

Estando esta temperatura T1 fijada, se puede conocer la presión de propergol en el estado de gas correspondiente, a saber, la presión P1 de este gas en el depósito 20 (véase figura 13 en el caso del diyodo I²).

Conociendo, de este modo, P2, m', P1 y T1, es posible deducir de ello la superficie A del orificio o, si están previstos varios orificios, del conjunto de los orificios. Ventajosamente, se preverán, sin embargo, varios orificios para asegurar un reparto más homogéneo del propergol en el estado de gas dentro de la cámara 10.

Sin embargo, más adelante se proporciona un ejemplo de dimensionamiento.

A continuación, es posible estimar la fuga de propergol en el estado de gas entre el depósito 20 y la cámara 10 cuando el propulsor 100 están en parada. En efecto, en este caso, se conoce la superficie A de los orificios, al igual que P1, T1 y P2, lo que permite obtener m' (caudal de fuga). En la práctica, resulta que, en parada, la fuga es mínima con respecto al caudal de propergol en el estado de gas que pasa del depósito 20 hacia la cámara 10 en el transcurso de utilización. Es por eso que, en el marco de la invención, la presencia de válvulas al nivel de los orificios no es obligatoria.

Para el propergol sólido, se puede considerar: diyodo (I²), una mezcla de diyodo (I²) con otros componentes químicos, adamantano (fórmula química bruta: C¹⁰H¹⁶) o ferroceno (fórmula química bruta: Fe(CsHs)²). Se puede emplear, igualmente, arsénico, pero su toxicidad hace de ello un propergol sólido cuya utilización se considera menos.

Ventajosamente, se utilizará diyodo (I²) como propergol sólido.

En efecto, este propergol presenta varias ventajas. Se ha representado en la figura 13, una curva que proporciona, en el caso del diyodo (I²), la evolución de la presión P del gas de diyodo en función de la temperatura T. Esta curva se puede aproximar por la siguiente fórmula:

Log(P) = - 3512,8*(1/T) - 2,013*log(T) 13,374 (F1)

con:

P, la presión en Torr;

T, la temperatura en Kelvins.

Esta fórmula se puede obtener en "The Vapor Pressure Iodine", G.P. Baxter, C.H. Hickey, W.C. Holmes, J. Am. Chem. Soc., 1907, 29(2) pág. 12-136. Esta fórmula se cita, igualmente, en "The normal Vapor Pressure of Crysta/line Iodine", L.J. Gillespie, y al., J. Am. Chem Soc., 1936, vol. 58(11), pág. 2260-2263. Esta fórmula ha sido objeto de verificaciones experimentales, por diferentes autores.

Cuando el propulsor pasa de un modo parada a un modo de funcionamiento nominal, se puede considerar que la temperatura aumenta en aproximadamente 50 K. En la gama de temperatura comprendida entre 300 K y 400 K, se destaca en esta figura 13 que la presión del gas de diyodo aumenta prácticamente en un factor de 100, para un aumento de temperatura de 50 K.

También, cuando el propulsor está en modo parada, la fuga de gas de diodo a través del o de cada orificio 22 es muy escasa y del orden de 100 veces inferior a la cantidad de gas de diyodo que atraviesa el o los orificio(s) 22 en dirección de la cámara 10, cuando el propulsor 100 está en funcionamiento nominal.

Una diferencia más importante entre la temperatura de funcionamiento nominal del propulsor según la invención y su temperatura en parada no hará más que disminuir las pérdidas relativas por fuga de propergol en el estado de gas.

En consecuencia, un propulsor 100 según la invención que utiliza un diodo (I²) como propergol no tiene necesidad de implementar una válvula para el o cada orificio y esto, contrariamente al documento D2. Esto simplifica otro tanto el diseño del propulsor y asegura una buena fiabilidad de ello. El control del caudal de propergol en el estado de gas se efectúa por el control de la temperatura del depósito 20, por mediación de la potencia proporcionada a la bobina 40 por la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 y eventualmente, como se ha precisado anteriormente, por la presencia de un intercambiador térmico conectado al depósito 20. Por lo tanto, el control es diferente del que se efectúa en el documento D3.

El propulsor 100 comprende, igualmente, un medio de extracción y de aceleración 50 de las partículas cargadas del plasma, iones positivos y electrones, fuera de la cámara 20 para formar un haz 70 de partículas cargadas en la salida de la cámara 20. En la figura 1, este medio 50 comprende una rejilla 51 situada en un extremo E (salida) de la cámara 10 y un electrodo 52 alojado en el interior de la cámara 10, presentando este electrodo 52 por construcción una superficie más importante que la de la rejilla 51. En ciertos casos, el electrodo 52 puede estar formado por la propia pared, conductora, del depósito 20.

El electrodo 52 está aislado de la pared de la cámara por un aislante eléctrico 58.

La rejilla 51 podrá presentar unos orificios de diferentes formas, por ejemplo, circulares, cuadrados, rectángulos o en formas de rendijas, en concreto, de rendijas paralelas. En particular, en el caso de orificios circulares, el diámetro de un orificio podrá estar comprendido entre 0,2 mm y 10 mm, por ejemplo, entre 0,5 mm y 2 mm.

