WO2015132534A1 - Propulseur plasmique a effet hall. - Google Patents

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WO2015132534A1
WO2015132534A1 PCT/FR2015/050545 FR2015050545W WO2015132534A1 WO 2015132534 A1 WO2015132534 A1 WO 2015132534A1 FR 2015050545 W FR2015050545 W FR 2015050545W WO 2015132534 A1 WO2015132534 A1 WO 2015132534A1
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WO
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anode
distributor
wall
discharge channel
channel
Prior art date
Application number
PCT/FR2015/050545
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English (en)
Inventor
Vanessa Marjorie VIAL
Stéphan ZURBACH
Thierry Chartier
Fabrice Rossignol
Original Assignee
Snecma
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Filing date
Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters
    • F03H1/0012—Means for supplying the propellant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
    • F03H1/0075—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field with an annular channel; Hall-effect thrusters with closed electron drift

Definitions

  • the invention relates to a Hall effect plasma thruster comprising an annular discharge channel (forming a main channel for ionization and acceleration) around a main axis with an open downstream end, having an ionisation zone. between an inner wall and an outer wall, and further comprising an anode and a distributor placed upstream of the ionization zone, at least one cathode, a magnetic circuit for creating a magnetic field in said channel, and a channel for supplying ionizable gas to the channel, said manifold being connected to the pipe and allowing the ionizable gas to flow into the ionization zone of the channel concentrically about the main axis.
  • This type of engine is still called plasma engine drift closed electron or stationary plasma engines.
  • the invention particularly relates to Hall effect plasma thrusters used for space electric propulsion, in particular for the propulsion of satellites, such as geostationary telecommunication satellites. Thanks to their high specific impulse (from 1500 to 3000s), they allow considerable weight gains on satellites compared to engines using chemical propulsion.
  • This type of engine is also used in interplanetary primary propulsion, low orbit drag compensation, sun-synchronous orbit retention, orbit transfer and end-of-life de-orbiting. It can be used occasionally, possibly by combining electric and chemical propulsion, to avoid a collision with debris or to compensate for a failure when placed in a transfer orbit.
  • FIG. 1 relate to a Hall effect thruster 10 of the prior art.
  • the hall effect thruster 10 is shown schematically.
  • a central magnetic coil 12 surrounds a central core 14 extending along the main longitudinal axis A.
  • An annular inner wall 16 encircles the central coil 12.
  • This inner wall 16 is surrounded by an annular outer wall 18, the wall 16 and the outer wall 18 defining between them an annular space extending around the main axis A.
  • the inner wall 16 and the outer wall 18 form part of a single ceramic part or discharge channel 21, this ceramic being insulating and homogeneous, in particular made from boron nitride.
  • Boron nitride ceramics allow Hall effect thrusters to achieve high performance in terms of efficiency, but nevertheless exhibit high erosion rates under ion bombardment, which limits the life of thrusters.
  • the upstream end 21a of the discharge channel 21 (on the left in FIG. 1) is closed by a bottom wall 17 and comprises an injection system with a pipe 24 for supplying the ionizable gas (generally xenon). , the pipe 24 being connected by a feed hole 25 to an anode 26 placed in the upstream section of the discharge zone and delimiting a distributor 51 for the injection of the gas molecules into the discharge channel 21.
  • the term "distributor" a cavity, or series of cavities, for distributing the ionizable gas flow transversely in the discharge channel to obtain a homogeneous flow in the discharge channel.
  • the bottom wall 17 of the annular and radial discharge channel 21 has an opening for the passage of the pipe 24.
  • the gas molecules pass from a tubular path from the pipe 24 to an injection according to an annular section in the upstream end 21a of the discharge channel 21.
  • the downstream end 21b of the discharge zone 21 is open (on the right in FIG. 1).
  • the discharge chamber 19, the pipe 24, and the anode 26 forming the distributor form the discharge channel 21.
  • Several peripheral magnetic coils 30 having an axis parallel to the main axis A are arranged all around the outer wall 18.
  • the central magnetic coil 12 and the peripheral magnetic coils 30 make it possible to generate a radial magnetic field B whose intensity is maximum at the downstream end 21b of the discharge channel 21.
  • a hollow cathode 40 is disposed outside the peripheral windings 30, its output being oriented in order to eject electrons towards the main axis A and the zone situated downstream of the downstream end 20b of the discharge 20. A potential difference is established between the cathode 40 and the anode 26.
