WO2017037062A1 - Propulseur ionique a grille avec agent propulsif solide integre - Google Patents

Propulseur ionique a grille avec agent propulsif solide integre Download PDF

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WO2017037062A1
WO2017037062A1 PCT/EP2016/070412 EP2016070412W WO2017037062A1 WO 2017037062 A1 WO2017037062 A1 WO 2017037062A1 EP 2016070412 W EP2016070412 W EP 2016070412W WO 2017037062 A1 WO2017037062 A1 WO 2017037062A1
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WO
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chamber
voltage source
propellant
plasma
extraction
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/070412
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English (en)
Inventor
Dmytro RAFALSKYI
Ane Aanesland
Original Assignee
Ecole Polytechnique
Centre National De La Recherche Scientifique
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Priority to CA2996431A priority patent/CA2996431C/fr
Priority to EP16760449.5A priority patent/EP3344873B1/fr
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Priority to US15/755,322 priority patent/US11060513B2/en
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    • F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters
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    • F03H1/0081—Electromagnetic plasma thrusters
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Definitions

  • the invention relates to a plasma propellant comprising an integrated solid propellant.
  • the invention more specifically relates to an ionic propellant, gate, comprising an integrated solid propellant.
  • the invention may find application for a satellite or a space probe.
  • the invention may find application for small satellites.
  • the invention will find an application for satellites having a mass of between 6kg and 100kg, possibly up to 500kg.
  • a particularly interesting case of application is the "CubeSat" of which a module (U) base is less than 1 kg and has dimensions of 10cm * 10cm * 10cm.
  • the plasma thruster of the invention may in particular be integrated in a 1 U module or a half-module (1 / 2U) and used in stacks of several modules by 2 (2U), 3 (3U), 6 (6U) , 12 (12U) or more.
  • a solid propellant plasma propellant has already been proposed. They can be classified into two categories, depending on whether they implement a plasma chamber or not.
  • teflon solid propellant
  • This electrical discharge causes Teflon ablation its ionization and its acceleration mainly electromagnetically to generate an ion beam directly into the outer space.
  • a laser beam is used to carry out the ablation and ionization of a solid propellant, for example PVC or Kapton®.
  • the acceleration of the ions is generally carried out electromagnetically.
  • an insulator is provided between an anode and a cathode, the whole being under vacuum.
  • the metal cathode serves as ablation material to generate ions.
  • the acceleration is effected electromagnetically.
  • the solid propellant is abiaté, ionized and the ions are accelerated to provide propulsion with an all-in-one device.
  • the ion beam is more or less controlled because there are no separate means for controlling the plasma density induced by ablation of the solid propellant and the speed of the tones.
  • the thrust and the specific impulse of the thruster can not be controlled separately.
  • This type of inconvenience is generally not present when a plasma chamber is used.
  • This power system is usable for any thruster implementing a plasma chamber.
  • the solid propellant (iodine l 2l in this case) is stored in a tank.
  • Heating means is associated with the tank. This heating means may be an element capable of receiving external radiation placed on the outside of the tank.
  • the diode is sublimated.
  • the diode in the gas state leaves the tank and is directed to a chamber, remote from the tank, where it is ionized to form a plasma. Ionization is carried out, in this case, by Hall effect.
  • the flow of gas entering the plasma chamber is controlled by a valve disposed between the reservoir and this chamber. We can thus realize a better control of the sublimation of the diode and the characteristics of the plasma, compared to the techniques described in the document D1.
  • the characteristics of the ion beam exiting the chamber can then be controlled by a means for extracting and accelerating ions separated from the means used to sublimate the solid propellant and to generate the plasma.
  • This plasma thruster based on Hall effect, is therefore likely to be more compact than that proposed in documents D2, D3 or D4. It is also likely to better control the evaporation of the propellant, the plasma and the extraction of ions, compared to the document D1.
  • the propellant is stored in the liquid state and uses an additional system of electrodes to control the flow of gas leaving the reservoir,
  • An object of the invention is to overcome at least one of the aforementioned drawbacks.
  • the invention proposes an ionic propellant, characterized in that it comprises:
  • a reservoir comprising a solid propellant, said reservoir being housed in the chamber and comprising a conductive envelope provided with at least one orifice;
  • a set of means for forming an ion-electron plasma in the chamber said assembly being able to sublimate the solid propellant in the reservoir to form a propellant in the gas state, then to generate said plasma in the chamber from the propellant in the state of gas from the reservoir through said at least one orifice;
  • said extraction and acceleration means comprising:
  • DC voltage source or a radiofrequency AC voltage source arranged in series with a capacitor and adapted to generate a signal whose radiofrequency is between the plasma frequency of the ions and the electron plasma frequency, said DC or AC voltage source radiofrequency being connected, by one of its outputs, by means of extraction and acceleration of at least the plasma ions out of the chamber, and more precisely:
  • said extraction and acceleration means and said direct or alternating radiofrequency voltage source making it possible to form, at the outlet of the chamber, a beam comprising at least ions.
  • the thruster may also include at least one of the following features, taken alone or in combination:
  • the voltage source connected to the extraction and acceleration means is a radio frequency alternating voltage source
  • the set of means for forming the ion-electron plasma comprises at least one coil supplied by the same radio frequency alternating voltage source via means for managing the signal supplied by said radiofrequency voltage source towards, on the one hand, said at least one coil and secondly, extraction and acceleration means for forming an ion and electron beam at the outlet of the chamber;
  • the set of means for forming the ion-electron plasma comprises at least one coil supplied by a radio frequency alternating voltage source different from the radiofrequency DC or DC voltage source connected to the extraction and acceleration means or at least one microwave antenna powered by a microwave AC voltage source;
  • the voltage source connected to the extraction and acceleration means is a radiofrequency AC voltage source, to form, at the outlet of the chamber, a beam of ions and electrons;
  • the extraction and acceleration means is an assembly of at least two grids located at one end of the chamber, the electron-neutrality of the ion-electron beam is obtained at least partly by adjusting the duration applying positive and / or negative potentials from the radiofrequency AC voltage source connected to the extraction and acceleration means;
  • the extraction and acceleration means is an assembly of at least two grids located at one end of the chamber, the electron-neutrality of the ion-electron beam is obtained at least partly by adjusting the amplitude of positive and / or negative potentials from the radio frequency alternating voltage source connected to the extraction and acceleration means;
  • the voltage source connected to the extraction and acceleration means is a DC voltage source, to form, at the outlet of the chamber, an ion beam, the thruster further comprising means for injecting electrons into said ion beam to ensure electroneutrality;
  • the reservoir comprises a membrane located between the solid propellant and the envelope provided with at least one orifice, said membrane comprising at least one orifice, the surface of the or each orifice of the membrane being larger than the surface of the or each orifice of the tank shell;
  • the or each grid has orifices whose shape is chosen from among the following forms: circular, square, rectangular or in the form of slits, in particular slots
  • the or each grid has circular orifices, the diameter of which is between 0.2 mm and 10 mm, for example between 0.5 mm and 2 mm;
  • the means for extracting and accelerating out of the chamber comprises an assembly of at least two grids situated at the end of the chamber, the distance between the two grids is between 0.2 mm and 10 mm, for example between 0.5mm and 2mm;
  • the solid propellant is chosen from: diiodine, diiodine mixed with other chemical components, ferrocene, adamantane or arsenic.
  • the invention also relates to a satellite comprising a thruster according to the invention and a power source, for example a battery or a solar panel, connected to ia or each DC or AC voltage source of the thruster.
  • a power source for example a battery or a solar panel
  • the invention also relates to a spatial probe comprising a thruster according to the invention and a power source, for example a battery or a solar panel, connected to ia or each DC or AC voltage source of the thruster.
  • a power source for example a battery or a solar panel
  • Figure 1 is a schematic view of a plasma thruster according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a schematic view of an alternative to the first embodiment shown in Figure 1;
  • Figure 3 is a schematic view of another alternative to the first embodiment shown in Figure 1;
  • Figure 4 is a schematic view of another alternative to the first embodiment shown in Figure 1;
  • FIG. 5 is a schematic view of a plasma thruster according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 6 is a schematic view of an alternative to the second embodiment shown in Figure 5;
  • Figure 7 is a schematic view of another variant of the second embodiment shown in Figure 5;
  • Figure 8 is a schematic view of another alternative to the second embodiment shown in Figure 5;
  • FIG. 9 is a schematic view of an alternative embodiment of the plasma thruster shown in FIG. 8
  • Figure 10 is a schematic view of a third embodiment of the invention.
  • FIG. 11 is a sectional view of a solid propellant tank that can be used in a plasma propellant according to the invention, whatever the embodiment envisaged, with its environment allowing it to be mounted inside the plasma chamber;
  • FIG. 12 is an exploded view of the reservoir shown in Fig. 9;
  • FIG. 13 is a curve providing, in the case of the diode (I 2 ) used as a solid propellant, the evolution of the diode vapor pressure as a function of the temperature;
  • FIG. 14 schematically represents a satellite comprising a plasma propellant according to the invention.
  • FIG. 15 schematically represents a space probe comprising a plasma propellant according to the invention.
  • a first embodiment of an ion thruster 100 according to the invention is shown in the figure.
  • the thruster 100 comprises a plasma chamber 10 and a solid propellant tank PS housed in the chamber 10. More specifically, the tank 20 comprises a conductive envelope 21 comprising the solid propellant PS, this envelope 21 being provided with one or more orifices 22. Housing the solid propellant tank 20 in the chamber 10 provides the propellant with greater compactness.
  • the thruster 100 also comprises a radiofrequency AC voltage source 30 and one or more coils 40 fed by the radiofrequency AC voltage source 30.
  • the or each coil 40 may have one or more windings (s). In Figure 1, a single coil 40 having a plurality of windings is provided.
  • the coil 40 powered by the radiofrequency AC voltage source 30, induces a current in the reservoir 20, which is conductive (eddy current).
  • the current induced in the reservoir causes a Joule effect which heats the reservoir 20.
  • the heat thus produced is transmitted to the solid propellant PS by thermal conduction and / or thermal radiation. Heating the solid propellant PS then sublimates it, the propellant thus being put in the gas state. Then, the propellant in the gas state then passes through the orifice (s) 22 of the reservoir 20, in the direction of the chamber 10.
  • This same assembly 30, 40 also makes it possible to generate a plasma in the chamber 10 by ionizing the propellant to the state of gas that is in the chamber 10.
  • the plasma thus formed will generally be an ion-electron plasma (it should be noted that the plasma chamber will also include neutral species - propellant in the state of gas - because, generally, all the gas is not ionized to form the plasma).
  • a same radio frequency AC voltage source 30 is therefore used to sublimate the solid propellant PS and create the plasma in the chamber 10.
  • a single coil 40 is also used for this purpose.
  • the chamber 10 and the reservoir 20 are initially at the same temperature.
  • the temperature of the reservoir 20, heated by the coil (s) 40 increases.
  • the temperature of the solid propellant PS also increases, the propellant being in thermal contact with the shell 21 of the tank. This causes sublimation of the solid propellant PS, within the tank 20, and consequently an increase in the propellant pressure P1 in the gas state within the tank 20 accompanying the temperature increase T1 in this tank.
  • the assembly formed by the source 30 and the coil (s) 40 makes it possible to generate the plasma in the chamber 10.