Para asegurar esta extracción y aceleración, el medio 50 está conectado a la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30. La fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 asegura, por lo tanto, extra, el control del medio de extracción y de aceleración 50 de las partículas cargadas fuera de la cámara 10. Esto es particularmente interesante, ya que esto permite aumentar todavía un poco más la compacidad del propulsor 100. Por lo demás, este control del medio de extracción y de aceleración 50 por la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 permite controlar mejor el haz 70 de partículas cargadas y esto, contrariamente a las técnicas propuestas en el artículo D1, en concreto. Por último, este control también permite obtener un haz con una muy buena electroneutralidad en la salida de la cámara 10, sin implementar cualquier dispositivo externo para tal efecto. Dicho de otro modo, el conjunto formado por el medio de extracción y de aceleración 50 de las partículas cargadas del plasma y la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 permite, por lo tanto, obtener, igualmente, una neutralización del haz 70 en la salida de la cámara 10. De este modo, se aumenta la compacidad del propulsor 10, lo que es particularmente ventajoso para la utilización de este propulsor 100 para un pequeño satélite (<500 kg), en concreto, un microsatélite (10 kg-100 kg) o un nanosatélite (1 kg-10 kg), por ejemplo, de tipo "CubeSat".

Para tal efecto, la rejilla 51 está conectada a la fuente de tensión de radiofrecuencia 30 por mediación de un medio 60 para gestionar la señal proporcionada por dicha fuente de tensión de radiofrecuencia 30 y el electrodo 52 está conectado a la fuente de tensión de radiofrecuencia 30, en serie, por mediación de un condensador 53 y del medio 60 para gestionar la señal proporcionada por dicha fuente de tensión de radiofrecuencia 30. La rejilla 51 está puesta, por otro lado, en un potencial de referencia 55, por ejemplo, la masa. Asimismo, la salida de la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30, no conectada al medio 60, está puesta, igualmente, en el mismo potencial de referencia 55, la masa según el ejemplo.

En la práctica, para unas aplicaciones en el campo espacial, el potencial de referencia podrá ser el de la sonda espacial o del satélite sobre el que está montado el propulsor 100.

El medio 60 para gestionar la señal proporcionada por dicha fuente de tensión de radiofrecuencia 30 forma, por lo tanto, un medio 60 que permite transmitir la señal proporcionada por la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 en dirección, por una parte, de la o de cada bobina 40 y, por otra parte, del medio de extracción y de aceleración 50 de los iones y electrones fuera de la cámara 10.

La fuente 30 (RF - radiofrecuencias) está ajustada para definir una pulsación wrf tal que wp¡, < wrf < Wpe, donde:

)q2 n I & 2n

Mpe = j -^ es la pulsación de plasma de los electrones y la pulsación de plasma de los iones positivos; con:

e⁰, la carga del electrón,

£⁰, la permitividad del vacío,

nP, la densidad del plasma,

m, la masa de los iones y

me, la masa de los electrones.

Es conveniente señalar que wp¡ << Wpe por el hecho de que m¡ >> me.

De manera general, la frecuencia de la señal proporcionada por la fuente 30 puede estar comprendida entre algunos MHz y algunos cientos de MHz, en función del propergol empleado para la formación del plasma en la cámara 10 y esto, para estar comprendida entre la frecuencia de plasma de los iones y la frecuencia de plasma de los electrones. Una frecuencia de 13,56 MHz está, generalmente, bien adaptada, pero se pueden considerar, igualmente, las siguientes frecuencias: 1 MHz, 2 MHz o también 4 MHz.

La electroneutralidad del haz 70 está asegurada por la naturaleza capacitiva del sistema de extracción y de aceleración 50, ya que, por el hecho de la presencia del condensador 53, hay en promedio tantos iones positivos como electrones que se extraen en el transcurso del tiempo.

En este marco, la forma de la señal producida por la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 puede ser arbitraria. Sin embargo, se podrá prever que la señal proporcionada por la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 al electrodo 52 sea rectangular o sinusoidal.

El principio de funcionamiento para la extracción y la aceleración de las partículas cargadas del plasma (iones y electrones) con el primer modo de realización es el siguiente.

Por construcción, el electrodo 52 presenta una superficie superior y, generalmente, superior claramente, a la de la rejilla 51 situada en la salida de la cámara 10.

De manera general, la aplicación de una tensión de RF sobre un electrodo 52 que presenta una superficie mayor que la rejilla 51 tiene como efecto generar al nivel de la interfaz entre el electrodo 52 y el plasma, por una parte, y al nivel de la interfaz entre la rejilla 51 y el plasma, por otra parte, una diferencia de potencial adicional, que se añade a la diferencia de potencial de RF. Esta diferencia de potencial total se reparte sobre una vaina. La vaina es un espacio que se forma entre la rejilla 51 o el electrodo 52, por una parte, y el plasma, por otra parte, donde la densidad de iones positivos es más elevada que la densidad de electrones. Esta vaina presenta un espesor variable debido a la señal de RF, variable, aplicada al electrodo 52.