  • the electrons thus ejected are partly directed inside the discharge channel 21. Some of these electrons arrive, under the influence of the electric field generated between the cathode 40 and the anode 26, to the anode 26 while that the majority of them is trapped by the intense magnetic field B near the downstream end 21b of the discharge channel 21.
  • the electrons caught by the magnetic field B in the vicinity of the downstream end 21b of the discharge channel 21 create an axial electric field E, which accelerates the ions between the anode 26 and the output (the end downstream 21b) of the discharge channel 201, so that these ions are ejected at high speed from the discharge channel 21, which causes the propulsion of the engine.
  • the trajectory of the ions is not parallel to the main axis A of the thruster 10, corresponding to the thrust direction, but this trajectory is subject to angular deflection.
  • the assembly forming the discharge channel 21 and comprising the anode 26 and the discharge chamber 19, must withstand thermomechanical stresses throughout the life of the engine (at least 15 years) while ensuring the various functions it performs and in particular by remaining tight so that the trajectory of gas molecules and ions remains confined to the course delimited in particular by the distributor 51 upstream of the ionization zone 28.
  • the distributor 51 comprises several successive chambers 51a, 51b and 51c formed directly in the anode 26.
  • the anode 26 is made of technically conductive material, such as carbon (graphite) or a metal or metal alloy such as stainless steel.
  • the discharge channel 21 (bottom wall 17, inner wall 16 and outer wall 18) is made of ceramic and is sealingly connected with the anode 26.
  • the seal 26 is maintained between the anode 26 and the inner and outer walls 16 and 18, and doing so at the chambers 26a, 26b and 26c of the distributor formed by the anode 26.
  • connection is made for example by soldering in different attachment zones 60 (see FIG. 2) between the anode 26 and the walls 16, 17 and 18 of the discharge chamber 19, which ensures the sealing of the chambers 51a, 51b and 51c of the distributor 51.
  • this connection is made by a pin or any other fastener element between the anode 26 and the discharge channel 21.
  • the sealing of the chambers 51a, 51b and 51c is ensured by sealing the walls side of the anode (by soldering).
  • this anode 26 is typically made of several parts, manufactured by machining independently, and which are then assembled to each other, in particular by brazing, before being mounted at the bottom of the discharge channel 21.
  • the brazing technique is used, which is used in many locations given the large number of parts making up the anode, which multiplies the time required to their realization as well as the risk of leakage.
  • the present invention aims to provide a plasma thruster to overcome the disadvantages of the prior art and in particular offering the possibility of simplifying the manufacture of the discharge channel, to reduce costs without losing thermomechanical performance and durability of life.
  • a plasma thruster which is characterized in that at least one transverse wall made by additive manufacturing material different from that of the anode partially separates the distributor from the ionization zone.
  • additive manufacturing means any manufacturing process, such as stereolithography, based on the construction of the piece layer by layer by adding material. With such a manufacturing technique it is possible to produce complex shapes with more precise dimensional tolerances than with production techniques by ablation of material or machining, and this especially for ceramic materials.
  • said at least one transverse wall may in particular be formed in a monobloc assembly delimiting said distributor. Said pipe may then also be formed in said one-piece assembly.
  • said at least one transverse wall may be located downstream of said anode, which makes it possible to integrate the anode at the bottom of the distributor.
  • the anode may be made of metal or an electrically conductive ceramic.
  • the metal can be used stainless steel, especially stainless steel type "Kovar" and electrically conductive ceramic, can be used a metalloceramic material.
  • said transverse wall may be made of a dielectric material such as BN boron nitride or Al 2 O 3 alumina.
  • the inner and outer walls of said discharge chamber may be made of the same dielectric material as said transverse wall.
  • the discharge channel further comprises at least one wear ring placed at its downstream end, on the inner face of the outlet section of the outlet channel.
  • said wear ring being made of ceramic, in a ceramic chosen for these erosion resistance properties and in particular based on boron nitride.
  • the invention also relates to the method of manufacturing a discharge channel for a plasma thruster such as that previously defined.
  • the anode can be attached to a substrate of different material by soldering.
  • the invention thus provides a discharge channel which is formed by a small number of parts.
