FR2643421A1 - Procede et ensemble de commande d'amorcage d'un arc dans un reacteur a arc de propulsion - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne l'amorçage de l'arc dans un réacteur à arc de propulsion. Elle se rapporte à un ensemble de commande dans lequel une électrovanne 46, lorsqu'elle a été ouverte pour permettre l'écoulement d'un propergol dans un générateur de gaz 52 et dans le réacteur à arc 10, est temporairement fermée sous la commande d'un circuit de pilotage 48 afin que la pression du propergol soit réduite temporairement et permettre l'amorçage de l'arc puis son déplacement vers l'aval de la tuyère du réacteur 10, sans provoquer d'érosion de la paroi de la tuyère. Application à l'amorçage des réacteurs à arc des vaisseaux spatiaux.
Description
La présente invention concerne de petits ensembles
de propulsion destinés & la manoeuvre des vaisseaux spa-
tiaux, et elle concerne plus précisément un réacteur à arc de propulsion ayant un ensemble de commande de mise en fonctionnement et un procédé permettant l'amorçage de l'arc
sans érosion.
On sait déjà qu'un réacteur à arc formant propulseur d'appoint transforme de l'énergie électrique en énergie
thermique par transfert de chaleur d'une décharge disrup-
tive (arc) à un courant de propergol, et l'énergie ther-
mique en énergie cinétique dirigée par dilatation du propergol chauffé dans une tuyère. On peut consulter, pour
la description d'une perspective historique de la construc-
tion et du fonctionnement de tels réacteurs à arc de pro-
pulsion et des problèmes posés par ce type de propulsion électrothermique, les publications suivantes: "Arcjet Thruster for Space Propulsion" de L. E. Wallner et J. Czika, Jr., NASA Tech Note D-2868, juin 1965; "The Arc Heated Thermal Jet Engine" de F.G. Penzig, AD 671501, Hollomen Air Force Base, mars 1966; et "Physics of Electric Propulsion" de R.G. Jahn, McGrawHill Book Company, 1968. On peut aussi
consulter le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 548 033.
La plupart des réacteurs à arc de propulsion ont, comme caractéristiques communes, une anode sous forme d'un
corps de tuyère et une cathode sous forme d'une tige cylin-
drique ayant un bout conique. Le corps de tuyère a une
chambre de décharge disruptive délimitée-par un rétrécis-
sement formé dans une partie amont du corps, et une tuyère placée dans une partie aval. La tige de cathode est alignée sur l'axe longitudinal du corps de tuyère, son bout conique pénétrant à l'extrémité amont de la chambre de décharge à
distance du rétrécissement afin qu'un écartement soit déli-
mité entre les électrodes.
Bien que les réacteurs à arc de propulsion de cette configuration générale aient été mis au point depuis le début des années 1960, ils ont présenté des très grandes
difficultés pour leur mise en fonctionnement et ont présen-
2. té des vitesses d'érosion extrêmement élevées lors de la mise en fonctionnement. L'érosion de l'anode du corps de tuyère est due au déplacement initial du -pied de l'arc aux deux extrémités de l'espace séparant les électrodes et vers l'aval, le long du rétrécissement du corps de la tuyère.
Comme l'utilisation en vol de tels réacteurs & arc de pro-
pulsion nécessite une remise en fonctionnement des cen-
taines de fois, l'érosion à l'amorçage peut facilement réduire le nombre de cycles de fonctionnement qu'on peut
attendre d'un tel propulseur.
Jusqu'à présent, l'amorçage du réacteur à arc a été réalisé par plusieurs procédés différents. Dans un premier
procédé, une tension continue extrêmement élevée est appli-
quée entre l'anode et la cathode. Dans un autre procédé, un
signal sous forme d'une tension alternative à haute fré-
quence est utilisé pour l'amorçage de l'arc. Dans un autre procédé, une électrode secondaire est utilisée pour la
formation d'un petit arc initial qui induit alors la forma-
tion de l'arc principal. Cependant, aucun de ces procédés n'a donné particulièrement satisfaction car le courant de propergol gazeux n'est pas réglé d'une manière qui réduit
l'érosion de l'anode au minimum.
En conséquence, un nouveau procédé d'amorçage d'un réacteur à arc de propulsion, tenant compte de tous ces facteurs qui provoquent une érosion de l'anode lors de
l'amorçage, est très souhaitable.