En la práctica, la mayor parte del efecto de la aplicación de una señal de RF sobre el electrodo 52 está, sin embargo, situada en la vaina de la rejilla 51 (el sistema de electrodo-rejilla puede verse como un condensador con dos paredes asimétricas, en este caso, la diferencia de potencial se aplica sobre la parte de capacitancia más escasa, por lo tanto, de superficie más escasa).

En presencia del condensador 53 en serie con la fuente de RF, 30, la aplicación de la señal de RF tiene como efecto convertir la tensión de RF en tensión constante de CC, debido a la carga del condensador 53, principalmente, al nivel de la vaina de la rejilla 51.

Esta tensión constante de CC en la vaina de la rejilla 51 implica que los iones positivos se extraen y aceleran constantemente (en continuo). En efecto, esta diferencia de potencial de CC tiene como efecto hacer positivo el potencial de plasma. En consecuencia, los iones positivos del plasma se aceleran constantemente en dirección de la rejilla 51 (en un potencial de referencia) y, por lo tanto, se extraen de la cámara 10 por esta rejilla 51. La energía de los iones positivos corresponde a esta diferencia de potencial de CC (energía promedio).

La variación de la tensión de RF permite hacer variar la diferencia de potencial de RF de CC entre el plasma y la rejilla 51. Al nivel de la vaina de la rejilla 51, esto se traduce por una evolución del espesor de esta vaina. Cuando este espesor se vuelve inferior a un valor crítico, lo que sucede durante un período de tiempo a intervalos regulares dados por la frecuencia de la señal de RF, la diferencia de potencial entre la rejilla 51 y el plasma se aproxima al valor cero (por lo tanto, el potencial de plasma se aproxima al potencial de referencia), lo que permite extraer unos electrones.

En la práctica, el potencial de plasma por debajo del que los electrones se pueden acelerar y extraer (= potencial crítico) está dado por la ley de Child, que une este potencial crítico al espesor crítico de la vaina por debajo del que esta vaina desaparece ("sheath collapse" según la terminología anglosajona, "colapso de la vaina").

En tanto en cuanto que el potencial de plasma es inferior al potencial crítico, entonces, hay una aceleración y una extracción simultánea de los electrones y de los iones.

De este modo, se puede obtener una buena electroneutralidad del haz 70 de iones positivos y de electrones en la salida de la cámara de plasma 10.

En la figura 2, se ha representado una variante de realización para el primer modo de realización representado en la figura 1.

Las mismas referencias designan los mismos componentes.

La diferencia entre el propulsor representado en la figura 2 con respecto al propulsor ilustrado en la figura 1 reside en el hecho de que el electrodo 52 alojado en el interior de la cámara 10 se suprime y que se añade una rejilla 52' al nivel del extremo E (salida) de la cámara 10.

En otros términos, el medio de extracción y de aceleración 50 de las partículas cargadas del plasma incluye un conjunto de al menos dos rejillas 51, 52' situadas en un extremo E (salida) de la cámara 10, estando una 51 al menos del conjunto de al menos dos rejillas 51, 52' conectada a la fuente de tensión de radiofrecuencia 30 por mediación del medio 60 para gestionar la señal proporcionada por dicha fuente de tensión de radiofrecuencia 30 y estando la otra 52' al menos del conjunto de al menos dos rejillas 51, 52' conectada a la fuente de tensión de radiofrecuencia 30, en serie, por mediación de un condensador 53 y del medio 60 para gestionar la señal proporcionada por dicha fuente de tensión de radiofrecuencia 30.

La conexión de la rejilla 52' a la fuente de tensión de radiofrecuencia 30 es, en la figura 2, idéntica a la conexión del electrodo 52 a esta fuente 30, en la figura 1.

Cada rejilla 51,52' podrá presentar unos orificios de formas diferentes, por ejemplo, circulares, cuadrados, rectángulos o en forma de rendijas, en concreto, de rendijas paralelas. En particular, en el caso de orificios circulares, el diámetro de un orificio podrá estar comprendido entre 0,2 mm y 10 mm, por ejemplo, entre 0,5 mm y 2 mm.

Por otro lado, la distancia entre las dos rejillas 52', 51 puede estar comprendida entre 0,2 mm y 10 mm, por ejemplo, entre 0,5 mm y 2 mm (la elección exacta depende de la tensión de CC y de la densidad del plasma).

En esta variante, el funcionamiento de la extracción y de la aceleración de los iones positivos y de los electrones es el siguiente.

Cuando se aplica una tensión de RF por mediación de la fuente 30, el condensador 53 se carga. La carga del condensador 53 produce, entonces, una tensión de CC continua en los terminales del condensador 53. Entonces, se obtiene, en los terminales del conjunto formado por la fuente 30 y el condensador 53, una tensión de RF de CC. La parte constante de la tensión de RF de CC, permite, entonces, definir un campo eléctrico entre las dos rejillas 52', 51, siendo el valor promedio de solo la señal de RF nulo. Por lo tanto, este valor de CC permite extraer y acelerar los iones positivos a través de las dos rejillas 51, 52', en continuo.