  • the solid propellant PS is then more heated by the charged particles of the plasma, the coil (s) being screened by its presence of the sheath in the plasma (skin effect) as well as by the presence of the charged particles themselves within the plasma.
  • the temperature of the tank 20 can be better controlled by the presence of a heat exchanger (not shown) connected to the tank 20.
  • orifice (s) 22 on the reservoir 20, it does not matter. Only the total surface of the orifice or, if several orifices are provided, of all these orifices has an importance. Their dimensioning will depend on the nature of the solid propellant used, and the desired operating parameters for the plasma (temperature, pressure).
  • This dimensioning will therefore be done on a case by case basis.
  • the volume of the chamber 0 is first defined, as well as the desired nominal operating pressure P2 in this chamber 10 and the desired mass flow rate m 'of positive ions at the outlet of the chamber 10. These data can be obtained by numerical modeling or by routine tests. It should be noted that this mass flow rate (m ') is substantially the same as that found between the reservoir 20 and the chamber 0. Then, the desired temperature T1 for the tank 20 is chosen.
  • diiodine (l 2 ) diiodine (l 2 )
  • adamantane crude chemical formula: Ci 0 Hi 6
  • ferrocene formula Crude chemical: Fe (C 5 H 5 ) 2
  • Arsenic can also be used, but its toxicity makes it a solid propellant whose use is less considered.
  • diiod (1 2 ) as a solid propellant.
  • FIG. 13 shows a curve providing, in the case of the diode (1 2 ), the evolution of the pressure P of the diode gas as a function of the temperature T.
  • T the temperature in Kelvins.
  • the temperature can be considered to increase by about 50K.
  • the pressure of the diode gas substantially increases by a factor of 100, for a temperature increase of 50K.
  • the leakage of diode gas through the or each orifice 22 is very small, and of the order of 100 times less than the amount of diode gas through or orifice (s) 22 in the direction of the chamber 10, when the thruster 100 is in nominal operation.
  • a propellant 100 according to the invention using diode () as propellant does not need to implement a valve for the or each orifice, contrary to the document D2.
  • the control of the propellant flow rate in the gas state is carried out by controlling the temperature of the reservoir 20, by means of the power supplied to the coil 40 by the radiofrequency AC voltage source 30 and possibly, as specified previously, by the presence of a heat exchanger connected to the reservoir 20.
  • the control is different from that which is performed in the document D3.
  • the thruster 100 also comprises a means 50 for extracting and accelerating the charged particles of the plasma, positive ions and electrons, out of the chamber 20 to form a beam 70 of charged particles at the outlet of the chamber 20.
  • this means 50 comprises a gate 51 located at an end E (outlet) of the chamber 10 and an electrode 52 housed inside the chamber 10, this electrode 52 having by construction a larger surface than that of the gate 51
  • the electrode 52 may be formed by the wall itself, which is conductive, of the tank 20.
  • the electrode 52 is isolated from the wall of the chamber by an electrical insulator 58.
  • the gate 51 may have orifices of different shapes, for example circular, square, rectangular or slot-shaped, in particular with parallel slots.
  • the diameter of an orifice may be between 0.2 mm and 10 mm, for example between 0.5 mm and 2 mm.
  • the means 50 is connected to the radiofrequency AC voltage source 30.
  • the radiofrequency AC voltage source 30 thus additionally provides for the control of the means 50 for extracting and accelerating the charged particles off. of the chamber 10. This is particularly interesting because it makes it possible to increase the compactness of the thruster 100 a little more.
  • this control of the means 50 for extraction and acceleration by the radiofrequency AC voltage source 30 makes it possible to to better control the beam 70 of charged particles, contrary to the techniques proposed in Article D1 in particular.
  • this control also makes it possible to obtain a beam with a very good electroneutrality at the outlet of the chamber 10, without using any external device for this purpose.
  • the assembly formed by the means 50 for extracting and accelerating the plasma charged particles and the radio frequency alternating voltage source 30 also makes it possible to obtain a neutralization of the beam 70 at the outlet of the chamber 10. compactness of the thruster 10 is thus increased, which is particularly advantageous for the use of this thruster 100 for a small satellite ( ⁇ 500kg), especially a micro-sateilite (10kg-100kg) or a nano-sateilite (1kg-10kg), for example of the "CubeSat" type.
  • the gate 51 is connected to the radio frequency voltage source 30 via means 60 for managing the signal supplied by said radio frequency voltage source 30 and the electrode 52 is connected to the radiofrequency voltage source. 30, in series, via a capacitor 53 and means 60 for managing the signal provided by said radio frequency voltage source 30.
  • the gate 51 is also set to a reference potential 55, for example ground.
  • the output of the radiofrequency AC voltage source 30, not connected to the means 60 is also set to the same reference potential 55, the mass according to the example.
  • the reference potential may be that of the space probe or the satellite on which the thruster 100 is mounted.
  • the means 60 for managing the signal supplied by said radiofrequency voltage source 30 thus forms a means 60 which makes it possible to transmit the signal supplied by the radiofrequency AC voltage source 30 to, on the one hand, the or each coil 40 and on the other hand, means 50 for extracting and accelerating the ions and electrons out of the chamber 10.
  • the source 30 (RF - radio frequencies) is set to define a COR F pulse such that ⁇ ⁇ , ⁇ G) RF ⁇ ⁇ ⁇ , where:
  • Ne ° np
  • the frequency of the signal supplied by the source 30 can be between a few MHz and a few hundreds of MHz, depending on the propellant used for the formation of the plasma in the chamber 10 and this, to be between the plasma frequency of the ions and the piasma frequency of electrons.
  • a frequency of 13.56 MHz is generally well suited, but one can also consider the following frequencies: 1 MHz, 2 MHz or 4 MHz.
  • the electroneutrality of the beam 70 is provided by the capacitive nature of the extraction and acceleration system 50 because, because of the presence of the capacitor 53, i! There are on average as many positive ions as electrons that are extracted over time.
  • the form of the signal produced by the radiofrequency AC voltage source 30 may be arbitrary. However, it will be possible for the signal supplied by the radiofrequency AC voltage source 30 to the electrode 52 to be rectangular or sinusoidal.
  • the operating principle for the extraction and acceleration of charged plasma particles (ions and electrons) with the first embodiment is as follows.
  • the electrode 52 has an upper surface, and generally much greater than that of the gate 51 located at the outlet of the chamber 10.
  • the application of an RF voltage to an electrode 52 having a surface greater than the gate 51 has the effect of generating at the interface between the electrode 52 and the plasma on the one hand, and at the interface between the gate 51 and the plasma on the other hand, an additional potential difference, adding to the potential difference RF.
  • This total potential difference is distributed over a sheath.
  • the sheath is a space that is formed between the grid 51 or the electrode 52 on the one hand and the piasma on the other hand where the density of positive ions is higher than the electron density.
  • This sheath has a variable thickness due to the variable RF signal applied to the electrode 52.
  • the electrode-grid system can be seen as a capacitor with two asymmetrical walls in this case the potential difference is applied to the lower capacitance part of the lower surface area).
  • the application of the RF signal has the effect of converting the RF voltage into a voltage DC constant due to the charge of the capacitor 53, mainly at the sheath of the grid 51.
  • This constant DC voltage in the sheath of the gate 51 implies that the positive ions are constantly extracted and accelerated (continuously). Indeed, this DC potential difference has the effect of making the plasma potential positive. As a result, the positive ions of the plasma are constantly accelerated towards the gate 51 (at a reference potential) and thus extracted from the chamber 10 by this gate 51. The energy of the positive ions corresponds to this DC potential difference ( average energy).
  • the variation of the RF voltage makes it possible to vary the potential difference RF + DC between the plasma and the gate 51.
  • this results in a change in the thickness of this sheath.
  • this thickness falls below a critical value, which happens for a period of time at regular intervals given by the frequency of the RF signal, the potential difference between the gate 51 and the plasma approaches the value zero (therefore the plasma potential approaches the reference potential), which makes it possible to extract electrons.
  • critical potential the plasma potential below which the electrons can be accelerated and extracted
  • Child's law which links this critical potential to the critical thickness of the sheath below which this sheath disappears
  • a good electroneutrality of the beam 70 of positive ions and electrons at the output of the plasma chamber can thus be obtained.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment in the first embodiment shown in FIG. 1.
  • the difference between the thruster shown in FIG. 2 with respect to the thruster illustrated in FIG. 1 lies in the fact that the electrode 52 housed inside the chamber 10 is eliminated and that a grid 52 'is added at the level of FIG. the end E (outlet) of the chamber 10.
  • the means 50 for extracting and accelerating the charged plasma particles comprises a set of at least two grids 51, 52 'situated at one end E (exit) of the chamber 10, one At least 51 of the set of at least two gates 51, 52 'being connected to the radiofrequency voltage source 30 via the means 60 for managing the signal supplied by said radio frequency voltage source 30 and the other 52 at least of the set of at least two gates 51, 52 'being connected to the radio frequency voltage source 30, in series, via a capacitor 53 and the means 60 for managing the signal supplied by said radiofrequency voltage source 30.
  • connection of the gate 52 'to the radiofrequency voltage source 30 is, in FIG. 2, identical to the connection of the electrode 52 to this source 30, in FIG. 1.
  • Each grid 51, 52 ' may have orifices of different shapes, for example circular, square, rectangular or slot-shaped, in particular with parallel slots.
  • the diameter of an orifice may be between 0.2 mm and 10 mm, for example between 0.5 mm and 2 mm.
  • the distance between the two grids 52 ', 51 can be between 0.2mm and 10mm, for example between 0.5mm and 2mm (the exact choice depends on the DC voltage and the density of the plasma).
  • the capacitor 53 When an RF voltage is applied via the source 30, the capacitor 53 is charged. The charge of the capacitor 53 then produces a DC DC voltage across the capacitor 53. At the terminals of the assembly formed by the source 30 and the capacitor 53, an RF + DC voltage is then obtained. The constant portion of the RF + DC voltage then makes it possible to define an electric field between the two gates 52 ', 51, the average value of the single RF signal being zero. This DC value thus makes it possible to extract and accelerate the positive ions through the two grids 51, 52 ', continuously.
  • the plasma follows the potential printed on the gate 52 ', which is in contact with the plasma, namely RF + DC As for the other gate 51 (reference potential 55, for example the mass), it is also in contact with the plasma, but only during the short time intervals during which the electrons are extracted with the positive ions, that is, when the RF + DC voltage is below a critical value below which the sheath disappears. This critical value is defined by the law of Child.
  • the electroneutricity of the beam 70 of ions and electrons can be obtained at least partly by adjusting the duration of application of the positive potentials and / or This electroneutrality of the beam 70 of ions and electrons can also be obtained at least in part by adjusting the amplitude of the positive and / or negative potentials from the voltage source.
  • alternative radio frequency 30 can be obtained at least partly by adjusting the duration of application of the positive potentials and / or This electroneutrality of the beam 70 of ions and electrons.
  • the advantage of this variant is, compared to the embodiment illustrated in Figure 1 and implementing a grid 51 at the end E of the chamber 10 and an electrode 52 housed in the surface chamber larger than the grid 51 to provide better control of the trajectory of positive ions.
  • This is related to the fact that a DC (continuous) potential difference is generated between the two gates 52 ', 51, under the action of the radiofrequency AC voltage source and the capacitor 53 in series and not at the level of ia sheath between the plasma and the gate 51 (see above) in the case of the first embodiment of FIG.
