FR3071886B1 - Propulseur a effet hall bi-etage - Google Patents

Abstract

Un propulseur à effet Hall (10) comprend un canal d'accélération (12) délimité du côté radialement intérieur par un corps central (18) et de l'autre côté par un corps périphérique (20), les corps central et périphérique hébergeant un agencement magnétique (24, 26) pour générer une barrière magnétique (28) au niveau de l'extrémité ouverte (16) du canal. Une bobine (34) reliée à une source radiofréquence (36) est disposée dans le corps central pour générer un champ magnétique alternatif capable de générer un plasma par induction couplée sur un flux de gaz (38) entre le distributeur (27) et l'extrémité ouverte. Grâce à la source d'énergie d'ionisation supplémentaire, il est possible de découpler la poussée de l'impulsion spécifique. Un propulseur pouvant fonctionner efficacement à différents niveaux de poussée peut être utilisé pour différents types de manœuvres, comme p.ex. un transfert d'orbite et le maintien sur orbite.

Description

Domaine Technique [0001] De manière générale, l’invention concerne le domaine des propulseurs ioniques, en particulier celui des propulseurs à effet Hall (aussi appelés « propulseurs à courant de Hall »). L’invention a trait plus particulièrement à un propulseur à effet Hall bi-étage comportant une source d’énergie d’ionisation supplémentaire en amont du canal d’accélération d’un propulseur à effet Hall classique.

Arrière-plan technologique [0002] Un propulseur à effet Hall classique comprend un canal d’accélération annulaire dont une extrémité axiale est fermée et l’autre ouverte. Au fond du canal d’accélération se trouve un distributeur de gaz ionisable (p.ex. xénon, krypton, bismuth, argon, iode, zinc, etc.) et une anode. Le canal est entouré d’un agencement magnétique générant un champ magnétique continu radial à l’extrémité ouverte. Ce champ magnétique radial constitue une barrière (appelée « barrière magnétique » dans la suite) au transport électronique vers l’anode qui fait chuter la conductivité électronique axiale, ce qui doit être compensé par une augmentation du champ électrique axial dans la barrière magnétique (champ accélérateur). Une cathode est disposée à l’extérieur du canal d’accélération. Pendant l’opération du propulseur, la cathode émet des électrons dont une partie suit les ions positifs éjectés et neutralise le panache. Une autre partie des électrons de la cathode sont attirés par l’anode. Le champ magnétique confine ces électrons dans une zone à l’extrémité ouverte du canal. La combinaison des champs électrique axial et magnétique radial a pour effet de mouvoir les électrons selon le courant de Hall, ce qui a donné le nom à ce type de propulseur. L’ionisation du gaz propulsif se produit par collisions, notamment avec des électrons qui dérivent en direction de l’anode. En raison du fait que les électrons restent piégés relativement longtemps dans le canal, le degré d’ionisation peut atteindre proche de la totalité des atomes de gaz (rendement massique près de 100%). Les ions sont accélérés par le champ électrique axial. En raison de leur masse beaucoup plus importante que celle des électrons, les ions ne sont que très faiblement déviés par le champ magnétique et peuvent atteindre d’importantes vitesses de sortie (de l’ordre des dizaines de km/s).

[0003] A titre d’exemple, la demande de brevet US 2005/0116652 propose un propulseur à effet Hall comprenant plusieurs canaux d’accélération concentriques. Le dispositif magnétique installé dans le corps intermédiaire entre deux canaux d’accélération contribue au champ magnétique radial du canal radialement intérieur et à celui du canal radialement extérieur.

[0004] La demande de brevet EP 0 778 415 A1 décrit un propulseur à effet Hall dont l’agencement magnétique est au moins partiellement divisé en secteurs contrôlables séparément. Le champ magnétique de chaque secteur peut être ajusté pour rediriger le flux d’ions à la sortie du propulseur et changer la direction de la poussée.

[0005] Dans un propulseur à effet Hall classique, la poussée et l’impulsion spécifique ne sont pas indépendantes pour la raison que la tension (continue) entre l’anode et la cathode détermine aussi bien le champ électrique axial et donc l’accélération des ions que la dérive d’électrons vers l’anode et donc l’efficacité de l’ionisation.