Por otro lado, cuando se aplica esta tensión de RF, el plasma sigue el potencial imprimido en la rejilla 52', que está en contacto con el plasma, a saber, de RF de CC. En cuanto a la otra rejilla 51 (potencial de referencia 55, por ejemplo, la masa), está en contacto, igualmente, con el plasma, pero solamente durante los breves intervalos temporales durante los que se extraen los electrones con los iones positivos, a saber, cuando la tensión de RF de CC es inferior a un valor crítico por debajo del que la vaina desaparece. Este valor crítico está definido por la ley de Child.

De este modo, se asegura la electroneutralidad del haz 70 en la salida de la cámara 10.

Por otro lado, es conveniente señalar que, para esta realización de la figura 2, la electroneutralidad del haz 70 de iones y de electrones se puede obtener al menos en parte por ajuste de la duración de aplicación de los potenciales positivos y/o negativos procedentes de la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30. Esta electroneutralidad del haz 70 de iones y de electrones se puede obtener, igualmente, al menos en parte por ajuste de la amplitud de los potenciales positivos y/o negativos procedentes de la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30.

El interés de esta variante es, con respecto al modo de realización ilustrado en la figura 1 y que implementa una rejilla 51 en el extremo E de la cámara 10 y un electrodo 52 alojado en la cámara de superficie mayor que la rejilla 51 que proporciona un mejor control de la trayectoria de los iones positivos. Esto está relacionado con el hecho de que se genera una diferencia de potencial de ^{C c} (continua) entre las dos rejillas 52', 51, bajo la acción de la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 y del condensador 53 en serie y no al nivel de la vaina entre el plasma y la rejilla 51 (véase anteriormente) en el caso del primer modo de realización de la figura 1.

Por este hecho, con la variante de realización representada en la figura 2, se asegura que pasen muchos más iones positivos a través de los orificios de la rejilla 52', sin tocar la pared de esta rejilla 52', con referencia a lo que pasa en el caso del primer modo de realización ilustrado en la figura 1.

Por lo demás, los iones positivos que pasan por los orificios de la rejilla 52' ya no llegan a tocar la pared de la rejilla 51 que no está visible, del punto de vista de estos iones, más que a través de los orificios de la rejilla 52'. En consecuencia, la vida útil de las rejillas 52', 51 según esta variante de realización se mejora con respecto a la de la rejilla 51 del primer modo de realización de la figura 1.

Por lo tanto, se mejora la vida útil resultante del propulsor 100.

Por último, la eficacia se mejora, ya que los iones positivos pueden ser enfocados por el conjunto de al menos dos rejillas 51,52', siendo el flujo de especies neutras, por su parte, reducido, por el hecho de que aumenta la transparencia a estas especies neutrales.

La figura 3 representa otra variante del primer modo de realización de la figura 1, para la que está conectada la rejilla 51, por sus dos extremos a la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30.

Todo el resto es idéntico y funciona de la misma forma.

La figura 4 representa una variante de realización para la variante representada en la figura 2, para la que está conectada la rejilla 51, por sus dos extremos, a la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia.

Todo el resto es idéntico y funciona de la misma forma.

Las variantes ilustradas en las figuras 3 y 4 no implican, por lo tanto, la implementación de un potencial de referencia para la rejilla 51. En el campo espacial, una conexión de este tipo asegura una ausencia de corrientes parásitas que circulan entre, por una parte, las partes conductoras externas de la sonda espacial o del satélite sobre el que está montado el propulsor 100 y, por otra parte, el medio de extracción y de aceleración 50 de las partículas cargadas propiamente dicho.

La figura 5 representa un segundo modo de realización de un propulsor iónico según la invención.

Se trata de una alternativa para el primer modo de realización representado en la figura 1 y para la que está prevista una primera fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 para gestionar la extracción y la aceleración de las partículas cargadas del plasma fuera de la cámara 10 y una segunda fuente de tensión alterna 30', distinta de la primera fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30.

El resto es idéntico y funciona de la misma forma.

En este caso, el medio 60 para gestionar la señal proporcionada por una única fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 tal como se propone con el apoyo de las figuras 1 a 4 ya no presenta un interés.

Esta alternativa permite tener más flexibilidad.

En efecto, si la fuente 30 utilizada para la extracción y la aceleración de las partículas cargadas fuera del plasma permanece como una fuente de tensión alterna de radiofrecuencia cuya frecuencia está comprendida entre la frecuencia de plasma de los iones y la frecuencia de plasma de los electrones, la fuente 30' puede generar una señal diferente.