  • FIG. 1 already described, is a schematic sectional view of a Hall effect plasma thruster of the prior art
  • FIG. 2 already described, is an enlarged sectional view of the radial section of the anode of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a view similar to that of FIG. 2 for a first alternative embodiment of the discharge channel
  • FIG. 4 is a view similar to that of FIG. 2 for a second alternative embodiment of the discharge channel
  • the discharge channel 121 which is of symmetry of revolution about the main axis A,
  • This anode 154 is formed by two coaxial and concentric rings 154a, 154b aligned respectively with the inner 116 and outer 118 walls of the downstream portion 156.
  • two rings are provided at the downstream end, open, of the downstream portion 156.
  • 172 and 174 are respectively placed on the face facing the ionization zone 128 of the downstream end of the annular inner wall 116 and the annular outer wall 118.
  • a recess shoulder 116a and 118a placed the downstream end of the annular inner wall 116 and the annular outer wall 118, to create an annular housing for receiving the wear rings 172 and 174 flush with the remainder of the annular inner wall 116 and the annular outer wall 118.
  • the wear rings 172 and 174 are manufactured separately, for example by machining, preferably in BNS1O2, and mounted by means of a solder bond or by co-sintering with the walls 116 and 118. According to an alternative not shown, a single wear ring, either the wear ring 172 or the wear ring 174, is used on the wall of the two walls 116 and 118, which is further subjected to the ionic flow.
  • the upstream portion 152 and the downstream portion 156 are made of a first material (dielectric material, preferably Al 2 O 3 alumina, or BN boron nitride) while the anode 154 is made of a second conductive material (stainless steel or "Kovar").
  • first material dielectric material, preferably Al 2 O 3 alumina, or BN boron nitride
  • second conductive material stainless steel or "Kovar"
  • At least the upstream portion 152 may be performed by an additive manufacturing technique.
  • the laser projection technique Direct Metal Deposition, DMD
  • selective laser melting Selective Laser Melting, SLM
  • the laser beam scans at least one region of a previously deposited layer of powder, and follows a predetermined part profile.
  • the galvanometric head is controlled according to the information contained in the database of the computer tool used for computer-aided design and manufacture of the part to be manufactured.
  • UV polymerization or UV polymerization or selective UV stereolithography
  • the piece is built layer by layer by stereolithography and a UV laser beam consolidates on each successive layer surfaces programmed by CAD (computer-aided design).
  • the manufacturing method for obtaining the upstream portion 152 according to the first variant of Figure 3 implements a one-piece assembly delimiting the distributor 151, and made in one piece by additive manufacturing.
  • the distributor 151 is formed in a single piece of complex shape, closing the upstream end of the discharge channel 121.
  • the distributor 151 comprises annular chambers 151a and 151b superimposed in the axial direction, connected to the pipe 124 opening into the first annular chamber 151a, along the arrow 160.
  • a series of flow orifices 151c directed axially lead, according to the arrow 162, the gas in the second annular chamber 151b, partially separated from the ionization zone 128 by transverse walls 151d, 151e.
  • An annular exhaust orifice 151f between the walls 151d, 151e connects the distributor 151 to the ionization zone 128, near the anode 154.
  • the discharge channel 221 which is symmetrical about the main axis A, comprises:
  • downstream portion 256 comprising an annular and axial inner wall 216 and an outer wall 218, extending downstream from said upstream and intermediate portions 252, 253 in order to delimit the ionization zone 228 and presenting upstream at least one channel 224 of supplying gas in communication with the distributor 251 through the orifices 253c of the intermediate portion 253, and
  • the anode 254 is manufactured separately and is fixed on a non-conductive substrate formed by the upstream portion 252 in a sealed manner by soldering, in particular by vitreous brazing (by means of a filler material for example siliceous placed on the connecting zones, the discharge channel 221 being placed under stress in an oven at a temperature greater than the operating temperature of the thruster). Furthermore, according to this second embodiment, the intermediate portion 253 is fixed on the one hand to the downstream portion 256 and on the other hand to the upstream portion 252 of the distributor assembly 251 also by brazing.