[0006] Ce problème a été reconnu dans la demande de brevet US 2006/0284562 A1, qui propose un propulseur à effet Hall équipé d’une source d’énergie d’ionisation radiofréquence supplémentaire. La source d’énergie d’ionisation supplémentaire permet de rendre le contrôle de l’ionisation indépendant de l’accélération des ions. La source d’énergie d’ionisation comprend, selon une premier mode de réalisation présenté, une bobine d’induction reliée à une source de courant haute fréquence. La bobine est agencée dans le corps périphérique délimitant le canal d’accélération du côté radialement extérieur, de sorte à ce que le plasma généré par induction se trouve à l’intérieur de la bobine, à l’instar d’une torche à plasma couplé par induction. Selon un deuxième mode de réalisation, la source d’énergie d’ionisation comprend des électrodes installées de part et d’autre du canal d’accélération. Les électrodes sont reliées à une source de courant haute fréquence afin de générer un plasma par couplage capacitif.

[0007] La solution de la demande de brevet US 2006/0284562 A1 présente certains inconvénients, notamment en ce qui concerne le confinement du plasma couplé par induction. Dans cette configuration sans composante axiale du champ magnétique, la probabilité est très grande qu’un ion généré dans la source d’ionisation se recombine avec un électron sur la paroi avant d’être extrait du plasma par le champ électrique accélérateur axial.

Description générale de l’invention [0008] Un objectif de la présente invention est de proposer un propulseur à effet Hall bi-étage permettant de réduire les pertes aux parois du canal d’accélération. Des simulations ont montré qu’il est essentiel que les ions de la source d’ionisation soient créés le plus près possible de la région d’accélération qui se situe légèrement en amont du maximum de champ magnétique radial, ce que permet l’invention.

[0009] Selon l’invention, un propulseur à effet Hall comprend un canal d’accélération entourant un axe longitudinal du propulseur et s’étendant le long de cet axe entre une extrémité fermée et une extrémité ouverte. Le canal est délimité du côté radialement intérieur par un corps central et du côté radialement extérieur par un corps périphérique, les corps central et périphérique hébergeant un agencement magnétique pour générer une barrière magnétique au niveau de l’extrémité ouverte. Le propulseur comprend en outre un distributeur de gaz ionisable, une anode placée dans le canal et une cathode placée en dehors du canal. Une bobine est disposée dans le corps central autour de l’axe longitudinal et reliée à une source de courant radiofréquence (source RF) pour générer un champ magnétique alternatif capable de générer un plasma par induction couplée sur le flux de gaz ionisable entre le distributeur et l’extrémité ouverte.

[0010] On notera que la bobine reliée à la source RF (« bobine RF ») est agencée de préférence coaxialement par rapport au canal d’accélération annulaire, celui-ci étant radialement extérieur à la bobine. De ce fait, le plasma est généré à l’extérieur du cylindre central.

[0011] L’agencement magnétique est de préférence configuré de sorte à générer un champ magnétique continu orienté axialement le long des parois du canal à l’endroit de la bobine RF, de sorte à confiner le plasma transversalement au canal. Le champ magnétique se combine avec le champ magnétique radial de la barrière magnétique de façon à minimiser les pertes de particules chargées vers les parois. Grâce à la composante axiale du champ magnétique, le plasma, de haute densité, est confiné dans un volume torique autour du cylindre intérieur, limité axialement par la longueur de la bobine, et radialement par l’épaisseur de peau du plasma, qui est du même ordre que la largeur du canal. En ajustant la position de la bobine à l’intérieur du cylindre central, on peut faire en sorte que la zone intense d’ionisation soit située dans la barrière magnétique radiale.

[0012] L’agencement magnétique et la position de la bobine reliée à la source radiofréquence sont de préférence choisis de façon à localiser la région de génération du plasma inductif dans la barrière magnétique, en amont du maximum de champ magnétique.

[0013] De préférence, la puissance de la source RF est ajustable de sorte à contrôler l’efficacité de l’ionisation du gaz pour un débit donné.

[0014] Selon un mode de réalisation du propulseur, le débit de gaz du distributeur est réglable et la puissance de la source RF est ajustable en fonction du débit de gaz.

[0015] La tension entre l’anode et la cathode est préférablement réglable séparément de la puissance de la source RF. On appréciera que de cette manière on atteindra un découplage de la poussée et de l’impulsion spécifique. Il sera notamment possible de sélectionner (dans une certaine plage de valeurs) la poussée désirée et d’optimiser sous cette contrainte l’impulsion spécifique.

[0016] La possibilité de pouvoir faire fonctionner efficacement le propulseur à différents niveaux de poussée augmentera grandement son intérêt. Un tel propulseur pourra notamment être utilisé pour différents types de manœuvres (pour lesquelles on devrait sinon prévoir des propulseurs dédiés), comme p.ex. un transfert d’orbite (nécessitant une forte poussée) et le maintien sur orbite (nécessitant de faibles poussées).