Por ejemplo, la fuente 30' puede generar una señal de tensión alterna de radiofrecuencia, asociada a una o varias bobina(s) 40 para calentar la envoltura 21 del depósito conductor 20 (realizado de un material metálico, por ejemplo), evaporar el propergol sólido, luego, generar un plasma en la cámara 10, cuya frecuencia es diferente de la de la frecuencia de funcionamiento de la fuente 30. La frecuencia de funcionamiento de la fuente 30' puede ser, en concreto, superior a la de la frecuencia de funcionamiento de la fuente 30.

Según otro ejemplo, la fuente 30' puede generar una señal de tensión alterna en unas frecuencias correspondientes a las microondas, asociada a una o varias antena(s) de microondas 40.

La figura 6 representa una variante para el segundo modo de realización representado en la figura 5.

La diferencia entre el propulsor 100 representado en la figura 5 y el que se ilustra en la figura 1 reside en el hecho de que el electrodo 52 alojado en el interior de la cámara 10 se suprime y que se añade una rejilla 52' al nivel del extremo E (salida) de la cámara 10.

El resto es idéntico y funciona de la misma forma.

En otros términos, la diferencia entre la variante representada en la figura 6 y el segundo modo de realización de la figura 5 es la misma que la que se ha presentado anteriormente entre la variante representada en la figura 2 y el primer modo de realización de la figura 1.

La figura 7 representa otra variante del segundo modo de realización de la figura 5, para la que la rejilla 51 está conectada a la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30.

Todo el resto es idéntico y funciona de la misma forma.

La figura 8 representa una variante de realización para la variante representada en la figura 6, para la que la rejilla 51 está conectada a la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30.

Todo el resto es idéntico y funciona de la misma forma.

Las variantes ilustradas en las figuras 7 y 8 no implican, por lo tanto, la implementación de un potencial de referencia 55 para la rejilla 51. Como se ha explicado anteriormente, en el campo espacial, una conexión de este tipo asegura una ausencia de corrientes parásitas que circulan entre, por una parte, las partes conductoras externas de la sonda espacial o del satélite sobre el que está montado el propulsor 100 y, por otra parte, el medio de extracción y de aceleración 50 de las partículas cargadas propiamente dicho.

La figura 9 representa una variante de realización para el propulsor 100 ilustrado en la figura 8.

Esta variante de realización difiere de la que se representa en la figura 8 por el hecho de que el depósito 20 comprende dos estadios E1, E2 de inyección de propergol en el estado de gas hacia la cámara de plasma 10.

En efecto, en la figura 8 y, por otro lado, en el conjunto de las figuras 1 a 7, el depósito 20 comprende una envoltura 21 cuya una pared está provista de uno o varios orificio(s) 22, que definen, por este hecho, un depósito con un único estadio.

Al contrario, en la variante representada en la figura 9, el depósito incluye, además, una membrana 22' que incluye al menos un orificio 22'' y que separa el depósito en dos estadios E1, E2. Más precisamente, el depósito 20 incluye una membrana 22' situada entre el propergol sólido PS y la envoltura 21 provista de al menos un orificio 22, incluyendo dicha membrana 22' al menos un orificio 22'', siendo la superficie del o de cada orificio 22'' de la membrana 22' mayor que la superficie del o de cada orificio 22 de la envoltura 21 del depósito 20.

Esta variante presenta un interés cuando, teniendo en cuenta el dimensionamiento del o de cada orificio 22 sobre la envoltura 21 del depósito 20 para obtener, en concreto, la presión de funcionamiento deseada P2 en la cámara de plasma 10, se termina por definir unos orificios demasiado pequeños. Entonces, estos orificios pueden no ser técnicamente realizables. Estos orificios también pueden, aunque técnicamente realizables, demasiado pequeños para asegurarse que el polvo de propergol sólido y, más generalmente, unas impurezas, no bloqueen los orificios 22 en el transcurso de utilización.

En este caso, el o cada orificio 22'' de la membrana 22' se dimensiona de modo que sea mayor que el o cada orificio 22 realizado sobre la envoltura 21 del depósito 20, permaneciendo el o cada orificio 22 dimensionado para obtener la presión de funcionamiento deseada P2 en la cámara de plasma 10.

Por supuesto, se puede considerar un depósito 20 de doble estadio para el conjunto de las realizaciones descritas con el apoyo de las figuras 1 a 7.

La figura 10 representa un tercer modo de realización de un propulsor iónico según la invención.

Esta figura se presenta como una variante para la realización de la figura 8 (rejillas 52' y 51' ambas dos unidas a la fuente de tensión). Sin embargo, se aplica, igualmente, en calidad de variante para la figura 6 (rejilla 52' unida a la fuente y rejilla 51 unida a la masa), para la figura 7 (electrodo 52 y rejilla 51 ambos dos unidos a la fuente de tensión), para la figura 5 (electrodo 52 unido a la fuente y rejilla 51 unida a la masa) y para la figura 9.