  • the lifetime of the resulting propellant 100 is thus improved.
  • the efficiency is improved because the positive ions can be focused by the set of at least two grids 51, 52 ', the flux of neutral species being reduced because the transparency to these neutral species increases. .
  • FIG. 3 represents another variant of the first embodiment of FIG. 1, for which the gate 51 is connected at both ends to the radiofrequency AC voltage source 30.
  • FIG. 4 represents an alternative embodiment of the variant shown in FIG. 2, for which the gate 51 is connected, at its two ends, to the radiofrequency AC voltage source.
  • FIG. 5 represents a second embodiment of an ion thruster according to the invention.
  • FIG. 1 This is an alternative to the first embodiment shown in FIG. 1 and for which a first radiofrequency AC voltage source 30 is provided to manage the extraction and acceleration of the plasma charged particles from the chamber. And a second AC voltage source 30 'distinct from the first RF AC voltage source.
  • the means 60 for managing the signal provided by a single source of radio frequency alternating voltage 30 as proposed in support of FIGS. 1 to 4 is no longer of interest.
  • the source 30 used for the extraction and acceleration of the charged particles out of the plasma remains a source of radiofrequency AC voltage whose frequency is between the plasma frequency of the ions and the plasma frequency of the electrons, the source 30 'can generate a different signal.
  • the operating frequency of the source 1 may in particular be greater than that of the operating frequency of the source .
  • FIG. 6 represents an alternative to the second embodiment shown in FIG. 5.
  • the difference between the thruster 100 shown in FIG. 5 and that shown in FIG. 1 lies in the fact that the electrode 52 housed inside the chamber 10 is eliminated and that a grid 52 'is added to the level of the end E (output) of the chamber 10.
  • FIG. 7 represents another variant of the second embodiment of FIG. 5, for which the gate 51 is connected to its radiofrequency AC voltage source. Everything else is the same and works the same way.
  • FIG. 8 represents an alternative embodiment to the variant shown in FIG. 6, for which the gate 51 is connected to the radiofrequency AC voltage source 30.
  • FIGS. 7 and 8 therefore do not imply the implementation of a reference potential 55 for the gate 51.
  • a connection ensures an absence of parasitic currents circulating between on the one hand, the outer conductive parts of the spacecraft or the satellite on which the thruster 100 is mounted and on the other hand, the means 50 for extracting and accelerating the charged particles proper.
  • FIG. 9 represents a variant embodiment of the thruster 100 illustrated in FIG.
  • This embodiment variant differs from that shown in FIG. 8 in that the reservoir 20 comprises two propellant injection stages E1, E2 in the gas state towards the plasma chamber.
  • the reservoir 20 comprises an envelope 21, one wall of which is provided with one or more orifice (s) 22, thereby defining a tank with a single floor.
  • the reservoir further comprises a membrane 22 'comprising at least one orifice 22 "and separating the reservoir in two stages E1, E2. 22 'located between the solid propellant PS and the casing 21 provided with at least one orifice 22, said membrane 22' comprising at least one orifice 22 ", the surface of the or each orifice 22" of the membrane 22 'being more large than the surface of the or each orifice 22 of the casing 21 of the reservoir 20.
  • This variant is of interest when, taking into account the dimensioning of the or each orifice 22 on the casing 21 of the reservoir 20 to obtain in particular the desired operating pressure P2 in the plasma chamber 10, it is possible to define too small orifices. These orifices may then not be technically feasible. These holes can also, although technically feasible, too small to ensure that solid propellant dust and more generally, impurities, will not block the orifices 22 in use.
  • the or each orifice 22 'of the membrane 22' is dimensioned so that it is larger than the or each orifice 22 made on the envelope 21 of the reservoir 20, the or each orifice 22 remaining dimensioned to obtain the desired operating pressure P2 in the plasma chamber 10.
  • a double-stage tank 20 may be envisaged for all the embodiments described in support of FIGS. 1 to 7.
  • FIG. 10 represents a third embodiment of an ion thruster according to the invention.
  • FIG. 8 This figure is an alternative to the embodiment of Figure 8 (grids 52 'and 51' both connected to the voltage source). However, it also applies as an alternative to FIG. 6 (gate 52 'connected to source and gate 51 connected to ground), in FIG. 7 (electrode 52 and gate 51 both connected to the voltage source ), in FIG. 5 (electrode 52 connected to the source and gate 51 connected to ground) and in FIG. 9.
  • the thruster 100 presented here makes it possible to form a beam 70 'of positive ions at the outlet of the plasma chamber.
  • the radiofrequency AC voltage source 30 is replaced by a 30 "DC voltage source
  • This device comprises a power source 80 supplying an electron generator 81.
  • the electron beam 70 "coming out of the electron generator 81 is directed towards the beam 70 'of positive ions to ensure electroneutrality.
  • FIGS. 11 and 12 represent a conceivable design for a plasma chamber 10 and its environment for a thruster 100 according to the embodiments of FIG. 1, FIG. 3, FIG. 5 or FIG.
  • the plasma chamber 10 is recognized, the reservoir 20 with its envelope 21 and the orifices 22.
  • the reservoir 20 also serves as an electrode 52. In the present case, three orifices are shown. 22, equidistributed around the axis of symmetry AX of the reservoir 20.
  • the envelope 21 is made of a conductive material, for example metal (aluminum, zinc or a gold-coated metal material, for example) or in one metal alloy (stainless steel or brass, for example).
  • a conductive material for example metal (aluminum, zinc or a gold-coated metal material, for example) or in one metal alloy (stainless steel or brass, for example).
  • the chamber 10 is sandwiched between two rings 201, 202, mounted together via rods 202, 204, 205 extending along the chamber 10 (longitudinal axis AX).
  • the chamber 10 is made of a dielectric material, for example ceramic.
  • the fixing of the rings and rods can be done by bolts / nuts (not shown).
  • the rings may be made of a metallic material, for example aluminum.
  • the rods they are for example made of ceramic or a metallic material.
  • the assembly thus formed by the rings 201, 203 and the rods 202, 204, 205 allows the attachment of the chamber 10 and its environment, by means of additional pieces 207, 207 ', which sandwich one of them.
  • 203 of the rings on a system (not shown in Figures 1 1 and 12) for receiving the thruster, for example a satellite or a space probe. Example of dimensioning.
  • the plasma chamber and its environment are as described in support of Figures 11 and 12.
  • the materials were selected for a maximum acceptable temperature of 300 ° C.
  • the solid propellant PS used is diiodine (l 2 , dry mass of about 50 g).
  • Several orifices 22 have been provided on the conductive casing 21 of the reservoir 20 to pass the diode gas from the reservoir 20 to the plasma chamber 10 (single-stage reservoir 20).
  • a reference temperature T1 for the tank 20 was set at 60 ° C. This can be obtained with a power of 10W at the level of the radiofrequency AC voltage source 30.
  • the frequency of the signal supplied by the source 30 is chosen to be between the plasma frequency of the ions and the plasma frequency of the electrons, in this case 13.56MHz.
  • the pressure P1 of the diode gas in the tank 20 is then known from FIG. 13 (case of I2, see the corresponding formula F1), which provides the link between P1 and T1.
  • P1 is 10 Torr (about 1330 Pa).
  • the pressure P2 in the chamber 10 must be between 7 Pa and 15 Pa with a mass flow rate m 'of gas diiodine less than 15sccm ( ⁇ 1: 8. 0 "6 kg. S" 1) between the tank 20 and the chamber 0.
  • the diameter of the equivalent (circular) orifice is about 50 microns.
  • the orifice When the orifice is single, it will have a diameter of 50 microns.
  • the volume flow through the orifice 22 can be estimated by the relation:
  • Pi is the pressure in the tank 20
  • P 2 is the pressure in the chamber 0;
  • v is the average velocity of the diode gas molecules, determined by the relation: kT t
  • Ti is the temperature in the tank 20
  • k is the Boltzmann constant (k “1 .38-10 " 23 J-K " );
  • m is the mass of a molecule of the diode gas (m ( 1-2 ) ⁇ 4.25-10
  • M is the molar mass of the diode (for l 2, M "254 u);
  • R is the molar constant of the gases (R ⁇ 8.31 J / me-K),
  • the orifice 22 is then dimensioned.
  • the mass flow rate Iieak (kg / s) of diode gas leakage when the thruster 100 is stopped can be determined by the relation: m ⁇ HAg *] * u (R5) where:
  • TQ is the temperature of thruster 100 at a standstill
  • P 0 is the pressure of the gas in the tank 20 when the thruster is stopped, this pressure being provided by the formula F1 (see Figure 13) at the temperature T 0 ;
  • the thruster 100 according to the invention can in particular be used for a satellite S or a spatial probe SP.
  • FIG. 14 schematically represents a satellite S comprising a thruster 100 according to the invention and an energy source SE, for example a battery or a solar panel, connected to the or each DC voltage source 30 ". or alternatively 30, 30 '(radiofrequency or microwave, as the case may be) of the propellant 100.
  • an energy source SE for example a battery or a solar panel, connected to the or each DC voltage source 30 ". or alternatively 30, 30 '(radiofrequency or microwave, as the case may be) of the propellant 100.
  • FIG. 15 it schematically represents a space probe SS comprising a thruster 100 according to the invention and an energy source SE, for example a battery or a solar panel, connected to the or each DC voltage source.
  • an energy source SE for example a battery or a solar panel, connected to the or each DC voltage source.
  • 30 or alternatively 30, 30 '(radiofrequency or microwave, as appropriate) of the thruster 00.

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Abstract

L'invention concerne un propulseur ionique (100), comprenant: ∙ une chambre (10), ∙ un réservoir (20), comprenant un agent propulsif solide (PS), logé dans la chambre (10) et comportant une enveloppe conductrice (21) munie d'un orifice (22); ∙ des moyens (30, 40) pour former un plasma ions-électrons dans la chambre (10), lesquels sont aptes à sublimer l'agent propulsif solide dans le réservoir (20), puis à générer ledit plasma dans la chambre (10) à partir de l'agent propulsif sublimé provenant du réservoir (20) à travers l'orifice (22); ∙ un moyen (50) d'extraction et d'accélération des ions et électrons du plasma hors de la chambre (10), lequel comprend au moins deux grilles (52', 51) à une extrémité (E) de la chambre (10); ∙ une source de tension alternative radiofréquence (30) pour générer un signal de radiofréquence comprise entre les fréquences plasmas des ions et des électrons, disposée en série avec un condensateur (53) et connectée, par l'une de ses sorties et via ce condensateur (53), à l'une (52') des grilles, l'autre grille (51) étant connectée à l'autre sortie de ladite source de tension (30).

Description

PROPULSEUR IONIQUE A GRILLE AVEC AGENT PROPULSIF SOLIDE INTEGRE
L'invention concerne un propulseur plasma comportant un propergol solide intégré.
L'invention concerne plus précisément un propulseur ionique, à grille, comportant un propergol solide intégré.
L'invention pourra trouver application pour un satellite ou une sonde spatiale.
