WO2010133802A1 - Propulseur a plasma a effet hall - Google Patents

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Stéphan J. ZURBACH
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Snecma
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Abstract

Le propulseur à plasma à effet Hall comprend un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (120) présentant une extrémité aval ouverte (129), au moins une cathode, une anode annulaire concentrique au canal annulaire principal (120), une canalisation et un distributeur pour alimenter en gaz ionisable le canal (120) et un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal (120). Le canal annulaire principal (120) comprend des portions de parois annulaires interne (127) et externe (128) situées au voisinage de l'extrémité ouverte (129) qui comprennent chacune un assemblage d'anneaux conducteurs ou semi-conducteurs (150) juxtaposés en forme de lamelles séparées par de fines couches d'isolant (152).

Description

Propulseur à plasma à effet Hall

Domaine de l'invention

La présente invention a pour objet un propulseur à plasma à effet Hall comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération présentant une extrémité aval ouverte, au moins une cathode, une anode annulaire concentrique au canal annulaire principal, une canalisation et un distributeur pour alimenter en gaz ionisable le canal et un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal.

L'invention concerne en particulier les propulseurs à plasma à effet Hall mis en œuvre pour la propulsion électrique de satellites.

Art antérieur La durée de vie des propulseurs à plasma à effet Hall est essentiellement déterminée par l'érosion du canal isolant en céramique sous l'effet du bombardement des ions. En effet, en raison de la topographie du potentiel électrique dans le canal, une partie des ions créés est accélérée radialement vers les parois. L'allongement des missions des satellites de télécommunication et l'accroissement des vitesses d'éjection de plasma requises (en particulier pour les propulseurs dits à forte impulsion spécifique) imposent des durées de vie de plus en plus longues que ne peuvent plus satisfaire les céramiques classiques à base de nitrure de bore. La forte résistance vis-à-vis du bombardement ionique de certains matériaux électriquement conducteurs ou semi-conducteurs tels que le graphite en font en théorie des candidats idéaux pour le canal de décharge des propulseurs à effet Hall.

L'idée d'utiliser des matériaux conducteurs et le graphite en particulier a été étudiée aux USA par Y. Raitses et al (Université de Princeton). Ces études ont relevé l'avantage du graphite en terme de durée de vie, mais n'ont pas tenté de résoudre le problème de baisse de rendement lié au court-circuitage du plasma.

Les faibles rendements constatés avec les matériaux conducteurs ont jusqu'à ce jour empêché la généralisation de leur emploi dans la construction de canaux d'accélération de propulseurs à plasma. Ainsi, les canaux de décharge des propulseurs à effet Hall sont actuellement constitués de céramique isolante homogène, le plus souvent à base de nitrure de bore et de silice (matériaux BN-SIO2). Les céramiques à base de nitrure de bore permettent aux propulseurs à effet Hall d'atteindre des performances élevées en terme de rendement, mais présentent des taux d'érosion élevés sous bombardement ionique qui limitent la durée de vie des propulseurs à environ 10 000 heures ainsi que leur fonctionnement à plus hautes impulsions spécifiques.

Définition et objet de l'invention

La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités et en particulier d'accroître la durée de vie des propulseurs à plasma à effet Hall tout en maintenant un rendement énergétique élevé. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, grâce à un propulseur à plasma à effet Hall comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération présentant une extrémité aval ouverte, au moins une cathode, une anode annulaire concentrique au canal annulaire principal, une canalisation et un distributeur pour alimenter en gaz ionisable le canal et un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal, caractérisé en ce que le canal annulaire principal comprend des portions de parois annulaires interne et externe situées au voisinage de ladite extrémité ouverte qui comprennent chacune un assemblage d'anneaux conducteurs ou semiconducteurs juxtaposés en forme de lamelles séparés par de fines couches d'isolant.

Avantageusement, chaque anneau conducteur ou semiconducteur est divisé en segments disposés selon des secteurs angulaires et isolés les uns des autres.

De préférence, les segments de chaque anneau conducteur ou semi-conducteur sont disposés en quinconce par rapport aux segments des anneaux conducteurs ou semi-conducteurs voisins.

Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les fines couches d'isolant sont disposées sur toutes les faces d'un anneau conducteur ou semi-conducteur à l'exception de la face définissant une partie de la paroi interne du canal annulaire principal. L'assemblage d'anneaux conducteurs ou semi-conducteurs peut s'étendre sur une longueur des parois annulaires interne et externe inférieure à la longueur totale du canal annulaire principal.

Selon un mode particulier de réalisation, les anneaux conducteurs ou semi-conducteurs sont en graphite tandis que les fines couches d'isolant sont en matériau diélectrique et en particulier en nitrure de bore pyrolytique.

L'épaisseur des anneaux conducteurs ou semi-conducteurs est de l'ordre du rayon de Larmor électronique. Leur épaisseur maximale a est estimée par l'expression suivante : a< - r, où rest le rayon de Larmor des électrons, ainsi qu'une condition qui détermine l'angle de découpage azimutal :

R. a < 5abs\ — \ .r avec :

{ Et)

0 Ez, Et : champ électrique le long de l'axe et de l'azimut, 0 R : rayon de bord de la position d'anneau en contact avec le plasma,

°α : angle de la position d'anneau

Selon un exemple de réalisation, les anneaux conducteurs ou semi-conducteurs présentent une épaisseur comprise entre 0,7 et 0,9 mm tandis que les fines couches d'isolant présentent une épaisseur comprise entre 0,04 et 0,08 mm.

Selon l'invention, un canal de décharge pseudo-isolant est réalisé à partir d'un empilement d'anneaux ou de portions d'anneaux faites d'un matériau conducteur ou semi-conducteur et recouverts d'une fine couche de céramique isolante.

Ceci permet un accroissement de la durée de vie du propulseur d'un facteur de 3 à 4 sans perte possible de rendement, dès lors que la structure permet de bénéficier des avantages de faible taux d'érosion des matériaux conducteurs sans en subir les inconvénients, et le canal peut se comporter comme un isolant électrique vis-à-vis du plasma avec une limitation au maximum des courants électroniques créés dans le canal de décharge.

L'invention optimise ainsi la structure des canaux de décharge des propulseurs à plasma à effet Hall en mettant en œuvre un partitionnement de parois conductrices ou semi-conductrices en segments isolés de faibles dimensions qui se traduit par une forte diminution du courant de court-circuit qui évite une perte sensible de rendement.

La propulsion des satellites de télécommunication est associée à des enjeux économiques forts et les améliorations qui peuvent être apportées aux sources de plasma à effet Hall - reconnues actuellement comme les plus performants pour le maintien à poste - présentent un grand intérêt. La présente invention répond directement à la tendance à l'accroissement des durées de mission demandées aux satellites géostationnaires en améliorant la longévité des propulseurs à plasma à effet Hall.

La présente invention permet également de faire fonctionner des propulseurs avec des impulsions spécifiques (Isp) plus élevées tout en conservant une durée de vie significative. Elle peut donc procurer un avantage concurrentiel important de la propulsion par propulseur à plasma à effet Hall.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique en perspective avec arrachement d'un propulseur à plasma à effet Hall auquel est applicable l'invention,

- la figure 2 est une vue en perspective d'un quart d'un canal de décharge avec structure lamellée selon un exemple de réalisation de l'invention,

- la figure 3 montre une variante proposée et est une vue en perspective de l'ensemble de la structure lamellée d'un canal de décharge d'un propulseur à plasma à effet Hall selon l'invention, - la figure 3A montre une variante proposée et est une vue de détail agrandie d'un segment en matériau conducteur ou semi-conducteur recouvert de dépôts isolants utilisé dans la structure lamellée de la figure 3, et

- la figure 3B est une section selon la ligne IIIB-IIIB de la figure 3A. Description détaillée de modes de réalisation préférentiels

On voit sur la figure 1 un exemple de propulseur à plasma à effet Hall, également dénommé propulseur à plasma stationnaire (PPS), auquel est applicable l'invention et qui peut être mis en œuvre notamment pour la propulsion électrique de satellites.

Un tel type de propulseur à effet Hall comprend les éléments principaux suivants :

- un canal de décharge ou canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération 120, - une anode annulaire 125 concentrique au canal annulaire principal 120,

- une canalisation 126 et un distributeur associé à l'anode 125 et au canal annulaire principal 120 pour alimenter celui-ci en un gaz ionisable tel que le xénon, - une cathode creuse 140,

- un circuit magnétique 131 à 136 de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal.