[0017] Un autre avantage intéressant du propulseur selon l’invention réside dans le fait qu’il peut être facilement adapté à différents gaz avec une bonne efficacité d’ionisation.

[0018] De préférence, le propulseur selon l’invention comprend un contrôleur de vol (p.ex. un système comprenant un ou plusieurs microcontrôleurs ainsi que des dispositifs périphériques) relié (de manière directe ou indirecte) au circuit de l’anode et de la cathode ainsi qu’à la source RF et au distributeur de gaz, programmé pour faire fonctionner le propulseur à différents niveaux de poussée.

[0019] Le contrôleur pourrait, p. ex., être programmé de sorte que, pour une tension cathode-anode donnée et en fixant l’impulsion spécifique, il ajuste la puissance et le débit de gaz pour obtenir un niveau de poussée sélectionné en maximisant l’efficacité.

[0020] Les parois du canal d’accélération sont, de préférence, réalisées en céramique (p.ex. en nitrure de bore).

[0021] L’agencement magnétique comprend de préférence une ou plusieurs bobines et/ou un ou plusieurs aimants permanents.

Brève description du dessin [0022] D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée d’un mode de réalisation avantageux présenté ci-dessous, à titre d'illustration, avec référence au dessin annexé qui montre :

Fig. 1: une coupe longitudinale schématique d’un propulseur à effet Hall bi-étage selon un mode de réalisation avantageux de l’invention ;

Fig. 2: une coupe longitudinale schématique d’un propulseur à effet Hall bi-étage selon un second mode de réalisation avantageux de l’invention.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention [0023] L’invention permet de disposer la source d’ionisation par induction le plus près possible de la zone d’accélération. Selon les configurations les plus préférées, la région du plasma par induction chevauche la zone d’accélération, qui se trouve dans la barrière magnétique. Les ions peuvent être extraits efficacement par l’étage d’accélération parce qu’ils sont créés dans la région de décroissance du champ magnétique radial, en amont du maximum.

[0024] Le chevauchement entre la région d’ionisation par induction et la région d’accélération est rendu possible grâce à la configuration particulière de la source d’ionisation et de la configuration magnétique. La position de la bobine RF peut être ajustée au plus près de la région d’accélération, étant donné qu’elle se trouve dans le corps central. La présence d’une composante axiale du champ magnétique permet un confinement des électrons (plus particulièrement des électrons énergétiques chauffés par le champ électrique azimutal induit) et un chauffage efficace des électrons piégés dans le champ magnétique.

[0025] La figure 1 montre, de manière schématique et simplifiée, un propulseur à effet Hall bi-étage 10 selon un mode de réalisation préféré de l’invention. Le propulseur 10 comprend un canal d’accélération annulaire 12 disposé autour d’un axe longitudinal A du propulseur 10. Le canal d’accélération 12 comprend une extrémité fermée 14 et une extrémité ouverte 16 par laquelle sont éjectés les ions accélérés. Le canal 12 est délimité du côté radialement intérieur par un corps central 18 et du côté radialement extérieur par un corps périphérique 20. Les corps central 18 et périphérique 20 hébergent des aimants 24, 26 (des aimants permanents et/ou des bobines) générant, entre autres, un champ magnétique continu (par opposition à alternatif) radial 28 au niveau de l’extrémité ouverte 16. Une anode 22 est placée au fond du canal 12 et une cathode 23 se trouve en dehors du de celui-ci, au-delà de son extrémité ouverte 16. Un distributeur de gaz ionisable (Xe, Kr, Ar, ... ) 27 est également disposé dans le canal 12 du côté de l’extrémité fermée 14. Les parois 29 du canal 12 sont réalisées en un matériel céramique, p.ex. en nitrure de bore.