L'invention concerne un ensemble et un procédé de commande d'amorçage d'un réacteur à arc, ne provoquant pas d'érosion et possédant les propriétés précitées. L'ensemble et le procédé de commande d'ramorçage selon l'invention
reposent sur la reconnaissance du fait que le degré d'éro-
sion du corps de la tuyère formant l'anode est au moins déterminé en partie par le procédé utilisé pour le réglage de la combinaison initiale du potentiel d'électrode dans l'espace séparant les électrodes et de la pression du gaz propulseur dans la chambre de décharge. Selon l'invention, le degré d'érosion est réduit lors de l'amorçage du réacteur à arc par transmission d'une impulsion de gaz à faible pression dans la chambre de décharge du réacteur, obtenu par réglage précis d'une électrovanne montée dans la canalisation du propergol, et par application simultanée d'un potentiel d'électrode sous forme d'une tension conti-
nue dans l'espace séparant la cathode de l'anode.
Ainsi, l'invention concerne un ensemble de réglage d'amorçage d'un réacteur à arc, ne provoquant pas d'érosion et travaillant en combinaison avec un réacteur à arc de
propulsion ayant une anode, une cathode et un espace déli-
mité entre elles. L'ensemble de réglage d'amorçage destiné à former un arc pratiquement sans érosion dans l'espace
séparant les électrodes comporte (a) un dispositif d'ali-
mentation en propergol qui forme un trajet d'alimentation
destiné à transmettre un propergol à une pression prédéter-
minée dans le propulseur, au niveau de l'espace séparant les électrodes, (b) un dispositif de réglage d'alimentation
destiné à créer, entre l'anode et la cathode, une diffé-
rence de potentiel électrique d'amplitude prédéterminée inférieure à celle qui est nécessaire à la création d'un arc électrique dans le propulseur entre les électrodes et
dans le propergol à la pression prédéterminée de circula-
tion, (c) un dispositif d'obturation placé sur le trajet du dispositif d'alimentation en propergol et destiné à être commandé entre les positions d'ouverture et de fermeture de manière qu'il permette ou empêche l'écoulement du propergol dans le propulseur, au niveau de l'espace séparant les électrodes, et (d) un dispositif de pilotage d'obturateur relié électriquement au dispositif d'obturation et destiné à commander le dispositif d'obturation entre ses positions d'ouverture et de fermeture afin qu'un arc ne provoquant
pratiquement pas d'érosion puisse être formé dans le pro-
pulseur dans l'espace séparant les électrodes. En particu-
lier, le dispositif d'obturation est une électrovanne.
En outre, l'invention concerne un procédé de réglage d'amorçage sans érosion d'un réacteur à arc de propulsion, comprenant les étapes suivantes: (a) l'écoulement d'un propergol à une pression prédéterminée dans le propulseur, dans l'espace séparant les électrodes, (b) l'application, entre l'anode et la cathode du propulseur, d'une différence de potentiel électrique d'amplitude prédéterminée qui est inférieure à celle qui est nécessaire pour la création d'un arc électrique dans l'espace séparant les électrodes, dans le propergol, à la pression prédéterminée d'écoulement, {c)
l'interdiction de l'écoulement du propergol dans le propul-
seur dans ledit espace et la réduction de la pression du propergol dans le propulseur au-dessous d'une pression prédéterminée afin qu'un arc électrique soit alors créé dans le propulseur, dans l'espace séparant les électrodes, et (d) l'écoulement à nouveau du propergol à la pression prédéterminée, dans le propulseur, dans l'espace séparant les électrodes, et le déplacement forcé de l'arc électrique en aval afin que l'érosion du propulseur soit réduite au minimum. Plus précisément, dans les étapes (a) et (d), l'écoulement du propergol à la pression prédéterminée dans le propulseur et dans ledit espace est permis par manoeuvre de l'électrovanne placée dans le trajet d'alimentation en propergol afin qu'elle prenne sa position d'ouverture. En outre, dans l'étape (c), l'écoulement du propergol à la pression prédéterminée dans le propulseur et dans ledit espace est empêché par commande de l'électrovanne placée dans le trajet d'alimentation en propergol afin qu'elle soit en position fermée, mais seulement pendant une courte période. En outre, les étapes (b) et (c) sont exécutées de
manière pratiquement simultanée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-
tion seront mieux compris à la lecture de la description
qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe axiale schématique de la tige formant la cathode et du corps de tuyère formant l'anode d'un exemple de réacteur à arc de propulsion;
la figure 2 est un graphique représentant la rela-
tion de Paschen entre le potentiel d'amorçage ou tension de
claquage dans un espace séparant les électrodes et le pro-
duit de l'écartement des électrodes par la pression du gaz; la figure 3 est un diagramme synoptique d'un en-
semble de réglage d'amorçage d'un réacteur à arc de propul-
sion sans érosion, selon l'invention; et
la figure 4 est un graphique représentant la rela-
tion de synchronisation entre l'application d'une diffé-
rence de potentiel de régime permanent entre les électrodes et la formation d'une impulsion de la pression d'écoulement du gaz dans la chambre de décharge, utilisée par le procédé
et le système d'amorçage d'un réacteur à arc selon l'inven-
tion, afin que l'amorçage de l'arc ne provoque pas
d'érosion.