Plus particulièrement, l'invention pourra trouver application pour des petits satellites. Typiquement, l'invention trouvera une application pour des satellites présentant une masse comprise entre 6kg et 100kg, pouvant éventuellement aller jusqu'à 500kg. Un cas particulièrement intéressant d'application concerne le « CubeSat » dont un module (U) de base fait moins d'1 kg et présente des dimensions de 10cm*10cm*10cm. Le propulseur plasma selon l'invention peut en particulier être intégré dans un module 1 U ou un demi- module (1/2U) et utilisé dans des empilements de plusieurs modules par 2 (2U), 3 (3U), 6 (6U), 12 (12U) ou plus.
Un propulseur plasma à propergol solide a déjà été proposé. On peut les classer en deux catégories, selon qu'ils mettent en oeuvre une chambre à plasma ou non.
Dans l'article de Keidar & al., « Electric propulsion for srnall satellites », Plasma Phys. Control. Fusion, 57 (2015) (D1 ), différentes techniques sont décrites pour générer un plasma à partir d'un propergol solide, toutes basées sur une ablation d'un propergol solide. Le propergol solide donne directement sur l'espace extérieur, à savoir l'espace pour des satellites ou sondes spatiales, sans chambre plasma.
Selon une première technique, on dispose du téflon (propergol solide) entre une anode et une cathode entre lesquelles on réalise une décharge électrique. Cette décharge électrique provoque l'ablation du téflon son ionisation et son accélération principalement par voie électromagnétique pour générer un faisceau d'ions directement dans l'espace externe.
Selon une deuxième technique, on utilise un faisceau laser pour réaliser l'ablation et l'ionisation d'un propergol solide, par exemple du PVC ou du Kapton®. L'accélération des ions est généralement réalisée par voie électromagnétique.
Selon une troisième technique, on dispose un isolant entre une anode et une cathode, le tout étant sous vide. La cathode, métallique, sert de matériau d'ablation pour générer des ions. L'accélération s'effectue par voie électromagnétique.
Les techniques décrites dans ce document permettent d'obtenir un propulseur relativement compact. En effet, le propergol solide est abiaté, ionisé et les ions sont accélérés pour assurer la propulsion avec un dispositif tout-en-un.
Toutefois, la conséquence est qu'il n'y a pas de contrôle séparé de ia sublimation du propergol solide, du plasma et du faisceau d'ions.
En particulier, ie faisceau d'ions est plus ou moins contrôlé du fait qu'il n' y a pas de moyens séparés pour contrôler la densité du plasma induit par l'ablation du propergol solide et la vitesse des tons. En conséquence, la poussée et l'impulsion spécifique du propulseur ne peuvent pas être contrôlées séparément.
On n'a généralement pas ce type d'inconvénients lorsqu'une chambre à plasma est mise en œuvre.
L'article de Polzin & al., « lodine Hall Thruster Propellant Feed
System for a CubeSat », American institute of Aeronautics and Astronautics (D2) propose un système d'alimentation en propergol solide pour un propulseur fonctionnant par effet Hall.
Ce système d'alimentation est utilisable pour tout propulseur mettant en œuvre une chambre à plasma.
En effet, dans l'article D2, le propergol solide (iode l2l en l'occurrence) est stocké dans un réservoir. Un moyen de chauffage est associé au réservoir. Ce moyen de chauffage peut être un élément apte à recevoir un rayonnement externe, placé sur l'extérieur du réservoir. Ainsi, lorsque le réservoir est chauffé, le diiode est sublimé. Le diiode à l'état de gaz sort du réservoir et est dirigé vers une chambre, située à distance du réservoir, où il est ionisé pour former un plasma. L'ionisation est réalisée, dans le cas d'espèce, par effet Hall. Le débit de gaz entrant dans la chambre plasma est contrôlé par une valve disposée entre le réservoir et cette chambre. On peut ainsi réaliser un meilleur contrôle de la sublimation du diiode et des caractéristiques du plasma, par rapport aux techniques décrites dans le document D1.
Par ailleurs, les caractéristiques du faisceau d'ions sortant de la chambre peuvent alors être contrôlées par un moyen d'extraction et d'accélération des ions séparés des moyens mis en œuvre pour sublimer le propergol solide et générer ie plasma.
Ce système présente donc de nombreux avantages par rapport à ceux décrits dans le document D1 .
Toutefois, dans le document D2, la présence d'un tel système d'alimentation rend le propulseur plasma peu compact et en conséquence, peu envisageable pour des petits satellites, en particulier pour un module de type « CubeSat ».
Dans US 8 610 356 (D3), il est également proposé un système utilisant un propergol tel que l'iode (l2) stocké dans un réservoir situé à distance d'une chambre plasma. Le contrôle du débit de gaz de diiode sortant du réservoir est réalisé par des capteurs de température et pression installés en sortie du réservoir et reliés à une boucle de contrôle de la température du réservoir.
Là également, le système est peu compact.
Dans ie même type de système que ceux proposés dans les documents D2 ou D3, on peut encore citer le document US 6 609 363 (D4).
Il convient de noter qu'un propulseur plasma à propergol intégré dans une chambre plasma a déjà été proposé dans US 7 059 1 1 1 (D5).
Ce propulseur plasma, basé sur l'effet Hall, est donc susceptible d'être plus compact que celui proposé dans les documents D2, D3 ou D4. Il est également susceptible de mieux contrôler l'évaporation du propergol, le plasma et l'extraction des ions, par rapport au document D1 . Toutefois, le propergol est stocké à l'état liquide et utilise un système additionnel d'électrodes pour contrôler le débit de gaz sortant du réservoir,
Un objectif de l'invention est de pallier l'un au moins des inconvénients précités.
Pour atteindre cet objectif, l'invention propose un propulseur ionique, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une chambre, - un réservoir comprenant un propergol solide, ledit réservoir étant logé dans la chambre et comportant une enveloppe conductrice munie d'au moins un orifice ;
- un ensemble de moyens pour former un plasma ions-électrons dans la chambre, ledit ensemble étant apte à sublimer le propergol solide dans le réservoir pour former un propergol à l'état de gaz, puis à générer ledit plasma dans la chambre à partir du propergol à l'état de gaz provenant du réservoir à travers ledit au moins orifice ;
- un moyen d'extraction et d'accélération d'au moins les ions du plasma hors de la chambre, ledit moyen d'extraction et d'accélération comprenant :
* soit une électrode logée dans la chambre à laquelle est associée une grille située à une extrémité de la chambre, ladite électrode présentant une surface plus importante que la surface de la grille,
* soit un ensemble d'au moins deux grilles situées à une extrémité de la chambre ;
- une source de tension continue ou une source de tension alternative radiofréquence disposée en série avec un condensateur et adaptée pour générer un signal dont la radiofréquence est comprise entre la fréquence plasma des ions et la fréquence plasma des électrons, ladite source de tension continue ou alternative radiofréquence étant connectée, par l'une de ses sorties, au moyen d'extraction et d'accélération d'au moins les ions du plasma hors de la chambre, et plus précisément:
* soit à l'électrode,
* soit à l'une des grilles dudit ensemble d'au moins deux grilles,
la grille associée à l'électrode ou, selon le cas, l'autre grille dudit ensemble d'au moins deux grilles étant soit mise à un potentiel de référence, soit connectée à l'autre des sorties de ladite source de tension alternative radiofréquence ;
ledit moyen d'extraction et d'accélération et ladite source de tension continue ou alternative radiofréquence permettant de former, en sortie de la chambre, un faisceau comportant au moins des ions.
Le propulseur pourra également comprendre l'une au moins des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- la source de tension connectée au moyen d'extraction et d'accélération est une source de tension alternative radiofréquence, et l'ensemble de moyens pour former ie plasma ions-électrons comprend au moins une bobine alimentée par cette même source de tension alternative radiofréquence par l'intermédiaire d'un moyen pour gérer le signai fourni par ladite source de tension radiofréquence en direction d'une part, de ladite au moins une bobine et d'autre part, du moyen d'extraction et d'accélération, pour former un faisceau d'ions et d'électrons en sortie de la chambre ;
- l'ensemble de moyens pour former le plasma ions -électrons comprend au moins une bobine alimentée par une source de tension alternative radiofréquence différente de la source de tension continue ou alternative radiofréquence connectée au moyen d'extraction et d'accélération ou au moins une antenne micro-ondes alimentée par une source de tension alternative micro-ondes ;
- la source de tension connectée au moyen d'extraction et d'accélération est une source de tension alternative radiofréquence, pour former, en sortie de la chambre, un faisceau d'ions et d'électrons ;
- le moyen d'extraction et d'accélération est un ensemble d'au moins deux grilles situées à une extrémité de la chambre, l'électroneutralité du faisceau d'ions et d'électrons est obtenue au moins en partie par réglage de la durée d'application des potentiels positifs et/ou négatifs issus de la source de tension alternative radiofréquence connectée au moyen d'extraction et d'accélération ;
- le moyen d'extraction et d'accélération est un ensemble d'au moins deux grilles situées à une extrémité de la chambre, l'électroneutralité du faisceau d'ions et d'électrons est obtenue au moins en partie par réglage de l'amplitude des potentiels positifs et/ou négatifs issus de la source de tension alternative radiofréquence connectée au moyen d'extraction et d'accélération ;
- la source de tension connectée au moyen d'extraction et d'accélération est une source de tension continue, pour former, en sortie de la chambre, un faisceau d'ions, le propulseur comprenant en outre des moyens pour injecter des électrons dans ledit faisceau d'ions afin d'assurer une électroneutralité ; - le réservoir comporte une membrane située entre le propergol solide et l'enveloppe munie d'au moins un orifice, ladite membrane comportant au moins un orifice, la surface de la ou chaque orifice de la membrane étant plus grande que la surface de la ou chaque orifice de l'enveloppe du réservoir ;
~ la ou chaque grille présente des orifices dont la forme est choisie parmi les formes suivantes : circulaires, carrés, rectangles ou en formes de fentes, notamment de fentes parai
- la ou chaque grille présente des orifices circulaires, dont le diamètre est compris entre 0,2mm et 10mm, par exemple entre 0,5mm et 2mm ;
- lorsque le moyen d'extraction et d'accélération hors de la chambre comprend un ensemble d'au moins deux grilles situées à l'extrémité de la chambre, la distance entre les deux grilles est comprise entre 0,2mm et 10mm, par exemple entre 0,5mm et 2mm ;
- le propergol solide est choisi parmi : le diiode, ie diiode mélangé à d'autres composants chimiques, le ferrocène, l'adamantane ou l'arsenic.
L'invention concerne également un satellite comprenant un propulseur selon l'invention et une source d'énergie, par exemple une batterie ou un panneau solaire, connectée à ia ou chaque source de tension continue ou alternative du propulseur.