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Abstract

L'invention concerne un propulseur plasmique à effet Hall (10) comprenant : - un canal (121) de décharge annulaire autour d'un axe principal (A) avec une extrémité aval ouverte, présentant une zone d'ionisation (128) entre une paroi interne (116) et une paroi externe (118), et comportant en outre une anode (154) et un distributeur (151) placés en amont de la zone d'ionisation (128) De façon caractéristique, au moins une paroi transversale (152a,152b; 253d,253e) réalisée par fabrication additive en matériau différent à celui de l'anode (154,254) sépare partiellement le distributeur (151,251) de la zone d'ionisation (128,228)

Description

Propulseur plasmique à effet Hall
L'invention concerne un moteur du type propulseur plasmique à effet Hall comprenant un canal de décharge annulaire (formant un canal principal d'ionisation et d'accélération) autour d'un axe principal avec une extrémité aval ouverte, présentant une zone d'ionisation entre une paroi interne et une paroi externe, et comportant en outre une anode et un distributeur placés en amont de la zone d'ionisation, au moins une cathode, un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal, et une canalisation pour alimenter en gaz ionisable le canal, ledit distributeur étant relié à la canalisation et permettant au gaz ionisable de s'écouler dans la zone d'ionisation du canal de façon concentrique autour de l'axe principal.
Ce type de moteur est encore appelé moteur à plasma à dérive fermée d'électrons ou moteurs à plasma stationnaire.
L'invention concerne en particulier les propulseurs à plasma à effet Hall utilisés pour la propulsion électrique spatiale, en particulier pour la propulsion de satellites, tels que des satellites géostationnaires de télécommunication. Grâce à leur haute impulsion spécifique (de 1500 à 3000s), ils permettent des gains de masse considérables sur les satellites par rapport à des moteurs utilisant la propulsion chimique.
L'une des applications typique de ce type de moteur correspond au contrôle nord/sud des satellites géostationnaires, pour lesquels on obtient des gains de masse de 10 à 15%. Ce type de moteur est également utilisé en propulsion primaire interplanétaire, en compensation de traînée d'orbite basse, en maintien d'orbite héliosynchrone, en transfert d'orbites et en désorbitation de fin de vie. Il peut être utilisé occasionnellement, éventuellement en combinant propulsion électrique et chimique, pour éviter une collision avec un débris ou pour compenser une défaillance lors de la mise sur une orbite de transfert.
Les figures 1 et 2 se rapportent à un propulseur à effet Hall 10 de l'art antérieur. Sur la figure 1, le propulseur à effet hall 10 est représenté de façon schématique. Un bobinage magnétique central 12 entoure un noyau central 14 s'étendant selon l'axe principal longitudinal A. Une paroi interne 16 annulaire encercle le bobinage central 12. Cette paroi interne 16 est entourée par une paroi externe annulaire 18, la paroi interne 16 et la paroi externe 18 délimitant entre elles un espace annulaire s'étendant autour de l'axe principal A.
Dans la suite de la description, le terme « interne » désigne une partie proche de l'axe principal A tandis que le terme « externe » désigne une partie éloignée de l'axe principal A. Egalement, « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz (de l'amont vers l'aval) à travers l'espace annulaire délimité par les parois 16,18.
Habituellement, la paroi interne 16 et la paroi externe 18 font partie d'une unique pièce en céramique ou canal de décharge 21, cette céramique étant isolante et homogène, notamment réalisée à base de nitrure de bore. Les céramiques à base de nitrure de bore permettent aux propulseurs à effet Hall d'atteindre des performances élevées en termes de rendement, mais présentent toutefois des taux d'érosion élevée sous bombardement ionique, ce qui limite la durée de vie des propulseurs.
L'extrémité amont 21a de du canal de décharge 21 (à gauche sur la figure 1) est fermée par une paroi de fond 17 et comporte un système d'injection avec une canalisation 24 d'amenée du gaz ionisable (en général du xénon), la canalisation 24 étant reliée par un trou d'alimentation 25 à une anode 26 placée dans le tronçon amont de la zone de décharge et délimitant un distributeur 51 pour l'injection des molécules de gaz dans le canal de décharge 21. Dans le présent contexte, on entend par « distributeur » une cavité, ou série de cavités, destinée à distribuer le débit de gaz ionisable transversalement dans le canal de décharge afin d'obtenir un écoulement homogène dans ce canal de décharge.
Afin de relier la canalisation 24 au distributeur 51, la paroi de fond 17 du canal de décharge 21, annulaire et radiale, présente une ouverture pour le passage de la canalisation 24.
Au niveau de l'anode 26, les molécules de gaz passe d'un parcours tubulaire en provenance de la canalisation 24 à une injection selon une section annulaire dans l'extrémité amont 21a du canal de décharge 21.
L'extrémité aval 21b de la zone de décharge 21 est ouverte (à droite sur la figure 1).