On se réfère maintenant aux dessins et en particu-
lier à la figure 1 qui représente un exemple de réacteur à arc de propulsion portant la référence générale 10. De manière connue, le réacteur à arc 10 de propulsion comporte essentiellement une anode 12 sous forme d'un corps de tuyère et une cathode 14 sous forme d'une tige cylindrique allongée ayant un bout conique 16. Le corps 12 de l'anode a une chambre 18 de décharge délimitée par un rétrécissement formé dans une partie du corps tournée vers l'arrière et une tuyère 22 dans une partie avant. La tige 14 de la cathode est alignée sur l'axe longitudinal A du corps 12 de l'anode, le bout 16 pénétrant à l'extrémité amont de la chambre 18 de décharge, à distance du rétrécissement 20, afin qu'un espace, entrefer ou écartement 24 soit délimité
entre les électrodes.
Une différence de potentiel électrique est établie entre le corps 12 de l'anode et la tige 14 de la cathode de
manière connue afin que la création d'un arc 26-soit provo-
quée dans l'espace 24. L'arc 26 est d'abord amorcé entre le bout 16 de la tige 14 de la cathode et le point le plus
proche 28 du corps 12 de l'anode a l'entrée du rétrécisse-
ment 20. Comme représenté par la flèche 30 et par les posi-
tions successives de l'arc indiquées sur la figure 1, l'arc
26 est repoussé en aval le long de la surface 32 du rétré-
cissement 20 par le courant de propergol sous pression comme indiqué par la flèche 34, dans l'espace 24 et au-delà de celui-ci, dans le rétrécissement 20 et à l'extérieur de la tuyère 22 du propulseur 10. L'arc 26 se stabilise à la surface 36 de la tuyère 22 du corps 12 de l'anode. La période de transition, correspondant au moment o l'arc 26 se déplace du point d'entrée 28 formé sur le rétrécissement 20 à un point de sortie 38 de celui-ci, peut provoquer une érosion du matériau, limitant la durée d'utilisation, à cause du chauffage localisé de la surface aux points de
fixation de l'arc.
On note, par observation d'un exemple de relation de Paschen indiqué par le graphique de la figure 2, que, pour l'amorçage du réacteur à arc 10, une combinaison convenable d'amplitude de la différence de potentiel représentée par la tension des électrodes et de la pression du courant de propergol gazeux doit être établie afin qu'une tension de claquage soit atteinte et que l'arc 26 soit amorcé pour une dimension donnée de l'espace 24 compris entre l'anode 12 et la cathode 14 du propulseur 10. En d'autres termes, pour un produit déterminé (P) de l'écartement des électrodes et de la pression du gaz, il existe une tension correspondante de
claquage (V).
Dans le cas d'un réacteur classique à arc 10 de propulsion, une tension de claquage supérieure à 1 200 V en
courant continu est nécessaire pour les écartements habi-
tuels d'électrodes et les pressions de régime permanent du courant de gaz. Cependant, une telle tension peut être prohibitive dans le cas de l'intégration à- un vaisseau
spatial et de l'unité de réglage d'alimentation du réac-
teur. L'érosion de l'anode peut être réduite par réduction du temps pendant lequel l'arc 26 présente la transition du
point d'entrée 28 au point de sortie 38 sur le rétrécisse-
ment 20. Dans un cas idéal, ceci se produit par utilisation initiale des forces dynamiques maximales du' gaz produites
dans les conditions d'écoulement en régime permanent.