El propulsor 100 presentado, en el presente documento, permite formar un haz 70' de iones positivos en la salida de la cámara de plasma 10. Para ello, la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30 se reemplaza por una fuente de tensión continua (de CC) 30''. Con el fin de asegurar la electroneutralidad del haz 70', se inyectan unos electrones en el haz 70' por un dispositivo externo 80, 81 a la cámara 10. Este dispositivo comprende una fuente de potencia 80 que alimenta un generador de electrones 81. El haz de electrones 70'' que sale del generador de electrones 81 se dirige hacia el haz 70' de iones positivos para asegurar la electroneutralidad.

Las figuras 11 y 12 representan un diseño que se puede considerar para una cámara de plasma 10 y su entorno para un propulsor 100 de acuerdo con las realizaciones de la figura 1, de la figura 3, de la figura 5 o de la figura 7.

En estas figuras, se reconoce la cámara de plasma 10, el depósito 20 con su envoltura 21 y los orificios 22. El depósito 20 sirve, igualmente, como electrodo 52. En el caso que nos ocupa, se han representado tres orificios 22, repartidos uniformemente alrededor del eje de simetría AX del depósito 20. La envoltura 21 está realizada de un material conductor, por ejemplo, metálico (Aluminio, Zinc o un material metálico recubierto por oro, por ejemplo) o de una aleación metálica (acero inoxidable o latón, por ejemplo). Por este hecho, unas corrientes de Foucault y, como continuación, un efecto Joule se pueden producir en la envoltura 21 del depósito 20 bajo la acción de la fuente de tensión alterna 30, 30' y de la bobina 40 o, según el caso, de la antena de microondas 40. La transmisión del calor entre la envoltura 21 del depósito 20 y el propergol sólido PS puede efectuarse por conducción térmica y/o radiación térmica.

La cámara 10 está encerrada entre dos anillos 201, 202, montados juntos por mediación de varillas 202, 204, 205 que se extienden a lo largo de la cámara 10 (eje longitudinal AX). La cámara 10 está realizada de un material dieléctrico, por ejemplo, de cerámica. La fijación de los anillos y de las varillas se puede efectuar por unos pernos/tuercas (no representados). Los anillos pueden estar realizados de un material metálico, por ejemplo, aluminio. En cuanto a las varillas, por ejemplo, están realizadas de cerámica o de un material metálico.

El conjunto formado de este modo por los anillos 201,203 y las varillas 202, 204, 205 permite la fijación de la cámara 10 y de su entorno, por mediación de piezas adicionales 207, 207', que toman a modo de sándwich uno 203 de los anillos, sobre un sistema (no representado en las figuras 11 y 12) destinado a acomodar el propulsor, por ejemplo, un satélite o una sonda espacial.

Ejemplo de dimensionamiento.

Se ha probado un propulsor iónico 100 de acuerdo con el representado en la figura 1.

La cámara de plasma 10 y su entorno están de acuerdo con lo que se ha descrito con el apoyo de las figuras 11 y 12. Los materiales se han elegido para una temperatura máxima aceptable de 300 °C.

El propergol sólido PS utilizado es diyodo (I², masa seca de aproximadamente 50 g).

Se han previsto varios orificios 22 sobre la envoltura conductora 21 del depósito 20 para hacer pasar el gas de diyodo desde el depósito 20 hacia la cámara de plasma 10 (depósito 20 de estadio único).

Se ha fijado una temperatura de referencia T1 para el depósito 20 a 60 °C. Esto se puede obtener con una potencia de 10 W al nivel de la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia 30. La frecuencia de la señal proporcionada por la fuente 30 se elige para estar entre la frecuencia de plasma de los iones y la frecuencia de plasma de los electrones, en este caso concreto, 13,56 MHz.

La presión P1 del gas de diyodo en el depósito 20 se conoce, entonces, por la figura 13 (caso del I²; véase la fórmula correspondiente F1), proporcionando esta el vínculo entre P1 y T1. En el caso que nos ocupa, P1 es de 10 Torr (aproximadamente 1.330 Pa).

Para obtener una eficacia óptima, la presión P2 en la cámara 10 debe estar comprendida, entonces, entre 7 Pa y 15 Pa con un caudal másico m' de gas de diyodo inferior a 15 sccm (=1,8.10-6 kg.s'1) entre el depósito 20 y la cámara 10.

Entonces, se puede estimar que el diámetro del orificio (circular) equivalente es de aproximadamente 50 micras. Cuando el orificio es único, presentará, por lo tanto, un diámetro de 50 micras. Cuando están previstos varios orificios, lo que es el caso en la prueba efectuada, entonces, es conveniente determinar la superficie de este orificio y repartir esta superficie sobre varios orificios, con el fin de obtener el diámetro de cada uno de los orificios, que será ventajosamente el mismo.

No obstante, con el fin de dar algunos elementos de dimensionamiento suplementarios correspondientes a los valores numéricos proporcionados más arriba, se pueden señalar los siguientes puntos, en el caso de un orificio 22 de superficie A.

