Brevet FR2894301A1 — publié le 20070608

PROPULSEUR A PLASMA ELECTRONEGATIF L'invention se situe dans le domaine des propulseurs à plasma. Ces propulseurs peuvent par exemple être utilisés dans les satellites ou bien dans les engins spatiaux dont la propulsion nécessite des poussées faibles sur des temps longs, comme par exemple les sondes. La propulsion d'engins dans l'espace (où la gravitation terrestre devient négligeable) requiert de faibles poussées (faible flux de matière éjectée), mais de fortes vitesses d'éjection du carburant pour minimiser la masse embarquée. En effet, l'augmentation de vitesse Au d'un engin spatial est reliée à la vitesse d'éjection des gaz ue et aux masses initiales mo et finale mf de carburant par l'équation suivante dite rocket equation : ( Au = ue ln m Une vitesse d'éjection des gaz importante est donc impérative si 15 l'on veut économiser du carburant. Les propulseurs plasma permettent d'atteindre ces fortes vitesses d'éjection. Deux quantités ;sont utilisées pour caractériser un propulseur, l'impulsion spécifique : ue go exprimée en secondes, où go est la constante de gravité à la surface de la 20 terre, et la poussée : T=mue où m est le débit massique. Le principe des propulseurs à plasma décrit sur le schéma illustré en figure 1, est le suivant : le carburant (gaz) X est d'abord ionisé dans 25 un plasma pour former des ions positifs X+ et des électrons e-, puis éjecté par accélération dans un champ électrique E (souvent créé par des grilles accélératrices), avant d'être neutralisé par un faisceau d'électrons Fe-annexe positionné en aval de la zone accélératrice. La neutralisation est indispensable pour éviter que les engins spatiaux se chargent électriquement. Les différents prototypes de propulseurs plasmas existant à ce jour, utilisent de manière générale un étage d'ionisation pour générer une source de matière chargée positivement (ions positifs), un étage d'accélération et une structure de neutralisation. Les sources d'ionisation, les structures accélératrices et neutralisatrices peuvent être variées. Mais, tous les propulseurs existant à ce jour n'utilisent que la matière chargée positivement (les ions positifs) pour la propulsion, la charge négative (les io électrons) servant uniquement à l'ionisation et à la neutralisation. Dans ce contexte, l'idée principale proposée dans la présente invention est d'utiliser un flux d'ions positifs et un flux d'ions négatifs pour la poussée. Pour cela, un gaz électronégatif (gaz à forte affinité électronique) est utilisé comme carburant. Il peut être utilisé en combinaison avec un gaz 15 électropositif, dans ce cas les deux gaz sont différents el: il s'agit de deux sources d'ions séparées, ou bien être utilisé seul et dans ce dernier cas le flux d'ions négatifs et le flux d'ions positifs sont générés depuis ce même gaz électronégatif. Dans tous les cas de figure, la poussée est donc assurée par les 20 deux types d'ions, l'un des types étant chargé positivement et l'autre négativement. Ces faisceaux d'ions se neutralisent (par exemple par recombinaison) en aval pour former un faisceau de molécules neutres rapides ce qui permet de s'affranchir d'une structure de neutralisation en aval de l'accélération. 25 Plus précisément la présente invention a pour objet un propulseur à plasma comprenant l'extraction d'un flux d'ions positifs, au moins un étage d'ionisation, des moyens d'alimentation en gaz ionisable dudit étage d'ionisation, des moyens de création d'un champ électrique de manière à produire l'ionisation du gaz dans l'étage d'ionisation caractérisé en ce que : 30 le gaz ionisable est un gaz électronégatif - et qu'il comprend au moins des premiers moyens d'extraction d'un flux d'ions négatifs, reliés à l'étage d'ionisation, l'extraction d'un flux d'ions positifs et l'extraction d'un flux d'ions négatifs assurant la neutralité électrique du propulseur Avantageusement le propulseur à plasma selon l'invention peut comporter en outre des moyens de filtrage des électrons libérés dans l'étage d'ionisation, lors de l'ionisation du gaz. Selon une première variante de l'invention le propulseur à plasma 5 peut comprendre un premier étage d'ionisation générant un flux d'ions négatifs, un second étage d'ionisation générant un flux d'ions positifs, chaque étage d'ionisation étant relié à des moyens d'extraction des flux d'ions. Selon une seconde variante de l'invention, le propulseur à plasma 10 peut comprendre un unique étage d'ionisation générant un flux d'ions négatifs et un flux d'ions positifs, des premiers moyens d'extraction d'un flux d'ions négatifs, des seconds moyens d'extraction d'un flux d'ions positifs Avantageusement le propulseur à plasma peut comprendre des moyens d'extraction de flux d'ions comportant au moins une grille polarisée. 