Cependant, les restrictions de tension élevée décrites
précédemment peuvent empêcher ce comportement.
Selon l'invention, on a maintenant mis au point une technique grace à laquelle un dispositif d'obturation est utilisé afin qu'il assure un amorçage sans érosion par
modulation de la pression du gaz. En particulier, le dispo-
sitif d'obturation est fermé par impulsions afin qu'il réduise temporairement la pression du gaz, et nécessite une
plus faible tension de claquage, avec cependant conserva-
tion du temps de transition de l'arc à une faible valeur
afin que l'érosion de l'anode soit minimale. Cette tech-
nique, rapidement citée précédemment, est mise en oeuvre dans un système de commande d'amorçage d'un réacteur à arc
sans érosion, portant la référence générale 40 et représen-
té sous forme de diagramme synoptique sur la figure 3. Les principaux éléments de l'ensemble 40 de commande d'amorçage sont représentés sous forme de rectangles car ils sont bien connus dans la technique sous forme individuelle, et leur représentation en détail ne ferait qu'accroître la
complexité de la description du système utilisé pour la
commande d'amorçage du réacteur à arc 10, sans que la
clarté de la compréhension ne soit favorisée.
L'ensemble 40 de commande d'amorçage comporte, comme principaux éléments, une alimentation 42 en propergol, un
ensemble 44 de commande d'alimentation, un dispositif d'ob-
turation, de préférence sous forme d'une électrovanne 46, et un circuit 48 de pilotage d'électrovanne. Un conduit 50 d'alimentation est relié à l'alimentation 42 en propergol et forme un trajet d'alimentation qui transmet du propergol sous pression au propulseur 10 dans lequel il s'écoule dans
l'espace 24 séparant les électrodes et dans le rétrécisse-
ment 20, à l'extrémité amont de la chambre de décharge 18.
Dans le cas d'un réacteur à arc de propulsion à monergol,
utilisant par exemple de l'hydrazine, un générateur cataly-
tique 52 de gaz est placé dans le trajet d'alimentation,
par une connexion placée dans le conduit 50 entre l'alimen-
tation 42 et le propulseur 10. Ainsi, le propergol liquide passe d'abord dans le générateur 52 de gaz dans lequel il se décompose de manière connue en un gaz à température
élevée. L'électrovanne 46 est placée sur le trajet d'ali-
mentation par connexion au conduit 50- d'alimentation en amont du générateur 52 de gaz et en aval de l'alimentation
42 en propergol.
Plus précisément, l'ensemble de commande d'alimenta-
tion 44 peut être utilisé de manière qu'il applique à
l'anode 12 et à la cathode 14 du propulseur 10 une diffé-
rence de potentiel sous forme d'une tension d'amplitude
prédéterminée voulue. Dans le cadre de l'invention, l'am-
plitude prédéterminée est inférieure à celle qui est néces-
saire à la création de l'arc électrique 26 dans la chambre
18 de décharge, dans l'espace 24, pour l'amplitude prédé-
terminée de la pression du propergol gazeux provenant de l'alimentation 42 par l'intermédiaire du générateur 52 de
gaz. L'électrovanne 46 peut être commandée entre ses posi-
tions d'ouverture et de fermeture afin.qu'elle permette et empêche respectivement l'écoulement du propergol dans la chambre 18 de décharge du propulseur 10 par fonctionnement du circuit 48 de pilotage d'Électrovanne qui est relié
électriquement à l'électrovanne 46.