La chambre de décharge 19, la canalisation 24, et l'anode 26 formant distributeur forment le canal de décharge 21. Plusieurs bobinages magnétiques périphériques 30 présentant un axe parallèle à l'axe principal A sont disposés tout autour de la paroi externe 18. Le bobinage magnétique central 12 et les bobinages magnétiques périphériques 30 permettent de générer un champ magnétique radial B dont l'intensité est maximale au niveau de l'extrémité aval 21b du canal de décharge 21.
Une cathode creuse 40 est disposée à l'extérieur des bobinages périphériques 30, sa sortie étant orientée afin d'éjecter des électrons en direction de l'axe principal A et de la zone située en aval de l'extrémité aval 20b de la zone de décharge 20. Il est établi une différence de potentiel entre la cathode 40 et l'anode 26.
Les électrons ainsi éjectés sont en partie dirigés à l'intérieur du canal de décharge 21. Certains de ces électrons parviennent, sous l'influence du champ électrique généré entre la cathode 40 et l'anode 26, jusqu'à l'anode 26 tandis que la majorité d'entre eux se retrouve piégés par le champ magnétique B intense au voisinage de l'extrémité aval 21b du canal de décharge 21.
Des électrons échappant vers l'anode 26 entrent en collision avec des molécules de gaz circulant de l'amont vers l'aval dans le canal de décharge 21, et réalisent ainsi une ionisation de ces molécules de gaz dans la zone d'ionisation 28.
D'autre part, les électrons attrapés par le champ magnétique B au voisinage de l'extrémité aval 21b du canal de décharge 21 créent un champ électrique E axial, ce qui accélère les ions entre l'anode 26 et la sortie (l'extrémité aval 21b) du canal de décharge 201, de telle sorte que ces ions sont éjectés à grande vitesse du canal de décharge 21, ce qui engendre la propulsion du moteur.
Cependant, notamment du fait de la présence du champ magnétique radial B (lignes de champ 42) la trajectoire des ions n'est pas parallèle à l'axe principal A du propulseur 10, correspondant à la direction de poussée, mais cette trajectoire subit une déflection angulaire.
Cette situation soumet le tronçon de sortie du canal de décharge 21 à une importante contrainte due à l'érosion subie par les parois 16, 18, qui sont frappées à grande vitesse par une partie des ions.
Par ailleurs, l'ensemble formant le canal de décharge 21 et comprenant l'anode 26 et la chambre de décharge 19, doit résister à des contraintes thermomécaniques pendant toute la durée de vie du moteur (au moins 15 ans) tout en assurant les différentes fonctions qu'il remplit et notamment en restant étanche afin que la trajectoire des molécules de gaz puis des ions reste confinée au parcours délimité notamment par le distributeur 51 en amont de la zone d'ionisation 28.
Grâce à ce parcours dirigé, on peut, en tenant compte du champ magnétique radial à l'extrémité aval du canal de décharge, engendrer à la sortie du canal de décharge 21 le mouvement souhaité pour le gaz ionisé.
Dans l'exemple de la figure 2, le distributeur 51 comprend plusieurs chambres 51a, 51b et 51c successives formées directement dans l'anode 26.
Classiquement, l'anode 26 est réalisée en matériau techniquement conducteur, tel que le carbone (graphite) ou un métal ou alliage métallique comme par exemple l'acier inoxydable.
Par ailleurs, classiquement, le canal de décharge 21 (paroi de fond 17, paroi interne 16 et paroi externe 18) est réalisé en céramique et est reliée de façon étanche avec l'anode 26.
Ainsi, en utilisant pour l'anode 26 et pour la chambre de décharge 19 des matériaux présentant un coefficient de dilatation thermique proche, on assure le maintien d'une liaison étanche entre l'anode 26 et les parois interne 16 et externe 18, et ce faisant au niveau des chambres 26a, 26b et 26c du distributeur formé par l'anode 26.
Cette liaison est réalisée par exemple par brasage dans différentes zones de fixation 60 (voir figure 2) entre l'anode 26 et les parois 16, 17 et 18 de la chambre de décharge 19, ce qui assure l'étanchéité des chambres 51a, 51b et 51c du distributeur 51.
Alternativement, cette liaison est réalisée par un pion ou tout autre élément de fixation entre l'anode 26 et le canal de décharge 21. Dans ce cas, l'étanchéité des chambres 51a, 51b et 51c est assurée en fermant de façon étanche les parois latérales de l'anode (par brasage).