El caudal volumétrico a través del orificio 22 se puede estimar por la relación:

Q = 7 4 A(pi - p2) (R1)

donde:

P¹es la presión en el depósito 20;

P²es la presión en la cámara 10; y

v es la velocidad promedio de las moléculas de gas de diyodo, determinada por la relación:

donde:

T¹es la temperatura en el depósito 20;

k es la constante de Boltzmann (k ~ 1,3810'23 J K'1); y

m es la masa de una molécula del gas de diodo (m(¡²) ~ 4,25 10'25 kg).

El caudal másico m' de gas de diyodo a través del orificio 22 se obtiene, entonces, por la relación:

m '[kg/ s] ^MQ

_RT1 (R3)

donde:

M es la masa molar del diodo (para I², M ~ 254 u); y

R es la constante molar de los gases (R ~ 8,31 J/mol K).

Combinando las relaciones (R1) y (R3), se deduce de ello la superficie A del orificio 22 por la relación:

Entonces, se dimensiona el orificio 22.

Como se puede constatar esto en la relación (R4), la temperatura T²en la cámara de plasma 10 no interviene. Podría obtenerse una modelización más precisa tomando en cuenta esta temperatura T². Para unos datos más generales sobre este dimensionamiento, se podrá hacer referencia a: A User Guide To Vacuum Technology, tercera ed., Johan F. O'Hanlon (John Wiley y Sons Inc., 2003).

Una vez que se dimensiona la superficie A del orificio 22, el caudal másico m'fuga (kg/s) de fuga de gas de diyodo cuando el propulsor 100 está en parada puede determinarse por la relación:

m'fuga[ k 9 / s ] * ^ (R5)

donde:

To es la temperatura del propulsor 100 en parada;

Po es la presión del gas en el depósito 20 cuando el propulsor está en parada, estando esta presión proporcionada por la fórmula F1 (véase figura 13) a la temperatura To; y

vo se obtiene utilizando la relación (R2) sustituyendo Ti por To.

Fin del ejemplo.

Es conveniente señalar que el posicionamiento del o de cada orificio, representado en las figuras adjuntas sobre una cara de la envoltura del depósito 20 que mira a la cámara de plasma 10 podría ser diferente. En particular, se puede considerar perfectamente disponer el o cada orificio sobre la cara opuesta del depósito 20.

Por último, el propulsor 100 según la invención se puede utilizar, en particular, para un satélite S o una sonda espacial SE.

De este modo, la figura 14 representa, de forma esquemática, un satélite S que comprende un propulsor 100 según la invención y una fuente de energía FE, por ejemplo, una batería o un panel solar, conectada a la o cada fuente de tensión continua 30" o alterna 30, 30' (de radiofrecuencia o de microondas, según el caso) del propulsor 100.

En cuanto a la figura 15, representa de forma esquemática, una sonda espacial SE que comprende un propulsor 100 según la invención y una fuente de energía FE, por ejemplo, una batería o un panel solar, conectada a la o cada fuente de tensión continua 30" o alterna 30, 30' (de radiofrecuencia o de microondas, según el caso) del propulsor 100.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Propulsor iónico (100), que comprende:

- una cámara (10),

- un depósito (20) que comprende un agente de propulsión sólido (PS), incluyendo dicho depósito una envoltura conductora (21) provista de al menos un orificio (22);

- un conjunto de medios (30, 30', 40) para formar un plasma de iones-electrones en la cámara (10), siendo dicho conjunto adecuado para sublimar el agente de propulsión sólido en el depósito (20) para formar un agente de propulsión en el estado de gas, luego, para generar dicho plasma en la cámara (10) a partir del agente de propulsión en el estado de gas que proviene del depósito (20) a través de dicho al menos orificio (22);

- un medio de extracción y de aceleración (50) de al menos los iones del plasma fuera de la cámara (10), comprendiendo dicho medio de extracción y de aceleración (50):

• ya sea un electrodo (52) alojado en la cámara (10) a la que está asociada una rejilla (51) situada en un extremo (E) de la cámara (10), presentando dicho electrodo (52) una superficie más importante que la superficie de la rejilla (51),

• ya sea un conjunto de al menos dos rejillas (52', 51) situadas en un extremo (E) de la cámara (10);

- una fuente de tensión continua (30") o una fuente de tensión alterna de radiofrecuencia (30) dispuesta en serie con un condensador (53) y adaptada para generar una señal cuya radiofrecuencia está comprendida entre la frecuencia de plasma de los iones y la frecuencia de plasma de los electrones, estando dicha fuente de tensión continua (30") o alterna de radiofrecuencia conectada, por una de sus salidas, al medio de extracción y de aceleración (50) de al menos los iones del plasma fuera de la cámara (10) y, más precisamente:

• ya sea al electrodo (52),

• ya sea a una (52') de las rejillas de dicho conjunto de al menos dos rejillas (51, 52'),

estando la rejilla (51) asociada al electrodo (52) o, según el caso, la otra rejilla (51) de dicho conjunto de al menos dos rejillas (52', 51) ya sea puesta en un potencial de referencia (55), ya sea conectada a la otra de las salidas de dicha fuente de tensión alterna de radiofrecuencia (30);

permitiendo dicho medio de extracción y de aceleración (50) y dicha fuente de tensión continua o alterna de radiofrecuencia (30, 30") formar, en la salida de la cámara (10), un haz (70, 70') que incluye al menos unos iones; caracterizado por que dicho depósito (20) está alojado en la cámara (10).