L'invention concerne également une sonde spatiale comprenant un propulseur selon l'invention et une source d'énergie, par exemple une batterie ou un panneau solaire, connectée à ia ou chaque source de tension continue ou alternative du propulseur.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des figures annexées, sur lesquelles :
la figure 1 est une vue schématique d'un propulseur plasma selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
la figure 2 est une vue schématique d'une variante au premier mode de réalisation représenté sur la figure 1 ;
la figure 3 est une vue schématique d'une autre variante au premier mode de réalisation représenté sur la figure 1 ; ia figure 4 est une vue schématique d'une autre variante au premier mode de réalisation représenté sur la figure 1 ;
la figure 5 est une vue schématique d'un propulseur plasma selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
la figure 6 est une vue schématique d'une variante au deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 5 ;
la figure 7 est une vue schématique d'une autre variante au deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 5 ;
la figure 8 est une vue schématique d'une autre variante au deuxième mode de réalisation représenté sur ia figure 5 ;
la figure 9 est une vue schématique d'une variante de réalisation du propulseur plasma représenté sur ia figure 8
la figure 10 est une vue schématique d'un troisième mode de réalisation de l'invention ;
la figure 11 est une vue en coupe d'un réservoir à propergol solide susceptible d'être employé dans un propulseur plasma selon l'invention, quel que soit le mode de réalisation envisagé, avec son environnement permettant son montage à l'intérieur de la chambre plasma ;
la figure 12 est une vue éclatée du réservoir représenté sur la figure 9 ; la figure 13 est une courbe fournissant, dans ie cas du diiode (l2) utilisé comme propergol solide, l'évolution de la pression de vapeurs de diode en fonction de la température ;
ia figure 14 représente, de façon schématique, un satellite comportant un propulseur plasma selon l'invention ;
la figure 15 représente, de façon schématique, une sonde spatiale comportant un propulseur plasma selon l'invention.
Un premier mode de réalisation d'un propulseur ionique 100 selon l'invention est représenté sur la figure .
Le propulseur 100 comporte une chambre 10 à plasma et un réservoir 20 de propergol solide PS logé dans la chambre 10. Plus précisément, le réservoir 20 comporte une enveloppe conductrice 21 comportant le propergol solide PS, cette enveloppe 21 étant munie d'un ou plusieurs orifices 22. Le fait de loger le réservoir 20 de propergol solide dans la chambre 10 confère au propulseur une compacité plus grande. Le propulseur 100 comporte également une source de tension alternative radiofréquence 30 et une ou plusieurs bobines 40 alimentée(s) par la source de tension alternative radiofréquence 30. La ou chaque bobine 40 peut présenter un ou plusieurs enroulement(s). Sur la figure 1 , une seule bobine 40 comportant plusieurs enroulements est prévue.
La bobine 40, alimentée par la source de tension alternative radiofréquence 30, induit un courant dans le réservoir 20, lequel est conducteur (courant de Foucault). Le courant induit dans le réservoir provoque un effet Joule qui chauffe le réservoir 20. La chaleur ainsi produite se transmet au propergol solide PS par conduction thermique et/ou rayonnement thermique. Le chauffage du propergol solide PS permet alors de sublimer celui-ci, le propergol étant ainsi mis à l'état de gaz. Puis, ie propergol à l'état de gaz passe ensuite à travers la ou les orifice(s) 22 du réservoir 20, en direction de la chambre 10. Ce même ensemble 30, 40 permet par ailleurs de générer un plasma dans la chambre 10 en ionisant le propergol à l'état de gaz qui est dans la chambre 10. Le plasma ainsi formé sera généralement un plasma ions-électrons (il convient de noter que, la chambre plasma comprendra également des espèces neutres - propergol à l'état de gaz - car, généralement, tout le gaz n'est pas ionisé pour former le plasma).
Une même source 30 de tension alternative radiofréquence est donc utilisée pour sublimer le propergol solide PS et créer le plasma dans la chambre 10. Dans le cas d'espèce, une seule bobine 40 est également employée à cet effet. Toutefois, il est envisageable de prévoir plusieurs bobines, par exemple une bobine pour sublimer le propergol solide PS et une bobine pour créer le plasma. En utilisant plusieurs bobines 40, il est alors possible d'augmenter la longueur de la chambre 0.
Plus précisément, la chambre 10 et le réservoir 20 sont initialement à une même température.
Lorsque la source 30 est mise en œuvre, la température du réservoir 20, chauffé par la ou les bobine(s) 40, augmente. La température du propergol solide PS augmente également, le propergol étant en contact thermique avec l'enveloppe 21 du réservoir. Cela provoque une sublimation du propergol solide PS, au sein du réservoir 20, et par suite une augmentation de la pression P1 de propergol à l'état de gaz au sein du réservoir 20 accompagnant l'augmentation de température T1 dans ce réservoir.
Puis, sous l'effet de ia différence de pression entre le réservoir 20 et la chambre 10, le propergol à l'état de gaz passent à travers le ou chaque orifice 22 en direction de la chambre 10,
Lorsque les conditions de température et de pression sont suffisamment importantes dans la chambre 10, l'ensemble formé par la source 30 et la ou les bobine(s) 40 permet de générer le plasma dans la chambre 10. A ce stade, le propergol solide PS est alors plus amplement chauffé par les particules chargées du plasma, la ou les bobine(s) étant écrantées par Sa présence de la gaine dans le plasma (effet de peau) ainsi que par la présence des particules chargées elles-mêmes au sein du plasma.
En présence du plasma (propulseur en fonctionnement), il convient de noter que la température du réservoir 20 peut être mieux contrôlée par la présence d'un échangeur thermique (non représenté) connecté au réservoir 20.
On peut prévoir un ou plusieurs orifice(s) 22 sur le réservoir 20, cela n'a pas d'importance. Seule la surface totale de l'orifice ou, si plusieurs orifices sont prévus, de l'ensemble de ces orifices a une importance. Leur dimensionnement dépendra de la nature du propergol solide employé, et des paramètres de fonctionnement souhaités pour le plasma (température, pression).
Ce dimensionnement s'effectuera donc au cas par cas.
De manière générale, le dimensionnement du propulseur selon l'invention reprendra les étapes suivantes.
Le volume de la chambre 0 est tout d'abord défini, ainsi que la pression P2 de fonctionnement nominal souhaitée dans cette chambre 10 et le débit massique m' d'ions positifs souhaité en sortie de la chambre 10. Ces données peuvent être obtenues par modélisation numérique ou par des essais de routine. Il est à noter que ce débit massique (m') est correspond sensiblement à celui qu'on retrouve entre le réservoir 20 et la chambre 0. Ensuite, la température T1 souhaitée pour le réservoir 20 est choisie.
Cette température T1 étant fixée, on peut connaître la pression de propergoi à l'état de gaz correspondante, à savoir la pression P1 de ce gaz dans le réservoir 20 (cf. figure 13 dans le cas du diiode l2).
Connaissant ainsi P2, m', P1 et T1 , il est possible d'en déduire ia surface A de l'orifice ou, si plusieurs orifices sont prévus, de l'ensemble des orifices. Avantageusement, on prévoira cependant plusieurs orifices pour assurer une répartition plus homogène du propergoi à l'état de gaz au sein de la chambre 10.
Un exemple de dimensionnement est cependant fourni plus loin.
il est ensuite possibie d'estimer la fuite de propergol à l'état de gaz entre le réservoir 20 et la chambre 10 lorsque le propulseur 100 est à l'arrêt. En effet, dans ce cas, la surface A des orifices est connue, tout comme P1 , T1 et P2, ce qui permet d'obtenir m' (débit de fuite). En pratique, il s'avère qu'à l'arrêt, la fuite est minime par rapport au débit de propergol à l'état de gaz passant du réservoir 20 vers la chambre 10 en cours d'utilisation. C'est pourquoi, dans le cadre de l'invention, la présence de valves au niveau des orifices n'est pas obligatoire.
Pour le propergol solide, on peut envisager : du diiode (l2), un mélange de diiode (l2) avec d'autres composants chimiques, de l'adamantane (formule chimique brute : Ci0Hi6) ou du ferrocène (formule chimique brute : Fe(C5H5)2). De l'arsenic peut également être employé, mais sa toxicité en fait un propergol solide dont l'utilisation est moins envisagée.
Avantageusement, on utilisera du diiode (l2) comme propergol solide.
Ce propergol présente en effet plusieurs avantages. On a représenté sur la figure 13, une courbe fournissant, dans le cas du diiode (l2), l'évolution de la pression P du gaz diiode en fonction de la température T. Cette courbe peut être approchée par la formule suivante : Log(P) = - 3512,8*(1 T) - 2,013*log(T) + 13,374 (F1 ) avec :
P, la pression en Torr ;
T, la température en Kelvins.
Cette formule peut être obtenue dans « The Vapor Pressure lodine », G. P. Baxter, CH. Hickey, W.C. Holmes, J. Am. Chem. Soc, 1907, 29(2) pp. 12-136. Cette formule est également citée dans « The normal Vapor Pressure of Crystalline lodine », L.J. Gillespie, & a!., J. Am. Chem Soc, 1936, vol. 58(1 1 ), pp 2260-2263. Cette formule a fait l'objet de vérifications expérimentales, par différents auteurs.
Lorsque le propulseur passe d'un mode arrêt à un mode de fonctionnement nominal, on peut considérer que la température augmente d'environ 50K. Dans la gamme de température comprise entre 300K et 400K, on relève sur cette figure 13 que la pression du gaz diiode augmente pratiquement d'un facteur 100, pour une augmentation de température de 50K.
Aussi, lorsque le propulseur est en mode arrêt, la fuite de gaz diode à travers le ou chaque orifice 22 est très faible, et de l'ordre de 100 fois inférieure à la quantité de gaz diiode traversant ie ou les orifice(s) 22 en direction de la chambre 10, lorsque le propulseur 100 est en fonctionnement nominal.
Une différence plus importante entre la température de fonctionnement nominale du propulseur selon l'invention et sa température à l'arrêt ne fera que diminuer les pertes relatives par fuite de propergo! à l'état de gaz.
En conséquence, un propulseur 100 selon l'invention utilisant du diode ( ) comme propergol n'a pas besoin de mettre en œuvre une valve pour le ou chaque orifice et ce, contrairement au document D2. Ceci simplifie d'autant ia conception du propulseur et en assure une bonne fiabilité. Le contrôle du débit de propergol à l'état de gaz s'effectue par le contrôle de la température du réservoir 20, par l'intermédiaire de la puissance fournie à la bobine 40 par la source de tension alternative radiofréquence 30 et éventuellement, comme précisé précédemment, par la présence d'un échangeur thermique connecté au réservoir 20. Le contrôle est donc différent de celui qui est effectué dans le document D3. Le propulseur 100 comprend également un moyen 50 d'extraction et d'accélération des particules chargées du plasma, ions positifs et électrons, hors de la chambre 20 pour former un faisceau 70 de particules chargées en sortie de la chambre 20. Sur la figure 1 , ce moyen 50 comprend une grille 51 située à une extrémité E (sortie) de ia chambre 10 et une électrode 52 logée à l'intérieur de la chambre 10, cette électrode 52 présentant par construction une surface plus importante que celle de la grille 51. Dans certains cas, l'électrode 52 peut être formée par ia paroi elle-même, conductrice, du réservoir 20.
L'électrode 52 est isolée de la paroi de la chambre par un isolant électrique 58.
La grille 51 pourra présenter des orifices de différentes formes, par exemple circulaires, carrés, rectangles ou en formes de fentes, notamment de fentes parallèles. En particulier, dans le cas d'orifices circulaires, le diamètre d'un orifice pourra être compris entre 0,2mm et 10mm, par exemple entre 0,5mm et 2mm.