L'anode 125 et le distributeur de gaz ionisable permettent d'injecter le combustible (tel que le xénon) dans le propulseur et de collecter les électrons de la décharge plasma.

La cathode creuse 140 a pour fonction de générer les électrons qui permettent la création d'un plasma dans le propulseur ainsi que la neutralisation du jet d'ions éjectés par le propulseur.

Le circuit magnétique comprend un pôle interne 134, un pôle externe 136, une culasse magnétique reliant les pôles interne 134 et externe 136, avec un noyau ferromagnétique central 133 et des barreaux ferromagnétiques périphériques 135, une ou plusieurs bobines 131 disposées autour du noyau central 133 et des bobines 132 disposées autour des barreaux périphériques 135. Le circuit magnétique permet le confinement du plasma et la création d'un fort champ magnétique E en sortie du propulseur qui permet l'accélération des ions jusqu'à des vitesses de l'ordre de 20 km/s.

Différentes variantes sont possibles pour la réalisation du circuit magnétique et la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit sur la figure 1. Le canal de décharge 120 permet Ie confinement du plasma et sa composition détermine les performances du propulseur.

Traditionnellement, Ie canal de décharge 120 est en céramique.

La poussée du moteur est assurée par l'éjection d'un jet d'ions à haute vitesse. Or, ce jet étant légèrement divergent, la collision des ions à haute énergie avec la paroi du canal conduit à une érosion de la céramique en sortie du propulseur.

Pour cette raison, conformément à l'invention, le canal de décharge 120 comprend au moins une portion 127 de la paroi annulaire interne et au moins une portion 128 de la paroi annulaire externe, situées au voisinage de l'extrémité ouverte 129 du canal, qui ne sont pas réalisées en céramique massive, mais qui comprennent chacune un assemblage d'anneaux conducteurs ou semi-conducteurs 150 juxtaposés en forme de lamelles séparées par de fines couches d'isolant 152 (voir figure 2). L'invention a pour but de réduire de façon significative l'érosion du canal de décharge du propulseur. Elle permet également de réduire les pertes énergétiques et les instabilités de décharge qui affectent habituellement les propulseurs à effet Hall utilisant un canal de décharge en matériau électriquement conducteur ou semi-conducteur. Tout en utilisant des matériaux tels que le graphite et les carbures plus résistants que les céramiques vis-à-vis du bombardement ionique, grâce à un assemblage d'anneaux conducteurs ou semi-conducteurs (par exemple en graphite) séparés par de fines couches d'isolant (par exemple en nitrure de bore), l'invention permet à la fois de réduire l'érosion du canal et de diminuer les instabilités de décharge.

Le canal de décharge 120 d'un propulseur à plasma selon l'invention peut ainsi comprendre à la fois une partie amont traditionnelle en céramique avec une paroi de fond 123 et des parois cylindriques externe 121 et interne 122 et une partie aval située entre la partie amont et l'ouverture 129 et comprenant des parois cylindriques externe 128 et interne 127 avec une structure lamellée composée d'anneaux conducteurs ou semi-conducteurs 150 juxtaposés, qui sont isolés par de fines couches d'isolant 152 mais présentent une face 151 non recouverte d'isolant du côté interne tourné vers l'espace intérieur 124 du canal annulaire 120. Afin d'éliminer les éventuels courants de court-circuit azimutaux induits par des variations de potentiel le long de l'azimut (défauts de symétrie, ondes azimutales, ...), de façon préférentielle, on procède en outre à un positionnement des anneaux 150 en plusieurs sections angulaires isolées s'étendant chacune sur un secteur angulaire Δθ (figures 3 et 3A). On peut ainsi avoir par exemple entre 10 et 30 segments 150a, 150b dans chaque anneau 150.

Avantageusement, les segments 150a d'un anneau conducteur ou semi-conducteur 150 sont disposés en quinconce par rapport aux segments 150b des anneaux voisins 150 (fig. 3).

Comme on peut le voir sur la figure 3A, les fines couches d'isolant 152, 153, 154, 155 sont disposées sur toutes les faces d'un segment d'un anneau conducteur ou semi-conducteur 150 à l'exception de la face 151 définissant une partie de la paroi interne du canal annulaire principal 120.