Compte tenu de la complexité géométrique requise de l'anode 26 pour former les chambres successives du distributeur 51, cette anode 26 est typiquement réalisée en plusieurs pièces, fabriquées par usinage de façon indépendante, et qui sont ensuite assemblées les unes aux autres, notamment par brasage, avant leur montage au fond du canal de décharge 21.
La fabrication de ces différentes pièces est rendue encore plus complexe par la présence des séries d'orifices 27a, 27b, 27c de petit diamètre (de l'ordre de 0.4 mm) assurant le parcours du flux gazeux depuis le trou d'alimentation 25, au travers des différentes chambres 51a, 51b et 51c formée dans l'anode qui remplit le rôle de distributeur, vers la sortie de l'anode 26.
De plus, lorsqu'il s'agit de pièces annulaires de grand diamètre, il en résulte une certaine déformation de type gondolement qui empêche une bonne planéité de ces pièces.
Egalement, les différentes pièces formant l'anode 26 devant être assemblées de façon étanche, on utilise la technique de brasure, qui est employée sur de nombreux emplacements compte tenu du nombre important de pièces composant l'anode, ce qui multiplie le temps nécessaire à leur réalisation ainsi que le risque de défaut d'étanchéité.
La présente invention a pour objectif de fournir un propulseur plasmique permettant de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et en particulier offrant la possibilité de simplifier la fabrication du canal de décharge, pour diminuer les coûts sans perdre en qualité de tenue thermomécanique et en durée de vie.
A cet effet, selon la présente invention, on propose un propulseur plasmique qui est caractérisé en ce qu'au moins une paroi transversale réalisée par fabrication additive en matériau différent à celui de l'anode sépare partiellement le distributeur de la zone d'ionisation.
On entend par « fabrication additive » tout procédé de fabrication, comme par exemple la stéréolithographie, basé sur la construction de la pièce couche par couche par addition de matière. Avec une telle technique de fabrication on peut réaliser des formes complexes avec des tolérances dimensionnelles plus précises qu'avec les techniques de fabrication par ablation de matière ou usinage, et ceci notamment pour les matériaux céramiques.
De cette manière, il est possible de réduire le nombre de pièces constitutives du canal de décharge.
Afin de simplifier la structure du canal de décharge, ladite au moins une paroi transversale peut notamment être formée dans un ensemble monobloc délimitant ledit distributeur. Ladite canalisation peut alors être également formée dans ledit ensemble monobloc.
Alternativement, toutefois, ladite au moins une paroi transversale peut être située en aval de ladite anode, ce qui permet d'intégrer l'anode au fond du distributeur.
En particulier, l'anode peut être en métal ou dans une céramique électriquement conductrice.
Comme métal on peut utiliser de l'acier inoxydable, et notamment de l'acier inoxydable de type « Kovar », et comme céramique électriquement conductrice, on peut utiliser un matériau métallo- céramique.
Par ailleurs, ladite paroi transversale peut être réalisée dans un matériau diélectrique tel que du nitrure de bore BN ou de l'alumine Al203.
Afin de faciliter leur intégration, les parois intérieure et extérieure de ladite chambre de décharge peuvent être réalisées dans le même matériau diélectrique que ladite paroi transversale.
Par ailleurs, afin de prévenir l'érosion de la sortie du canal de décharge, on peut prévoir que le canal de décharge comporte en outre au moins une bague d'usure placée à son extrémité aval, sur la face interne du tronçon de sortie de la chambre de décharge, ladite bague d'usure étant réalisée en céramique, dans une céramique choisie pour ces propriétés de résistance à l'érosion et notamment à base de nitrure de bore.
Afin de permettre aisément la fabrication d'un tel canal de décharge, l'invention porte également sur le procédé de fabrication d'un canal de décharge pour un propulseur plasmique tel que celui précédemment défini.
L'anode peut être fixée sur un substrat de matériau différent par brasage.
L'invention permet ainsi de disposer d'un canal de décharge qui est formé par un nombre réduit de pièces.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, est une vue schématique en coupe d'un propulseur plasmique à effet Hall de l'art antérieur, - la figure 2, déjà décrite, est une vue agrandie en coupe de la section radiale de l'anode de la figure 1,
- la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2 pour une première variante de réalisation du canal de décharge, et
- la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 2 pour une deuxième variante de réalisation du canal de décharge, et
On décrit maintenant en relation avec les figures 3 et 4 différents modes de réalisation du canal de décharge du propulseur plasmique selon l'invention.