Pour assurer cette extraction et accélération, le moyen 50 est connecté à la source de tension alternative radiofréquence 30. La source de tension alternative radiofréquence 30 assure donc, en plus, le contrôle du moyen 50 d'extraction et d'accélération des particules chargées hors de la chambre 10. Ceci est particulièrement intéressant car cela permet d'augmenter encore un peu plus la compacité du propulseur 100. De plus, ce contrôle du moyen 50 d'extraction et d'accélération par la source 30 de tension alternative radiofréquence permet de mieux contrôler le faisceau 70 de particules chargées et ce, contrairement aux techniques proposées dans l'article D1 notamment. Enfin, ce contrôle permet aussi d'obtenir un faisceau avec une très bonne électroneutralité en sortie de la chambre 10, sans mettre en œuvre un quelconque dispositif externe à cet effet. Autrement dit, l'ensemble formé par le moyen 50 d'extraction et d'accélération des particules chargées du plasma et la source de tension alternative radiofréquence 30 permet donc également d'obtenir une neutralisation du faisceau 70 en sortie de la chambre 10. La compacité du propulseur 10 est ainsi augmentée, ce qui est particulièrement avantageux pour l'utilisation de ce propulseur 100 pour un petit satellite (<500kg), notamment un micro-sateilite (10kg-100kg) ou un nano-sateilite (1 kg- 10kg), par exemple de type « CubeSat ».
A cet effet, la grille 51 est connectée à la source de tension radiofréquence 30 par l'intermédiaire d'un moyen 60 pour gérer le signal fourni par ladite source de tension radiofréquence 30 et l'électrode 52 est connectée à la source de tension radiofréquence 30, en série, par l'intermédiaire d'un condensateur 53 et du moyen 60 pour gérer le signai fourni par ladite source de tension radiofréquence 30. La grille 51 est par ailleurs mise à un potentiel de référence 55, par exemple la masse. De même, la sortie de la source de tension alternative radiofréquence 30, non connectée au moyen 60, est également mise au même potentiel de référence 55, la masse selon l'exemple.
En pratique, pour des applications dans le domaine spatial, le potentiel de référence pourra être celui de la sonde spatiale ou du satellite sur lequel le propulseur 100 est monté.
Le moyen 60 pour gérer le signal fourni par ladite source de tension radiofréquence 30 forme donc un moyen 60 qui permet de transmettre le signal fourni par la source 30 de tension alternative radiofréquence en direction d'une part, du ou de chaque bobine 40 et d'autre part, du moyen 50 d'extraction et d'accélération des ions et électrons hors de la chambre 10.
La source 30 (RF - radiofréquences) est réglée pour définir une pulsation CORF telle que ωρ,≤ G)RF≤ ωρθ, où :
«ne = °np ■ est la pulsation plasma des électrons et G)™ = /— -— la pulsation plasma des ions positifs ; avec :
e0, la charge de l'électron,
ε0, la permittivité du vide,
np, la densité du plasma,
m,, la masse des ions et
me, la masse des électrons.
Il convient de noter que coPj « ope du fait que m,- » me.
De manière générale, la fréquence du signal fourni par la source 30 peut être comprise entre quelques MHz et quelques centaines de MHz, en fonction du propergol employé pour la formation du plasma dans la chambre 10 et ce, pour être comprise entre la fréquence plasma des ions et la fréquence piasma des électrons. Une fréquence de 13,56MHz est généralement bien adaptée, mais on peut également envisager les fréquences suivantes : 1 MHz, 2MHz ou encore 4 MHz.
L'électroneutralité du faisceau 70 est assurée par la nature capacitive du système 50 d'extraction et d'accélération car, du fait de la présence du condensateur 53, i! y en moyenne autant d'ions positifs que d'électrons qui sont extraits au cours du temps.
Dans ce cadre, la forme du signal produit par la source 30 de tension alternative radiofréquence peut être arbitraire. On pourra cependant prévoir que le signal fourni par la source 30 de tension alternative radiofréquence à l'électrode 52 soit rectangulaire ou sinusoïdal.
Le principe de fonctionnement pour l'extraction et l'accélération des particules chargées du plasma (ions et électrons) avec le premier mode de réalisation est ie suivant.
Par construction, l'électrode 52 présente une surface supérieure, et généralement nettement supérieure, à celle de la grille 51 située en sortie de la chambre 10.
De manière générale, l'application d'une tension RF sur une électrode 52 présentant une surface plus grande que la grille 51 a pour effet de générer au niveau de l'interface entre l'électrode 52 et le plasma d'une part, et au niveau de l'interface entre la grille 51 et le plasma d'autre part, une différence de potentiel additionnelle, s'ajoutant à la différence de potentiel RF. Cette différence de potentiel totale se répartit sur une gaine. La gaine est un espace qui est formé entre la grille 51 ou l'électrode 52 d'une part et le piasma d'autre part où la densité d'ions positifs est plus élevée que la densité d'électrons. Cette gaine présente une épaisseur variable en raison du signal RF, variable, appliqué à l'électrode 52.
En pratique, la majeure partie de l'effet de l'application d'un signal RF sur l'électrode 52 est cependant située dans la gaine de ia grille 51 (on peut voir le système électrode-grilie comme un condensateur avec deux parois asymétriques, dans ce cas la différence de potentiel s'applique sur la partie de plus faible capacitance donc de plus faible surface).
En présence du condensateur 53 en série avec la source RF, 30 l'application du signal RF a pour effet de convertir la tension RF en tension constante DC en raison de la charge du condensateur 53, principalement au niveau de la gaine de la grille 51.
Cette tension constante DC dans la gaine de la grille 51 implique que les ions positifs sont constamment extraits et accélérés (en continu). En effet, cette différence de potentiel DC a pour effet de rendre le potentiel plasma positif. En conséquence, les ions positifs du plasma sont constamment accélérés en direction de la grille 51 (à un potentiel de référence) et donc extraits de la chambre 10 par cette grille 51. L'énergie des ions positifs correspond à cette différence de potentiel DC (énergie moyenne).
La variation de la tension RF permet de faire varier la différence de potentiel RF + DC entre ie plasma et la grille 51. Au niveau de la gaine de ia grille 51 , cela se traduit par une évolution de l'épaisseur de cette gaine. Lorsque cette épaisseur devient inférieure à une valeur critique, ce qui arrive pendant un laps de temps à intervalles réguliers donnés par la fréquence du signal RF, la différence de potentiel entre la grille 51 et le plasma approche la valeur zéro (donc le potentiel plasma approche le potentiel de référence), ce qui permet d'extraire des électrons.
En pratique, le potentiel plasma en-dessous duquel les électrons peuvent être accélérés et extraits (= potentiel critique) est donné par îa loi de Child, laquelle relie ce potentiel critique à l'épaisseur critique de la gaine en-dessous de laquelle cette gaine disparaît (« sheath coliapse » selon la terminologie anglo-saxonne).
Tant que le potentiel plasma est inférieur au potentiel critique, alors il y a une accélération et une extraction simultanée des électrons et des ions.
Une bonne électroneutralité du faisceau 70 d'ions positifs et d'électrons en sortie de la chambre 10 plasma peut ainsi être obtenue.
Sur la figure 2, on a représenté une variante de réalisation au premier mode de réalisation représenté sur la figure 1.
Les mêmes références désignent les mêmes composants.
La différence entre le propulseur représenté sur la figure 2 par rapport au propulseur illustré sur la figure 1 réside dans le fait que l'électrode 52 logée à l'intérieur de ia chambre 10 est supprimée et qu'une grille 52' est ajoutée au niveau de l'extrémité E (sortie) de ia chambre 10. En d'autres termes, le moyen 50 d'extraction et d'accélération des particules chargées du plasma comporte un ensemble d'au moins deux grilles 51 , 52' situées à une extrémité E (sortie) de ia chambre 10, l'une 51 au moins de l'ensemble d'au moins deux grilles 51 , 52' étant connectée à la source de tension radiofréquence 30 par l'intermédiaire du moyen 60 pour gérer le signal fourni par ladite source de tension radiofréquence 30 et l'autre 52' au moins de l'ensemble d'au moins deux grilles 51 , 52' étant connectée à la source de tension radiofréquence 30, en série, par l'intermédiaire d'un condensateur 53 et du moyen 60 pour gérer le signal fourni par ladite source de tension radiofréquence 30.
La connexion de la grille 52' à la source 30 de tension radiofréquence est, sur la figure 2, identique à la connexion de l'électrode 52 à cette source 30, sur ïa figure 1.
Chaque grille 51 , 52' pourra présenter des orifices de formes différentes, par exemple circulaires, carrés, rectangles ou en forme de fentes, notamment de fentes parallèles. En particulier, dans le cas d'orifices circulaires, le diamètre d'un orifice pourra être compris entre 0,2mm et 10mm, par exemple entre 0,5mm et 2mm.
Par ailleurs, la distance entre les deux grilles 52', 51 peut être comprise entre 0,2mm et 10mm, par exemple entre 0,5mm et 2mm (le choix exact dépend de la tension DC et de la densité du plasma).
Dans cette variante, le fonctionnement de l'extraction et de l'accélération des ions positifs et des électrons est le suivant.
Lorsqu'on applique une tension RF par l'intermédiaire de la source 30, ie condensateur 53 se charge. La charge du condensateur 53 produit alors une tension DC continue aux bornes du condensateur 53, On obtient alors, aux bornes de l'ensemble forme par la source 30 et le condensateur 53, une tension RF + DC. La partie constante de la tension RF + DC, permet alors de définir un champ électrique entre les deux grilles 52', 51 , la vaieur moyenne du seul signal RF étant nulle. Cette valeur DC permet donc d'extraire et d'accélérer les ions positifs à travers les deux grilles 51 , 52', en continu.
Par ailleurs, lorsqu'on applique cette tension RF, le plasma suit le potentiel imprimé à ia grille 52', qui est en contact avec ie plasma, à savoir RF + DC, Quant à l'autre grille 51 {potentiel de référence 55, par exemple la masse), elle est également en contact avec le plasma, mais seulement pendant les brefs intervalles temporels pendant lesquels les électrons sont extraits avec ies ions positifs, à savoir lorsque la tension RF +DC est inférieure à une valeur critique en dessous de laquelle la gaine disparaît. Cette valeur critique est définie par la loi de Child.
L'électroneutraiité du faisceau 70 en sortie de la chambre 10 est ainsi assurée.
Il convient par ailleurs de noter que, pour cette réalisation de la figure 2, l'électroneutraiité du faisceau 70 d'ions et d'électrons peut être obtenue au moins en partie par réglage de ia durée d'application des potentiels positifs et/ou négatifs issus de la source de tension alternative radiofréquence 30. Cette électroneutralité du faisceau 70 d'ions et d'électrons peut également être obtenue au moins en partie par réglage de l'amplitude des potentiels positifs et/ou négatifs issus de la source de tension alternative radiofréquence 30.
L'intérêt de cette variante est, par rapport au mode de réalisation illustré sur la figure 1 et mettant en œuvre une grille 51 à l'extrémité E de la chambre 10 et une électrode 52 logée dans la chambre de surface plus grande que la grille 51 de fournir un meilleur contrôle de la trajectoire des ions positifs. Ceci est lié au fait qu'une différence de potentiel DC (continue) est générée entre les deux grilles 52', 51 , sous l'action de la source 30 de tension alternative radiofréquence et du condensateur 53 en série et non au niveau de ia gaine entre le plasma et la grille 51 (cf. précédemment) dans le cas du premier mode de réalisation de la figure 1.
De ce fait, avec la variante de réalisation représentée sur la figure 2, on s'assure que beaucoup plus d'ions positifs passent à travers les orifices de la grille 52', sans toucher la paroi de cette grille 52', par référence à ce qui se passe dans le cas du premier mode de réalisation illustré sur la figure 1.