Grâce au fonctionnement coordonné des éléments pré-
cités de l'ensemble 40 de commande d'amorçage, un arc 26 ne provoquant pratiquement pas d'érosion peut être amorcé dans l'espace 24, à l'intérieur du propulseur 10. Le circuit 48 de pilotage d'électrovanne est d'abord commandé afin qu'il mette l'électrovanne 46 en position d'ouverture et permette au propergol gazeux, ayant la pression prédéterminée, de
s'écouler dans la chambre de décharge 18. Ensuite, l'en-
semble 44 de commande d'alimentation est mis en oeuvre afin
qu'il applique, entre l'anode 12 et la cathode 14 du pro-
pulseur 10, une différence de potentiel d'amplitude prédé-
terminée, correspondant par exemple à une tension modérée de 600 V continus, inférieure à celle qui est nécessaire pour la création d'un arc électrique dans l'espace séparant
les électrodes en présence du propergol gazeux à la pres-
sion prédéterminée de circulation qui est d'environ 1,4 bar
absolu. En même temps que cette tension modérée est appli-
quée, le circuit 48 de pilotage assure la commande de l'électrovanne 46 vers sa position de fermeture dans laquelle elle empêche la circulation du propergol gazeux
vers la chambre 18 de décharge du propulseur 10. L'inter-
diction de l'écoulement du propergol gazeux dans le propul-
seur 10 ne dure qu'une courte période, par exemple comprise entre 10 et 150 ms. Cette interruption de la circulation du gaz provoque une réduction de la pression du propergol
gazeux dans la chambre de décharge 18 du propulseur, suffi-
samment au-dessous de la pression prédéterminée pour que la création de l'arc électrique 26 soit favorisée dans la chambre 18 de décharge, dans l'espace 24. Lorsque l'arc 26 a été amorcé, le circuit 48 de pilotage est alors commandé afin qu'il ramène l'électrovanne 46 en position d'ouverture permettant au propergol gazeux de s'écouler à nouveau à la pression prédéterminée voulue dans la chambre de décharge si bien que l"arc électrique amorcé 26 peut se déplacer vers l'aval dans le rétrécissement 20 et vers la tuyère 22
du corps 12 de l'anode, avec réduction au minimum de l'éro-
sion du rétrécissement.
La figure 4 représente la relation de synchronisa-
tion de l'application de la tension modérée par l'ensemble 44 de commande d'alimentation et l'impulsion de pression gazeuse dans la chambre de décharge, utilisée par
l'ensemble 10 pour l'amorçage de l'arc sans érosion.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux ensembles et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples
non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (1)
1. Procédé de commande d'amorçage d'un arc ne pro-
voquant pratiquement pas d'érosion dans un espace compris
entre une anode et une cathode d'un réacteur à arc de pro-
pulsion qui comporte une anode sous forme d'un corps de tuyère et une cathode sous forme d'une tige ayant un bout, le corps de tuyère ayant une chambre de décharge délimitée par un rétrécissement formé dans une partie amont du corps et une tuyère placée dans une partie aval du corps, la tige formant la cathode étant alignée sur l'axe du corps, son bout pénétrant dans l'extrémité amont de la chambre de décharge à distance du rétrécissement afin que ledit espace soit délimité entre les électrodes, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) la manoeuvre d'un dispositif d'obturation (46) placé dans un trajet d'alimentation en propergol gazeux de
manière qu'il soit commuté en position d'ouverture et per-
mette l'écoulement du propergol gazeux à une pression pré-
déterminée dans la chambre de décharge et dans l'espace séparant les électrodes, (b) l'application, entre l'anode (12) et la cathode (14) d'une différence de potentiel électrique d'amplitude prédéterminée inférieure à celle qui est nécessaire à la création d'un arc électrique dans l'espace séparant les
électrodes et contenant du propergol gazeux à ladite pres-
sion prédéterminée, (c) en même temps que la différence de potentiel
électrique destinée à provoquer la création d'un arc élec-
trique est appliquée et après manoeuvre du dispositif d'ob-
turation afin qu'il soit commuté en position d'ouverture permettant l'écoulement du propergol gazeux à la pression prédéterminée, la commande du dispositif d'obturation afin qu'il soit commuté en position de fermeture empêchant l'écoulement du propergol dans la chambre de décharge et entre les électrodes pendant une période temporaire de
manière qu'une impulsion de propergol à une pression infé-
rieure à la pression déterminée soit transmise dans la
chambre de décharge et dans l'espace séparant les élec-
trodes, si bien qu'un arc ne provoquant pas d'érosion peut être amorcé dans la chambre de décharge et dans l'espace séparant les électrodes, et (d) après l'écoulement de la période temporaire, la commande du dispositif d'obturation (46) afin qu'il soit commuté en position d'ouverture et permette au propergol gazeux de circuler à nouveau à la pression prédéterminée dans la chambre de décharge et dans l'espace séparant les électrodes et oblige l'arc ne provoquant pas d'érosion à se déplacer vers l'aval dans le rétrécissement, vers la tuyère de manière que l'érosion du rétrécissement soit réduite au minimum. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé
en ce que la période temporaire pendant laquelle l'écoule-
ment du propergol dans le réacteur de propulsion et dans l'espace séparant les électrodes est empêché est comprise
entre 10 et 150 ms.
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