Dans une première variante de réalisation, illustrée sur la figure 3, le canal de décharge 121, qui est de symétrie de révolution autour de l'axe principal A,
comprend une portion amont 152, fermant l'extrémité amont du canal de décharge 121, délimitant le distributeur 151, et présentant au moins une canalisation 124 d'amenée de gaz au distributeur 151, une portion aval 156, délimitant la zone d'ionisation 128 au moyen d'une paroi interne 116 annulaire et d'une paroi externe 118 annulaire, et une anode 154 située entre la portion amont 152 et la portion aval 156 et jointe de manière étanche à celles-ci par brasage, notamment par brasage de type vitreux (au moyen d'un matériau d'apport par exemple siliceux placé sur les zones de liaison). Cette anode 154 est formée par deux bagues 154a,154b coaxiales et concentriques alignées respectivement avec les parois interne 116 et externe 118 de la portion aval 156. En outre, à l'extrémité aval, ouverte, de la portion aval 156, deux bagues d'usure 172 et 174 sont placées respectivement sur la face tournée vers la zone d'ionisation 128 de l'extrémité aval de la paroi interne 116 annulaire et de la paroi externe 118 annulaire. A cet effet, on prévoit lors de la fabrication des parois 116 et 118, un épaulement rentrant 116a et 118a placée l'extrémité aval de la paroi interne 116 annulaire et de la paroi externe 118 annulaire, afin de créer un logement annulaire permettant de recevoir les bagues d'usure 172 et 174 de façon affleurante avec le reste de la paroi interne 116 annulaire et de la paroi externe 118 annulaire.
Les bagues d'usure 172 et 174 sont fabriquées séparément, par exemple par usinage, de préférence dans du BNS1O2, et montée au moyen d'une liaison par brasage ou par co-frittage avec les parois 116 et 118. Selon une alternative non représentée, une seule bague d'usure, soit la bague d'usure 172 soit la bague d'usure 174, est utilisée, sur la paroi parmi les deux parois 116 et 118, qui est davantage soumise au flux ionique.
Dans cette première variante, la portion amont 152 ainsi que la portion aval 156 sont réalisés dans un premier matériau (matériau diélectrique, de préférence de l'alumine Al203, ou encore du nitrure de bore BN) tandis que l'anode 154 est réalisée dans un deuxième matériau conducteur (acier inoxydable ou « Kovar »).
Au moins la portion amont 152 peut être réalisée par une technique de type fabrication additive.
Par exemple, on peut utiliser la technique de projection laser (Direct Métal Déposition, DMD) ou de fusion sélective par laser (Sélective Laser Melting, SLM) de lits de poudre. Dans ces deux cas, le faisceau laser balaye au moins une région d'une couche de poudre préalablement déposée, et suit un profil de pièce préétabli. Pour ce faire, la tête galvanométrique est commandée selon les informations contenues dans la base de données de l'outil informatique utilisé pour la conception et la fabrication assistées par ordinateur de la pièce à fabriquer.
On peut encore utiliser la technique de photopolymérisation (ou polymérisation par UV ou stéréolithographie par UV sélectif). Dans ce cas, on construit la pièce couche par couche par stéréolithographie et un faisceau laser UV vient consolider sur chaque couche successive des surfaces programmées par CAO (conception assistée par ordinateur).
On comprend donc que le procédé de fabrication permettant d'obtenir la portion amont 152 selon la première variante de la figure 3 met en œuvre un ensemble monobloc, délimitant le distributeur 151, et réalisé d'une seule pièce par fabrication additive.
De cette façon, le distributeur 151 est formé dans une pièce unique de forme complexe, fermant l'extrémité amont du canal de décharge 121.
Le distributeur 151 comprend des chambres annulaires 151a et 151b superposées en direction axiale, connectées à la canalisation 124 débouchant dans la première chambre annulaire 151a, suivant la flèche 160. A la sortie de la première chambre annulaire 151a une série d'orifices d'écoulement 151c dirigés axialement conduisent, suivant la flèche 162, le gaz dans la deuxième chambre annulaire 151b, séparée partiellement de la zone d'ionisation 128 par des parois transversales 151d, 151e. Un orifice annulaire d'échappement 151f entre les parois 151d, 151e relie le distributeur 151 à la zone d'ionisation 128, à proximité de l'anode 154.