15 Avantageusement le propulseur à plasma peut comprendre des moyens pour créer un champ électrique comportant deux éléments conducteurs placés aux extrémités de l'étage d'ionisation pour placer ledit étage sous tension, ou comportant une bobine alimentée par un courant radiofréquence. 20 Les moyens pour créer un champ électrique peuvent aussi être de type antenne hélicon alimentée par un courant radio-fréquence Selon une variante de l'invention, le gaz électronégatif peut être du diiode. Selon une variante de l'invention, le gaz électronégatif peur être 25 de l'oxygène. Selon une variante de l'invention, le propulseur plasma peut comprendre des moyens pour créer un champ alternatif générant un plasma pulsé (alternance de périodes ON et OFF) permettant l'extraction des flux d'ions dans la période OFF, période durant laquelle les électrons ont 30 disparus (filtre temporel des électrons). Avantageusement, le propulseur plasma peut comprendre des moyens pour générer un champ magnétique statique au sein de l'étage d'ionisation de manière à filtrer les électrons en régime stationnaire (filtre spatial). Ces moyens peuvent être des aimants permanents placés en périphérie de l'étage d'ionisation pour créer le champ magnétique au sein dudit étage d'ionisation. Selon une variante de l'invention, le propulseur à plasma peut comprendre des moyens d'extraction de flux d'ions négatifs et/ou positifs dans une direction perpendiculaire à la direction du champ magnétique appliqué au niveau de l'étage d'ionisation. Avantageusement, dans ce cas, le propulseur à plasma peut comprendre un cylindre constitutif de l'étage d'ionisation et au moins un étage périphérique d'extraction monté sur ledit cylindre et équipé en surface de grilles polarisées. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails apparaitront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 schématise un propulseur plasma selon l'art antérieur comprenant la propulsion d'un gaz positif accompagné d'un neutraliseur. la figure 2 schématise un exemple de propulseur selon l'invention comportant un gaz électronégatif pour générer simultanément un 20 flux d'ions positifs et un flux d'ions négatifs la figure 3 illustre un exemple de propulseur selon l'invention, présentant deux grilles d'extraction polarisées positivement et négativement la figure 4 illustre une vue en perspective de variante d'étage 25 d'extraction comprenant des paires de grilles polarisées positivement et négativement, selon un exemple de propulseur similaire à celui illustré en figure 3. Nous allons décrire l'invention dans le cadre de l'utilisation d'un 30 unique gaz d'ionisation capable de générer un plasma d'ions positifs et négatifs, mais l'invention s'applique également au cas d'un gaz électronégatif capable de générer un flux d'ions négatifs, couplé à l'utilisation classique d'un gaz électropositif. Dans ce dernier cas, le propulseur de l'invention comporte deux étages d'ionisation, et les moyens d'extraction de gaz ionisés associés à chaque étage génèrent deux flux d'ions, les uns positifs et les autres négatifs, qui se neutralisent en sortie. Dans l'exemple décrit ci-après, le propulseur selon l'invention 5 comprend une structure alimentée en gaz électronégatif cornme schématisée en figure 2 et comportant : - un étage d'ionisation 1 un étage de filtrage 2 un étage d'extraction 3. 10 Un flux de gaz électronégatif A2 est introduit dans l'étage d'ionisation 1. Sous l'action d'un champ électrique schématisé par la flèche représentative de la puissance électrique Pe, le gaz électronégatif génère des ions positifs A+, des ions négatifs A" et des électrons e-. L'étage d'ionisation est couplé à un étage de filtrage 2 des électrons de manière à 15 disposer dans l'étage d'extraction 3 d'un plasma d'ions positifs et d'ions négatifs dépourvus d'électrons grâce à des moyens de filtrage, pouvant être par exemple un champ magnétique statique. L'extraction du plasma est assurée dans le cas ici schématisé par deux grilles polarisées négativement 4 et positivement 5. 