2. Propulsor (100) según la reivindicación 1, en el que:

• la fuente de tensión conectada al medio de extracción y de aceleración (50) es una fuente de tensión alterna de radiofrecuencia (30),

• el conjunto de medios (30, 40) para formar el plasma de iones-electrones comprende al menos una bobina (40) alimentada por esta misma fuente de tensión alterna de radiofrecuencia (30) por mediación de un medio (60) para gestionar la señal proporcionada por dicha fuente de tensión de radiofrecuencia (30) en dirección, por una parte, de dicha al menos una bobina (40) y, por otra parte, del medio de extracción y de aceleración (50) para formar un haz (70) de iones y de electrones en la salida de la cámara (10).

3. Propulsor (100) según la reivindicación 1, en el que el conjunto de medios (30, 40, 30') para formar el plasma de iones -electrones comprende:

• al menos una bobina (40) alimentada por una fuente de tensión alterna de radiofrecuencia (30') diferente de la fuente de tensión continua (30") o alterna de radiofrecuencia (30) conectada al medio de extracción y de aceleración (50); o

• al menos una antena de microondas (40) alimentada por una fuente de tensión alterna de microondas (30').

4. Propulsor (100) según la reivindicación anterior, en el que la fuente de tensión conectada al medio de extracción y de aceleración (50) es una fuente de tensión alterna de radiofrecuencia (30), para formar, en la salida de la cámara (10), un haz (70) de iones y de electrones.

5. Propulsor (100) según una de las reivindicaciones 2 o 4, en el que, cuando el medio de extracción y de aceleración (50) es un conjunto de al menos dos rejillas (52', 51) situadas en un extremo (E) de la cámara (10), la electroneutralidad del haz (70) de iones y de electrones se obtiene al menos en parte por ajuste de la duración de aplicación de los potenciales positivos y/o negativos procedentes de la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia (30) conectada al medio de extracción y de aceleración (50).

6. Propulsor (100) según una de las reivindicaciones 2 o 4, en el que, cuando el medio de extracción y de aceleración (50) es un conjunto de al menos dos rejillas (52', 51) situadas en un extremo (E) de la cámara (10), la electroneutralidad del haz (70) de iones y de electrones se obtiene al menos en parte por ajuste de la amplitud de los potenciales positivos y/o negativos procedentes de la fuente de tensión alterna de radiofrecuencia (30) conectada al medio de extracción y de aceleración (50).

7. Propulsor (100) según la reivindicación 3, en el que la fuente de tensión conectada al medio de extracción y de aceleración (50) es una fuente de tensión continua (30"), para formar, en la salida de la cámara (10), un haz (70') de iones, comprendiendo el propulsor (100), además, unos medios (80, 81) para inyectar unos electrones en dicho haz (70') de iones, con el fin de asegurar una electroneutralidad.

8. Propulsor (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el depósito (20) incluye una membrana (22') situada entre el agente de propulsión sólido (PS) y la envoltura (21) provista de al menos un orificio (22), incluyendo dicha membrana (22') al menos un orificio (22"), siendo la superficie del o de cada orificio (22") de la membrana (22') mayor que la superficie del o de cada orificio (22) de la envoltura (21) del depósito (20).

9. Propulsor (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la o cada rejilla (51, 52') presenta unos orificios cuya forma se elige de entre las siguientes formas: circulares, cuadrados, rectángulos o en formas de rendijas, en concreto, de rendijas paralelas.

10. Propulsor (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la o cada rejilla (51, 52') presenta unos orificios circulares, cuyo diámetro está comprendido entre 0,2 mm y 10 mm, por ejemplo, entre 0,5 mm y 2 mm.

11. Propulsor (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que, cuando el medio de extracción y de aceleración (50) fuera de la cámara (10) comprende un conjunto de al menos dos rejillas (52', 51) situadas en el extremo (E) de la cámara (10), la distancia entre las dos rejillas (52', 51) está comprendida entre 0,2 mm y 10 mm, por ejemplo, entre 0,5 mm y 2 mm.

12. Propulsor (10) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el agente de propulsión sólido (PS) se elige de entre: el diyodo, el diyodo mezclado con otros componentes químicos, el ferroceno, el adamantano o el arsénico.

13. Satélite (S) que comprende un propulsor (100) según una de las reivindicaciones anteriores y una fuente de energía (FE), por ejemplo, una batería o un panel solar, conectada a la o cada fuente de tensión continua (30") o alterna (30, 30') del propulsor (100).

14. Sonda espacial (SE) que comprende un propulsor (100) según una de las reivindicaciones 1 a 12 y una fuente de energía (FE), por ejemplo, una batería o un panel solar, conectada a la o cada fuente de tensión continua (30") o alterna (30, 30') del propulsor (100).