[0026] Pendant le fonctionnement du propulseur 10, la cathode 23 émet des électrons dont une partie 30 suit les ions positifs éjectés et neutralise ainsi le panache. Cette neutralisation est importante afin d’éviter que l’engin spatial se charge négativement au cours du temps, ce qui freinerait les lions éjectés et diminuerait ainsi la poussée. L’autre partie 32 des électrons émis par la cathode 23 sont attirés par l’anode 22. Le champ magnétique radial à l’extrémité ouverte du canal 12 entraîne ces électrons dans un mouvement hélicoïdal autour des lignes de champ magnétique et azimutal dans la direction de dérive E*B, ce qui augmente de manière significative la densité des électrons dans cette zone et le temps de parcours moyen d’un électron entre la cathode et l’anode. Le temps de résidence est un paramètre crucial pour l’ionisation du gaz propulsif dans un propulseur à effet Hall classique car les collisions entre atomes et électrons dérivant en direction de l’anode constituent de loin le mécanisme d’ionisation le plus important dans un tel propulseur. Le propulseur 10 selon l’invention comprend une deuxième source d’énergie d’ionisation, sous la forme d’une bobine RF 34 disposée dans le corps central 18 autour de l’axe longitudinal et reliée à une source RF 36. La bobine RF crée un champ magnétique haute fréquence (p.ex. dans la plage de 1 à 20 MHz, de préférence dans la plage de 2 à 4 MHz) capable de générer un plasma par induction 40 couplée sur le flux de gaz ionisable 38 dans la zone toroïdale radialement extérieure à la bobine RF 34. Les ions positifs 42 générés dans le plasma 40 sont fortement accélérés le long du canal d’accélération 12 par le champ électrique. La masse des ions dépassant de loin celle des électrons, les ions ne sont que très faiblement déviés par le champ magnétique et peuvent atteindre d’importantes vitesses de sortie (de l’ordre des dizaines de km/s). Grâce à la présence de la deuxième source d’énergie d’ionisation, on relâche les contraintes sur la tension devant être appliquée entre l’anode et la cathode. En effet, il devient possible de contrebalancer via la puissance de la source RF 36 les effets d’une tension réglée de manière non optimale, en particulier une ionisation inefficace.

[0027] On note que dans le mode de réalisation illustré, le canal d’accélération 12 possède un segment de forme généralement tronconique se rétrécissant en direction de l’extrémité ouverte 16. Du fait que l’intensité du champ magnétique haute fréquence diminue vers l’extérieur, le plasma 40 est le plus intense du coté radialement intérieur du canal 12. Grâce à la largeur du canal 12 à cette position axiale, on arrive à protéger la paroi radialement extérieure du canal 12 contre l’érosion par le plasma. Pour une meilleure protection, les aimants 24, 26 sont disposés de façon à engendrer un champ magnétique continu dont les lignes de champ longent les parois à la position axiale du plasma induit. Ce champ magnétique s’oppose au mouvement des porteurs de charge électrique dans le sens radial mais facilité l’extraction des ions vers l’extrémité ouverte 16. On notera dans ce contexte que les points de rebroussement 44 en proximité des pôles des aimants peuvent induire des densités localement plus élevées d’électrons. Cet effet est recherche surtout au niveau de l’extrémité ouverte 16 du canal 12.

[0028] Le propulseur 10 selon le mode de réalisation illustré comprend un contrôleur de vol 46 relié à la source de tension réglable 48 entre l’anode 22 et la cathode 23, à la source de courant RF 36 et à un organe de réglage du débit de gaz ionisable, représenté à la figure 1 par une vanne 50. Le contrôleur de vol peut contrôler l’efficacité de l’ionisation du gaz en ajustant la puissance de la source RF. En particulier, le contrôleur de vol 46 peut ajuster la puissance de la source RF en fonction des autres paramètres du système, notamment en fonction du débit de gaz et/ou en fonction de la tension appliquée entre l’anode et la cathode.

[0029] Grâce au fait que le contrôleur de vol peut agir individuellement sur la valeur de la tension entre l’anode et la cathode et sur la puissance de la source RF (via p.ex. l’amplitude ou la fréquence du courant alternatif), on obtient un découplage entre la poussée et l’impulsion spécifique. De préférence, le contrôleur de vol 46 est configuré pour sélectionner (dans une certaine plage de valeurs ou parmi des valeurs discrètes) l’impulsion spécifique désirée (tension cathode-anode), et d’optimiser sous cette contrainte la poussée en ajustant la puissance de la source d’ionisation et le débit de gaz. Les valeurs optimales des paramètres tels que le débit de gaz, la tension continue et/ou la puissance RF pourraient être calculées d’avance et programmés dans le logiciel embarqué ou le contrôleur de vol 46 pourrait être configuré pour calculer ces valeurs à la volée, en fonction de la situation de vol.

[0030] La figure 2 montre, de manière schématique et simplifiée, une variante du propulseur à effet Hall bi-étage de la figure 1, conforme à selon un autre mode de réalisation préféré de l’invention. La seule différence entre les modes de réalisation des figures 1 et 2 réside dans une autre configuration magnétique. Les éléments du propulseur à effet Hall bi-étage de la figure 2 étant les mêmes que ceux de la figure 1, les mêmes numéros de référence ont été utilisés. Toutefois, certains éléments ont été omis sur la figure 2 pour ne pas la surcharger, p.ex. le plasma inductif, les électrons, etc. En ce qui concerne l’agencement magnétique seuls les pôles magnétiques situés à l’extrémité ouverte sont montrés. Pour la description du fonctionnement et en complément de ce qui est dit ci-dessous, le lecteur peut se référer à la description de la figure 1.