20 La poussée est donc assurée par les deux types d'ions (la charge négative et la charge positive). La neutralisation en aval n'est plus nécessaire car les faisceaux d'ions se neutralisent en aval (recombinaison) pour former un faisceau de molécules neutres rapides. L'étage d'ionisation 1, peut utiliser n'importe quel type de couplage 25 de l'énergie électrique au plasma (citons par exemple : deux plaques polarisées en continu, à basse fréquence ou en radiofréquence, une bobine alimentée en radiofréquence pour un couplage inductif, ou une source microonde. L'étage de filtrage 2, peut être réalisé de deux manières au 30 moins : (i) en modulant la création du plasma (plasmas pulsés : alternance ON-OFF de la puissance électrique) et en utilisant la période OFF pour l'extraction, période durant laquelle les électrons ont disparus par attachement sur les molécules. Selon cette configuration, les étages d'ionisation et de filtrage sont communs. - (ii) en utilisant un champ magnétique statique pour piéger les électrons qui ont un rayon de Larmor beaucoup plus faible en raison du rapport de leurs masses respectives. Le rayon de Larmor est proportionnel à la masse des particules, il s'écrit : RL = eB Où me,i et ue,i sont respectivement la masse et la vitesse des électrons ou des ions, e est la charge élémentaire, et B l'amplitude du champ 1 o magnétique. L'étage d'extraction 3 peut être constitué de grilles accélératrices dont les dimensions ne sont pas nécessairement similaires à celles des propulseurs à grille classique, car les propriétés des gaines de charge d'espace sont différentes en absence d'électrons. 15 La figure 3 illustre un exemple de prototype possible qui n'est qu'un exemple parmi les prototypes possibles. Le système comprend un cylindre horizontal : l'étage d'ionisation 1, où le plasma dense est généré par application d'une tension radiofréquence à 13.56 MHz sur une antenne de type hélicon , représenté 20 par le sigle RF. Les sources hélicon sont connues pour produire une ionisation très efficace. Ce cylindre comporte en outre des moyens d'introduction 6 du gaz ionisable dans l'étage d'ionisation. Le diiode 12 est utilisé comme carburant. Il s'agit d'un gaz très électronégatif permettant de former une forte quantité d'ions négatifs lourds (plus la masse est élevée 25 plus la poussée est importante ; la masse de 12 est 254 uma (unité de masse atomique). En outre, le seuil d'ionisation du diiode est bas (10.5 eV pour former I+) ce qui favorise la formation des ions positifs à faible coût énergétique. Cependant, tout gaz électronégatif peut a priori être utilisé (par exemple l'oxygène). Un champ magnétique statique B d'une intensité de 30 l'ordre de 0.01-0.1 Tesla est appliqué dans le cylindre source, permettant de confiner les électrons dans le cylindre, comme représenté sur la figure 3. Il peut être généré par circulation de courant continu dans des bobines ou par5 des aimants permanents (positionnés en périphérie du cylindre et non-représentés). Ce champ magnétique a deux fonctions : -(i) augmenter l'efficacité d'ionisation grâce à un meilleur confinement des électrons et un meilleur chauffage du plasma par l'onde hélicon, -(ii) créer le filtre magnétique pour les électrons, i.e. magnétiser les électrons, pour les empêcher de diffuser dans les étages d'extraction ionique 3. Ces étages peuvent typiquement être équipés de grilles polarisées, comme représenté en figure 3, pour générer d'une part un flux d'ions négatifs lx" et un flux d'ions positifs ly+. Les ions positifs et négatifs générés dans l'étage d'ionisation (le cylindre horizontal) diffusent radialement dans les étages d'extraction car, contrairement aux électrons, ils ne sont pas magnétisés (le champ magnétique est assez faible et leur masse est très élevée, de sorte que leur rayon de Larmor est très supérieur au rayon du cylindre). Selon une variante de l'invention, les étages d'extraction 3 illustrés en perspective sur la figure 4 peuvent également fonctionner avec des paires de grilles 41 et 51, (le système représenté sur les figures possède quatre paires, deux de chaque côté) ; l'une est polarisée négativement, pour accélérer les ions positifs, l'autre est polarisée positivement, pour accélérer les ions négatifs. Notons que les zones d'extraction peuvent avoir différentes formes géométriques, ; toute géométrie est envisageable et cherchera à maximiser la surface d'extraction. Finalement, les deux faisceaux d'ions extraits, de signes opposés, se neutralisent en aval (dans