A titre d'exemple, l'assemblage d'anneaux conducteurs 150 s'étend sur une longueur des parois annulaires interne et externe comprise entre 20 et 50 % et de préférence entre 30 et 40% de la longueur totale du canal annulaire principal 120, mais cette plage de valeurs n'est pas limitative.

Le dimensionnement des anneaux conducteurs ou semi- conducteurs 150 peut être établi à partir du calcul des courants électroniques reçus et émis par les parois. En première approximation, il peut être montré que le courant de court-circuit circulant dans les parois est proportionnel au courant ionique collecté, qui à température électronique et densité plasma constantes est environ proportionnel à la surface conductrice en contact avec le plasma.

Par ailleurs, pour un champ électrique axial donné, la différence de potentiel vue par un élément conducteur est environ proportionnelle à son étendue axiale. Il en résulte que pour un canal de taille donnée, l'ensemble des pertes par effet Joule par court-circuit du plasma est environ proportionnel à l'épaisseur des anneaux. On peut également montrer que le courant de court-circuit devient négligeable devant les courants liés à l'émission électronique secondaire (qui sont les seuls qui existent dans le cas d'un isolant) lorsque l'épaisseur des anneaux est de l'ordre du rayon de Larmor électronique. Ceci définit l'épaisseur critique des anneaux permettant d'obtenir un canal pseudo-isolant. A titre d'exemple, les anneaux conducteurs 150, par exemple en graphite à faible coefficient de dilatation, peuvent présenter une épaisseur comprise entre 0,7 et 0,9 mm et typiquement de 0,8 mm.

Les fines couches d'isolant 152 à 155, par exemple en nitrure de bore pyrolytique, peuvent présenter une épaisseur comprise entre 0,04 et 0,08 mm, typiquement 0,05 mm, et peuvent être déposées sur les segments d'anneaux conducteurs 150 par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur de manière à recouvrir chaque segment d'anneau sur toute sa surface excepté sur le bord 151 en contact avec le plasma.

Claims

REVENDICATIONS
1. Propulseur à plasma à effet Hall comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (120) présentant une extrémité aval ouverte (129), au moins une cathode (140), une anode annulaire (125) concentrique au canal annulaire principal (120), une canalisation (126) et un distributeur pour alimenter en gaz ionisable le canal (120) et un circuit magnétique (131 à 136) de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal (120), caractérisé en ce que le canal annulaire principal (120) comprend des portions de parois annulaires interne (127) et externe (128) situées au voisinage de ladite extrémité ouverte (129) qui comprennent chacune un assemblage d'anneaux conducteurs ou semi-conducteurs (150) juxtaposés en forme de lamelles séparés par de fines couches d'isolant (152).
2. Propulseur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque anneau conducteur ou semi-conducteur (150) est divisé en segments disposés selon des secteurs angulaires et isolés les uns des autres.
3. Propulseur à plasma selon la revendication 2, caractérisé en ce que les segments de chaque anneau conducteur ou semi-conducteur (150) sont disposés en quinconce par rapport aux segments des anneaux conducteurs ou semi-conducteurs voisins (150).
4. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fines couches d'isolant sont disposées sur toutes les faces d'un anneau conducteur ou semiconducteur (150) à l'exception de la face (151) définissant une partie de la paroi interne du canal annulaire principal (120).
5. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'assemblage d'anneaux conducteurs (150) s'étend sur une longueur des parois annulaires interne (127) et externe (128) comprise entre 20 et 50 % de la longueur totale du canal annulaire principal (120).
6. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les anneaux conducteurs ou semi-conducteurs (150) sont en graphite.
7. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les fines couches d'isolant (152) sont en nitrure de bore pyrolytique.
8. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'épaisseur des anneaux conducteurs ou semi-conducteurs (150) est de l'ordre du rayon de Larmor électronique.
9. Propulseur à plasma selon la revendication 6, caractérisé en ce que les anneaux conducteurs ou semi-conducteurs (150) présentent une épaisseur comprise entre 0,7 et 0,9 mm.
10. Propulseur à plasma selon les revendications 4 et 7, caractérisé en ce que les fines couches d'isolant (152) présentent une épaisseur comprise entre 0,04 et 0,08 mm.
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