De plus, les ions positifs passant par les orifices de la grille 52' ne viennent pas plus toucher la paroi de la grille 51 qui n'est visible, du point de vue de ces ions, qu'à travers ies orifices de la grille 52'. En conséquence, la durée de vie des grilles 52', 51 selon cette variante de réalisation est améliorée par rapport à celle de la grille 51 du premier mode de réalisation de la figure 1.
La durée de vie du propulseur 100 résultante est donc améliorée.
Enfin, l'efficacité est améliorée car les ions positifs peuvent être focalisés par l'ensemble d'au moins deux grilles 51 , 52', le flux d'espèces neutres étant quant à iui réduit du fait que la transparence à ces espèces neutres augmente.
La figure 3 représente une autre variante du premier mode de réalisation de la figure 1 , pour laquelle la grille 51 est connectée, par ses deux extrémités à la source 30 de tension alternative radiofréquence.
Tout le reste est identique et fonctionne de la même façon. La figure 4 représente une variante de réalisation à la variante représentée sur ia figure 2, pour laquelle la grille 51 est connectée, par ses deux extrémités, à la source de tension alternative radiofréquence.
Tout le reste est identique et fonctionne de ia même façon. Les variantes illustrées sur les figures 3 et 4 n'impliquent donc pas la mise en œuvre d'un potentiel de référence pour la grille 51. Dans le domaine spatial, une telle connexion assure une absence de courants parasites circulant entre d'une part, les parties conductrices externes de la sonde spatiale ou du satellite sur lequel le propulseur 100 est monté et d'autre part, le moyen 50 d'extraction et d'accélération des particules chargées proprement dit.
La figure 5 représente un deuxième mode de réalisation d'un propulseur ionique selon l'invention.
Il s'agit d'une alternative au premier mode de réalisation représenté sur ia figure 1 et pour laquelle il est prévu une première source 30 de tension alternative radiofréquence pour gérer l'extraction et l'accélération des particules chargées du plasma hors de la chambre 10 et une deuxième source 30' de tension alternative, distincte de la première source 30 de tension alternative radiofréquence.
Le reste est identique et fonctionne de la même façon. Dans ce cas, fe moyen 60 pour gérer le signal fourni par une source unique de tension alternative radiofréquence 30 telle que proposée à l'appui des figures 1 à 4 ne présente plus d'intérêt.
Cette alternative permet d'avoir plus de flexibilité.
En effet, si la source 30 utilisée pour l'extraction et l'accélération des particules chargées hors du plasma reste une source de tension alternative radiofréquence dont la fréquence est comprise entre la fréquence plasma des ions et fa fréquence plasma des électrons, la source 30' peut générer un signal différent.
Par exemple, la source 30' peut générer un signal de tension alternatif radiofréquence, associé à une ou plusieurs bobine(s) 40 pour chauffer l'enveloppe 21 du réservoir 20 conducteur (réalisé en un matériau métallique par exemple), évaporer le propergoi solide puis générer un plasma dans la chambre 10, dont la fréquence est différente de celle de ia fréquence de fonctionnement de la source 30. La fréquence de fonctionnement de la source 301 peut notamment être supérieure à celle de la fréquence de fonctionnement de la source 30.
Selon un autre exemple, la source 30' peut générer un signal de tension alternatif dans des fréquences correspondant aux micro-ondes, associé à une ou plusieurs antenne(s) micro-ondes 40.
La figure 6 représente une variante au deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 5.
La différence entre le propulseur 100 représenté sur la figure 5 et celui qui est illustré sur la figure 1 réside dans le fait que l'électrode 52 logée à l'intérieur de la chambre 10 est supprimée et qu'une grille 52' est ajoutée au niveau de l'extrémité E (sortie) de la chambre 10.
Le reste est identique et fonctionne de la même façon.
En d'autres termes, la différence entre la variante représentée sur la figure 6 et le deuxième mode de réalisation de la figure 5 est la même que celle qui a été présenté précédemment entre la variante représentée sur la figure 2 et le premier mode de réalisation de la figure 1.
La figure 7 représente une autre variante du deuxième mode de réalisation de la figure 5, pour laquelle la grille 51 est connectée à fa source 30 de tension alternative radiofréquence. Tout !e reste est identique et fonctionne de la même façon.
La figure 8 représente une variante de réalisation à la variante représentée sur la figure 6, pour laquelle la grille 51 est connectée à la source 30 de tension alternative radiofréquence.
Tout le reste est identique et fonctionne de la même façon.
Les variantes illustrées sur les figures 7 et 8 n'impliquent donc pas la mise en œuvre d'un potentiel de référence 55 pour la grille 51. Comme expliqué précédemment, dans le domaine spatial, une telle connexion assure une absence de courants parasites circulant entre d'une part, les parties conductrices externes de la sonde spatiale ou du satellite sur lequel le propulseur 100 est monté et d'autre part, le moyen 50 d'extraction et d'accélération des particules chargées proprement dit.
La figure 9 représente une variante de réalisation au propulseur 100 illustré sur la figure 8.
Cette variante de réalisation diffère de celle qui est représenté sur la figure 8 par le fait que le réservoir 20 comprend deux étages E1 , E2 d'injection de propergol à l'état de gaz vers la chambre 10 plasma.
En effet, sur la figure 8, et d'ailleurs sur l'ensemble des figures 1 à 7, le réservoir 20 comprend une enveloppe 21 dont une paroi est munie d'un ou plusieurs orifice(s) 22, définissant de ce fait un réservoir avec un unique étage.
Au contraire, dans la variante représentée sur la figure 9, le réservoir comporte, en outre, une membrane 22' comportant au moins un orifice 22" et séparant le réservoir en deux étages E1 , E2. Plus précisément, le réservoir 20 comporte une membrane 22' située entre le propergol solide PS et l'enveloppe 21 munie d'au moins un orifice 22, ladite membrane 22' comportant au moins un orifice 22", la surface de la ou chaque orifice 22" de la membrane 22' étant plus grande que la surface de la ou chaque orifice 22 de l'enveloppe 21 du réservoir 20.
Cette variante présente un intérêt lorsque, compte tenu du dimensionnement du ou de chaque orifice 22 sur l'enveloppe 21 du réservoir 20 pour obtenir notamment la pression P2 de fonctionnement souhaitée dans fa chambre 10 plasma, on aboutit à définir des orifices trop petits. Ces orifices peuvent alors ne pas être réalisables techniquement. Ces orifices peuvent aussi, bien que réalisables techniquement, trop petits pour s'assurer que des poussières de propergol solide et plus généralement, des impuretés, ne bloqueront pas les orifices 22 en cours d'utilisation.
Dans ce cas, on dimensionne le ou chaque orifice 22" de la membrane 22' de sorte qu'il soit plus grand que le ou chaque orifice 22 réalisé sur l'enveloppe 21 du réservoir 20, le ou chaque orifice 22 restant dimensionné pour obtenir la pression P2 de fonctionnement souhaitée dans la chambre 10 à plasma.
Bien entendu, un réservoir 20 à double étage peut être envisagé pour l'ensemble des réalisations décrites à l'appui des figures 1 à 7.
La figure 10 représente un troisième mode de réalisation d'un propulseur ionique selon l'invention.
Cette figure se présente comme une variante à la réalisation de la figure 8 (grilles 52' et 51 ' toutes deux reliées à la source de tension). Cependant, elle s'applique également en tant que variante à la figure 6 (grille 52' reliée à la source et grille 51 reliée à la masse), à la figure 7 (électrode 52 et grille 51 toutes deux reliées à ia source de tension), à la figure 5 (électrode 52 reliée à la source et grille 51 reliée à la masse) et à ia figure 9.
Le propulseur 100 présenté ici permet de former un faisceau 70' d'ions positifs en sortie de la chambre 10 plasma. Pour cela, la source de tension alternative radiofréquence 30 est remplacée par une source 30" de tension continu (DC). Afin d'assurer l'électroneutralité du faisceau 70', des électrons sont injectés dans le faisceau 70' par un dispositif externe 80, 81 à la chambre 10. Ce dispositif comprend une source de puissance 80 alimentant un générateur d'électrons 81 . Le faisceau d'électrons 70" sortant du générateur d'électrons 81 est dirigé vers le faisceau 70' d'ions positifs pour assurer l'électroneutralité.
Les figures 1 1 et 12 représentent une conception envisageable pour une chambre plasma 10 et son environnement pour un propulseur 100 conforme aux réalisations de la figure 1 , de (a figure 3, de la figure 5 ou de la figure 7.
Sur ces figures, on reconnaît la chambre 10 plasma, le réservoir 20 avec son enveloppe 21 et les orifices 22. Le réservoir 20 sert également d'électrode 52. Dans le cas d'espèce, on a représenté trois orifices 22, équirépartis autour de l'axe de symétrie AX du réservoir 20. L'enveloppe 21 est réalisée en un matériau conducteur, par exemple métallique (Aluminium, Zinc ou un matériau métallique recouvert par le l'or, par exemple) ou en un alliage métallique (inox ou laiton, par exemple). De ce fait, des courants de Foucault et par suite, un effet Joule peuvent être produits dans l'enveloppe 21 du réservoir 20 sous l'action de la source de tension alternative 30, 30' et de la bobine 40 ou, selon le cas, de l'antenne micro-ondes 40. La transmission de la chaleur entre l'enveloppe 21 du réservoir 20 et le propergol solide PS peut s'effectuer par conduction thermique et/ou rayonnement thermique.
La chambre 10 est enserrée entre deux anneaux 201 , 202, montés ensembles par l'intermédiaire de tiges 202, 204, 205 s'étendant le long de la chambre 10 (axe longitudinal AX). La chambre 10 est réalisée en un matériau diélectrique, par exemple en céramique. La fixation des anneaux et des tiges peut s'effectuer par des boulons/écrous (non représentés). Les anneaux peuvent être réalisés en un matériau métallique, par exemple de l'aluminium. Quant aux tiges, elles sont par exemple réalisées en céramique ou en un matériau métallique.
L'ensemble ainsi formé par les anneaux 201 , 203 et les tiges 202, 204, 205 permet la fixation de la chambre 10 et de son environnement, par l'intermédiaire de pièces additionnelles 207, 207', lesquelles prennent en sandwich l'un 203 des anneaux, sur un système (non représenté sur les figures 1 1 et 12) destiné à accueillir le propulseur, par exemple un satellite ou une sonde spatiale. Exemple de dimensionnement.
Un propulseur ionique 100 conforme à celui représenté sur la figure 1 a été testé.
La chambre 10 plasma et son environnement sont conformes à ce qui a été décrit à l'appui des figures 11 et 12. Les matériaux ont été choisis pour une température maximum acceptable de 300°C.
Le propergol solide PS utilisé est du diïode (l2, masse sèche d'environ 50g). Plusieurs orifices 22 ont été prévus sur l'enveloppe 21 conductrice du réservoir 20 pour faire passer le gaz diiode depuis le réservoir 20 vers la chambre 10 à plasma (réservoir 20 à étage unique).
Une température de référence T1 pour le réservoir 20 a été fixée à 60°C. Ceci peut être obtenu avec une puissance de 10W au niveau de la source de tension alternative radiofréquence 30. La fréquence du signal fourni par la source 30 est choisie pour être entre la fréquence plasma des ions et la fréquence plasma des électrons, en l'occurrence 13,56MHz.