l'espace). La neutralisation est donc automatique et ne nécessite pas de faisceau additionnel d'électrons. Les deux faisceaux peuvent également se recombiner pour former un faisceau de molécules neutres rapides. Typiquement avec un propulseur présentant une surface globale d'extraction d'environ 500 cm2, une tension d'accélération cle 1000V (obtenue en polarisant les grilles d'extraction de manière à optimiser l'optique ionique), on peut atteindre une densité de courant ionique de 10 mA/cm2, et ainsi un courant total extrait de l'ordre de 5A. En prenant la masse de l'iode, ce courant correspond à un débit massique de carburant éjecté de 6.5 mg/s. En considérant une tension d'accélération de 1000 V, la vitesse d'éjection des ions sera de 40 km/s. En se référant aux équations présentées en introduction, ce débit massique et cette vitesse d'éjection conduisent aux performances suivantes : une poussée de 250 mN pour une impulsion spécifique de 4000s. REVENDICATIONS 1. Propulseur à plasma comprenant l'extraction d'un flux d'ions positifs, au moins un étage d'ionisation (1), des moyens d'alimentation (6) en gaz ionisable dudit étage d'ionisation, des moyens de création d'un champ électrique de manière à produire l'ionisation du gaz dans l'étage d'ionisation caractérisé en ce que : • le gaz ionisable est un gaz électronégatif • et qu'il comprend au moins des premiers moyens d'extraction (3) d'un flux d'ions négatifs, reliés à l'étage d'ionisation, l'extraction d'un flux d'ions positifs et l'extraction d'un flux 10 d'ions négatifs assurant la neutralité électrique du propulseur. 2. Propulseur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de filtrage des électrons (2) libérés dans l'étage d'ionisation, lors de l'ionisation du gaz. 15 3. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un premier étage d'ionisation générant un flux d'ions négatifs, un second étage d'ionisation générant un flux d'ions positifs, chaque étage d'ionisation étant reliés à des moyens d'extraction des 20 flux d'ions. 4. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un unique étage d'ionisation générant un flux d'ions négatifs et un flux d'ions positifs, des premiers moyens 25 d'extraction d'un flux d'ions négatifs, des seconds moyens d'extraction d'un flux d'ions positifs. 5. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'extraction de flux d'ions comprennent au 30 moins une grille polarisée (4, 5). 6. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens pour créer un champ électriquecomprennent deux éléments conducteurs placés aux extrémités de l'étage d'ionisation pour placer ledit étage sous tension. 7. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 6, 5 caractérisé en ce que les moyens pour créer un champ électrique comprennent une bobine alimentée par un courant radiofréquence. 8. Propulseur plasma selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens pour créer un champ électrique 10 comprennent une antenne hélicon alimentée par un courant radio-fréquence (RF). 9. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le gaz électronégatif est de type diiode. 10. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le gaz électronégatif est de l'oxygène. 11. Propulseur plasma selon l'une des revendications 2 à 10, 20 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour créer un champ alternatif générant un plasma pulsé permettant simultanément l'extraction des flux d'ions en absence de champ électrique et la filtration des électrons. 12. Propulseur plasma selon l'une des revendications 2 à 10, 25 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour générer un champ magnétique statique au sein de l'étage d'ionisation, de manière à filtrer les électrons. 13. Propulseur plasma selon la revendication 12, caractérisé en ce 30 qu 'il comprend des aimants permanents placés en périphérie de l'étage d'ionisation pour créer le champ magnétique au sein dudit étage d'ionisation. 14. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'extraction de flux d'ions 15négatifs et/ou positifs (41, 51) dans une direction perpendiculaire à la direction du champ magnétique appliqué au niveau de l'étage d'ionisation. 15. Propulseur à plasma selon la revendication 14, caractérisé en 5 ce qu'il comprend un cylindre constitutif de l'étage d'ionisation, au moins un étage périphérique d'extraction monté sur ledit cylindre et équipé en surface de grilles polarisées positivement et négativement.