[0031 ] L’agencement magnétique de la figure 2 est conçu de sorte à recourber et les lignes de champ magnétique générées par les pôles magnétiques situés à l’extrémité ouverte et à les faire rentrer à l’intérieur du canal essentiellement sans croiser les parois du canal. Il résulte de ce fait une composante axiale importante. Cette configuration permet comme la précédente, de confiner dans zone souhaitée, les électrons chauffés inductivement. Elle a l’avantage de nécessiter deux points de rebroussement 44 (en réalité des anneaux) en moins, ce qui réduit les pertes de particules vers les parois et en particulier les flux d’ions vers les parois du canal en sortie de propulseur. Cette configuration particulière, qui peut comprendre des blindages magnétiques, a été présentée pour des propulseurs de Hall simple étage et est décrite en détail dans les demandes de brevet US 2015/0128560 A1 et US 2016/0333866 A1.

[0032] Alors que des modes de réalisation particuliers viennent d’être décrits en détail, l’homme du métier appréciera que diverses modifications et alternatives à ceuxlà puissent être développées à la lumière de l’enseignement global apporté par la présente divulgation de l’invention. Par conséquent, les agencements et/ou procédés spécifiques décrits ci-dedans sont censés être donnés uniquement à titre d’illustration, sans intention de limiter la portée de l’invention.

Claims (10)

1. Revendications

   1. Un propulseur à effet Hall (10) comprenant un canal d’accélération (12) entourant un axe longitudinal (A) du propulseur et s’étendant le long de cet axe entre une extrémité fermée (14) et une extrémité ouverte (16), le canal étant délimité du côté radialement intérieur par un corps central (18) et du côté radialement extérieur par un corps périphérique (20), le corps central et le corps périphérique hébergeant un agencement magnétique (24, 26) pour générer une barrière magnétique (28) au niveau de l’extrémité ouverte, le propulseur comprenant en outre un distributeur (27) de gaz ionisable, une anode (22) placée dans le canal et une cathode (23) placée en dehors du canal, le propulseur étant caractérisé par une bobine (34) disposée dans le corps central autour de l’axe longitudinal et reliée à une source radiofréquence (36) pour générer un champ magnétique alternatif capable de générer un plasma (40) par induction couplée sur le flux de gaz ionisable (38) entre le distributeur et l’extrémité ouverte.
2. 2. Le propulseur à effet Hall selon la revendication 1, dans lequel l’agencement magnétique est configuré de sorte à générer un champ magnétique continu orienté axialement le long des parois (29) du canal à l’endroit de la bobine reliée à la source radiofréquence, de sorte à confiner le plasma transversalement au canal.
3. 3. Le propulseur à effet Hall selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’agencement magnétique et la position de la bobine reliée à la source radiofréquence sont choisis de façon à localiser la région de génération du plasma inductif dans la barrière magnétique, en amont du maximum de champ magnétique.
4. 4. Le propulseur à effet Hall selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la puissance de la source radiofréquence (36) est ajustable de sorte à contrôler l’efficacité de l’ionisation du gaz pour un débit donné.
5. 5. Le propulseur à effet Hall selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le débit de gaz du distributeur (27) est réglable et dans lequel la puissance de la source radiofréquence est ajustable en fonction du débit de gaz.
6. 6. Le propulseur à effet Hall selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la tension entre l’anode et la cathode est réglable séparément de la puissance de la source radiofréquence.
7. 7. Le propulseur à effet Hall selon la revendication 6, comprenant un contrôleur de vol (46) relié au circuit de l’anode et de la cathode ainsi qu’à la source radiofréquence et au distributeur de gaz, le contrôleur étant programmé pour faire fonctionner le propulseur à différents niveaux de poussée.

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8. 8. Le propulseur à effet Hall selon la revendication 7, dans lequel le contrôleur (46) est programmé de sorte que, pour une tension cathode-anode donnée et en fixant l’impulsion spécifique, le contrôleur ajuste la puissance et le débit de gaz pour obtenir un niveau de poussée sélectionné en maximisant l’efficacité.
9. 9. Le propulseur à effet Hall selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans 10 lequel les parois (29) du canal sont réalisées en céramique.
10. 10. Le propulseur à effet Hall selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l’agencement magnétique (24, 26) comprend une ou plusieurs bobines et/ou un ou plusieurs aimants permanents.