La pression P1 du gaz diiode dans le réservoir 20 est alors connue par la figure 13 (cas du I2 ; cf. la formule F1 correspondante), celle-ci fournissant le lien entre P1 et T1 . Dans le cas d'espèce, P1 est de 10 Torr (environ 1330 Pa).
Pour obtenir une efficacité optimale, la pression P2 dans la chambre 10 doit alors être comprise entre 7Pa et 15Pa avec un débit massique m' de gaz diiode inférieur à 15sccm (~1 ,8. 0"6 kg. s"1) entre le réservoir 20 et la chambre 0.
On peut alors estimer que le diamètre de l'orifice (circulaire) équivalent est d'environ 50 microns. Lorsque l'orifice est unique, il présentera donc un diamètre de 50 microns. Lorsque plusieurs orifices sont prévus, ce qui est le cas dans le test effectué, il convient alors de déterminer la surface de cette orifice et de répartir cette surface sur plusieurs orifices afin d'obtenir le diamètre de chacun des orifices, qui sera avantageusement le même.
Toutefois, afin de donner quelques éléments de dimensionnement supplémentaires correspondants aux valeurs numériques fournies ci-dessus, on peut noter les points suivants, dans le cas d'un orifice 22 de surface A.
Le débit volumique à travers l'orifice 22 peut être estimé par la relation :
Figure imgf000025_0001
où :
Pi est la pression dans le réservoir 20;
P2 est la pression dans la chambre 0 ; et
v est la vitesse moyenne des molécules de gaz de diiode, déterminée par la relation : kTt
v = J (R2)
V 7ΏΎΙ v '
où:
Ti est ia température dans le réservoir 20;
k est la constante de Boltzmann (k « 1 .38- 10"23 J- K" ); et
m est ia masse d'une molécule du gaz diode (m(l2) ~ 4,25- 10
Le débit massique m' de gaz de diiode à travers l'orifice 22 est alors obtenu par ia relation :
(R3)
RT
où:
M est la masse molaire du diode (for l2, M « 254 u); et
R est ia constante molaire des gaz (R ~ 8,31 J/moi- K), En combinant les relations (R1 ) et (R3)( on en déduit la surface A de l'orifice 22 par la relation:
AmfRTx
IX (R4)
vM(Pl - P2)
L'orifice 22 est alors dimensionné.
Comme on peut ie constater dans la relation (R4), la température T2 dans la chambre 10 à plasma n'intervient pas. Une modélisation plus précise pourrait être obtenue en prenant en compte cette température T2. Pour des données plus générales sur ce dîmensionnement, on pourra se référer à : A User Guide To Vacuurn Technology, third éd., Johan F. O'Hanion (John Wiîey & Sons Inc., 2003).
Une fois que la surface A de l'orifice 22 est dimensionné, ie débit massique m'ieak (kg/s) de fuite de gaz de diiode lorsque ie propulseur 100 est à l'arrêt peut être déterminé par la relation : m ^HAg *]* u (R5) où:
TQ est la température du propulseur 100 à l'arrêt;
P0 est la pression du gaz dans le réservoir 20 lorsque le propulseur est à l'arrêt, cette pression étant fournie par la formule F1 (cf. figure 13) à la température T0 ; et
v0 est obtenue en utilisant la relation (R2) en substituant TV par T0. Fin de l'exemple.
Il convient de noter que le positionnement du ou de chaque orifice, représenté sur les figures annexés sur une face de l'enveloppe du réservoir 20 faisant face à la chambre 10 plasma pourrait être différent. En particulier, il est tout à fait envisageable de disposer le ou chaque orifice sur la face opposée du réservoir 20.
Enfin, le propulseur 100 selon l'invention peut en particulier être utilisé pour un satellite S ou une sonde spatiale SP.
Ainsi, la figure 14 représente, de façon schématique, un satellite S comprenant un propulseur 100 selon l'invention et une source d'énergie SE, par exemple une batterie ou un panneau solaire, connectée à la ou chaque source de tension continue 30" ou alternative 30, 30' (radiofréquence ou micro-ondes, selon le cas) du propulseur 100.
Quant à Sa figure 15, elle représente de façon schématique, une sonde spatiale SS comprenant un propulseur 100 selon l'invention et une source d'énergie SE, par exemple une batterie ou un panneau solaire, connectée à la ou chaque source de tension continue 30" ou alternative 30, 30' (radiofréquence ou micro-ondes, selon le cas) du propulseur 00.

Claims

REVENDICATIONS
1. Propulseur (100) ionique, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une chambre (10),
- un réservoir (20) comprenant un propergol solide (PS), ledit réservoir (20) étant logé dans la chambre (10) et comportant une enveloppe conductrice (21 ) munie d'au moins un orifice (22) ;
- un ensemble de moyens (30, 30', 40) pour former un plasma ions-électrons dans la chambre (10), ledit ensemble étant apte à sublimer le propergol solide dans le réservoir (20) pour former un propergol à l'état de gaz, puis à générer ledit plasma dans la chambre (10) à partir du propergol à l'état de gaz provenant du réservoir (20) à travers ledit au moins orifice (22) ;
- un moyen (50) d'extraction et d'accélération d'au moins les ions du plasma hors de la chambre (10), ledit moyen (50) d'extraction et d'accélération comprenant :
• soit une électrode (52) logée dans la chambre (10) à laquelle est associée une grille (51 ) située à une extrémité (E) de la chambre (10), ladite électrode (52) présentant une surface plus importante que la surface de la grille (51 ),
® soit un ensemble d'au moins deux grilles (52', 51 ) situées à une extrémité (E) de la chambre (10) ;
- une source de tension continue (30") ou une source de tension alternative radiofréquence (30) disposée en série avec un condensateur (53) et adaptée pour générer un signal dont la radiofréquence est comprise entre la fréquence plasma des ions et la fréquence plasma des électrons, ladite source de tension continue (30") ou alternative radiofréquence étant connectée, par l'une de ses sorties, au moyen (50) d'extraction et d'accélération d'au moins les ions du plasma hors de la chambre (10), et plus précisément:
® soit à l'électrode (52),
e soit à l'une (52') des grilles dudit ensemble d'au moins deux grilles (51 , 52'),
la grille (51 ) associée à l'électrode (52) ou, selon le cas, l'autre grille (51 ) dudit ensemble d'au moins deux grilles (52', 51 ) étant soit mise à un potentiel de référence (55), soit connectée à l'autre des sorties de ladite source de tension alternative radiofréquence (30) ;
ledit moyen (50) d'extraction et d'accélération et ladite source de tension (30, 30") continue ou alternative radiofréquence permettant de former, en sortie de !a chambre (10), un faisceau (70, 70') comportant au moins des ions.
2. Propulseur (100) selon la revendication 1 , dans lequel ;
« la source de tension connectée au moyen (50) d'extraction et d'accélération est une source de tension alternative radiofréquence (30), · l'ensemble de moyens (30, 40) pour former le plasma ions-éiectrons comprend au moins une bobine (40) alimentée par cette même source de tension alternative radiofréquence (30) par l'intermédiaire d'un moyen (60) pour gérer le signal fourni par ladite source de tension radiofréquence (30) en direction d'une part, de ladite au moins une bobine (40) et d'autre part, du moyen (50) d'extraction et d'accélération pour former un faisceau (70) d'ions et d'électrons en sortie de la chambre (10).
3. Propulseur (100) selon la revendication 1 , dans lequel l'ensemble de moyens (30, 40, 30') pour former le plasma ions -électrons comprend :
* au moins une bobine (40) alimentée par une source de tension alternative radiofréquence (30') différente de la source de tension continue (30") ou alternative radiofréquence (30) connectée au moyen (50) d'extraction et d'accélération ; ou
• au moins une antenne (40) micro-ondes alimentée par une source de tension alternative micro-ondes (30').
4. Propulseur (100) selon la revendication précédente, dans lequel la source de tension connectée au moyen (50) d'extraction et d'accélération est une source de tension alternative radiofréquence (30), pour former, en sortie de la chambre (10), un faisceau (70) d'ions et d'électrons.
5. Propulseur (100) selon l'une des revendications 2 ou 4, dans lequel, lorsque le moyen (50) d'extraction et d'accélération est un ensemble d'au moins deux grilles (52', 51 ) situées à une extrémité (E) de la chambre (10), l'électroneutralité du faisceau (70) d'ions et d'électrons est obtenue au moins en partie par réglage de la durée d'application des potentiels positifs et/ou négatifs issus de la source de tension alternative radiofréquence (30) connectée au moyen (50) d'extraction et d'accélération.
6. Propulseur (100) selon l'une des revendications 2 ou 4, dans lequel, lorsque le moyen (50) d'extraction et d'accélération est un ensemble d'au moins deux grilles (52', 51 ) situées à une extrémité (E) de la chambre (10), l'électroneutralité du faisceau (70) d'ions et d'électrons est obtenue au moins en partie par réglage de l'amplitude des potentiels positifs et/ou négatifs issus de la source de tension alternative radiofréquence (30) connectée au moyen (50) d'extraction et d'accélération.
7. Propulseur (100) selon ia revendication 3, dans lequel la source de tension connectée au moyen (50) d'extraction et d'accélération est une source de tension continue (30"), pour former, en sortie de la chambre (10), un faisceau (70') d'ions, le propulseur (100) comprenant en outre des moyens (80, 81 ) pour injecter des électrons dans ledit faisceau (70') d'ions afin d'assurer une électroneutralité.
8. Propulseur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le réservoir (20) comporte une membrane (22') située entre le propergol solide (PS) et l'enveloppe (21 ) munie d'au moins un orifice (22), ladite membrane (22') comportant au moins un orifice (22"), la surface de la ou chaque orifice (22") de la membrane (22') étant plus grande que ia surface de ia ou chaque orifice (22) de l'enveloppe (21 ) du réservoir (20).
9. Propulseur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque grille (51 , 52') présente des orifices dont la forme est choisie parmi les formes suivantes : circulaires, carrés, rectangles ou en formes de fentes, notamment de fentes parallèles.
10. Propulseur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque grille (51 , 52') présent des orifices circulaires, dont le diamètre est compris entre 0,2mm et 10mm, par exemple entre 0,5mm et 2mm.
1 1 . Propulseur (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, lorsque le moyen (50) d'extraction et d'accélération hors de la chambre (10) comprend un ensemble d'au moins deux grilles (52', 51 ) situées à l'extrémité (E) de la chambre (10), la distance entre les deux grilles (52', 51 } est comprise entre 0,2mm et 10mm, par exemple entre 0,5mm et 2mm.
12. Propulseur (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le propergol solide (PS) est choisi parmi : le diiode, le diiode mélangé à d'autres composants chimiques, le ferrocène, l'adamantane ou l'arsenic.
13. Satellite (S) comprenant un propulseur (100) selon l'une des revendications précédentes et une source d'énergie (SE), par exemple une batterie ou un panneau solaire, connectée à la ou chaque source de tension continue (30") ou alternative (30, 30') du propulseur (100).
14. Sonde spatiale (SS) comprenant un propulseur (100) selon l'une des revendications 1 à 12 et une source d'énergie (SE), par exemple une batterie ou un panneau solaire, connectée à la ou chaque source de tension continue (30") ou alternative (30, 30') du propulseur (100).
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