Dans la deuxième variante de réalisation de la figure 4, le canal de décharge 221, qui est de symétrie de révolution autour de l'axe principal A, comprend :
- une portion amont 252, en forme d'anneau plat monobloc fermant l'extrémité amont du canal de décharge 221,
- une portion intermédiaire 253 en forme de bague creuse et fendue, superposée sur et en aval de la portion amont 255 ; la portion intermédiaire 253 comportant d'amont en aval deux parois 253a, 253b axiales et cylindriques, coaxiales entre elles, équipées à leur extrémité amont, de plusieurs rangées superposées d'orifices radiaux 253c, et deux parois transversales 253d, 253e séparées par un orifice annulaire d'échappement 253f reliant un distributeur 251 délimité par la portion amont 252 et la portion aval 253 à une zone d'ionisation 228 en aval,
- une anode 254 disposée sur une face interne de la portion amont 255 dans le distributeur 251,
- une portion aval 256 comprenant une paroi interne 216 et une paroi externe 218, annulaires et axiales, se prolongeant en aval desdites portions amont et intermédiaire 252,253 afin de délimiter la zone d'ionisation 228 et présentant en amont au moins un canal 224 d'amenée de gaz en communication avec le distributeur 251 à travers les orifices 253c de la portion intermédiaire 253, et
- deux bagues d'usure 272 et 274, placées respectivement sur la face tournée vers la zone d'ionisation 228 de l'extrémité aval de la paroi interne 216 annulaire et de la paroi externe 218 annulaire.
L'anode 254 est fabriquée séparément et est fixée sur un substrat non-conducteur formé par la portion amont 252 de façon étanche par brasage, notamment par brasage de type vitreux (au moyen d'un matériau d'apport par exemple siliceux placée sur les zones de liaison, le canal de décharge 221 étant placé sous contrainte dans un four à une température plus importante que la température de fonctionnement du propulseur). Par ailleurs, selon cette deuxième variante de réalisation, la portion intermédiaire 253 est fixée d'une part à la portion aval 256 et d'autre part à la portion amont 252 de l'ensemble distributeur 251 également par brasage.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Propulseur plasmique à effet Hall comprenant :
- un canal (121,221) de décharge annulaire autour d'un axe principal (A) avec une extrémité aval ouverte, présentant une zone d'ionisation (128,228) entre une paroi interne (116,216) et une paroi externe (118,218), et comportant en outre une anode (154,254) et un distributeur (151,251) placés en amont de la zone d'ionisation (128,228),
- au moins une cathode,
- un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal, et
- une canalisation (124,224) pour alimenter en gaz ionisable le canal (121,221),
ledit distributeur (151,251) étant relié à la canalisation (124,224) et permettant au gaz ionisable de s'écouler dans la zone d'ionisation (128,228) du canal (121,221) de façon concentrique autour de l'axe principal (A),
caractérisé en ce qu'au moins une paroi transversale (152a, 152b ; 253d, 253e) réalisée par fabrication additive en matériau différent à celui de l'anode (154,254) sépare partiellement le distributeur (151,251) de la zone d'ionisation (128,228).
2. Propulseur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite au moins une paroi transversale (152a, 152b) est formée dans un ensemble monobloc (152) délimitant ledit distributeur (151).
3. Propulseur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite canalisation (124) est également formée dans ledit ensemble monobloc (152).
4. Propulseur selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une paroi transversale (253d, 253e) est située en aval de ladite anode (254).
5. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite anode (154 ; 254) est en métal ou dans une céramique électriquement conductrice.
6. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite paroi transversale est réalisée dans un matériau diélectrique tel que du nitrure de bore BN ou de l'alumine Al203.
7. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites parois interne et externe (116,118 ; 216, 218) sont réalisées dans le même matériau diélectrique que ladite paroi transversale (152a, 152b ; 253d, 253e).
8. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal de décharge (121 ; 221) comporte en outre une bague d'usure (172, 174 ; 272, 274) placée à son extrémité aval, sur au moins une desdites parois interne et externe (116, 118 ; 216, 218), face à la zone d'ionisation (128,228), ladite bague d'usure (172, 174 ; 272, 274) étant réalisée en céramique.
9. Propulseur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la céramique de la bague d'usure (172, 174 ; 272, 274) est à base de nitrure de bore.
10. Procédé de fabrication pour un propulseur plasmique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'anode (154,254) est fixée sur un substrat de matériau différent par brasage.
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