Brevet FR2939173A1 — publié le 20100604

Propulseur à plasma électronégatif à injection optimisée 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 d'un engin spatial est io 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 �: mo AU =U iII mfY Une vitesse d'éjection des gaz importante est donc impérative si l'on veut économiser du carburant. Les propulseurs plasma permettent is d'atteindre ces fortes vitesses d'éjection. Deux quantités sont utilisées pour caractériser un propulseur, l'impulsion spécifique : exprimée en secondes, où go est la constante de gravité à la surface de la terre, et la poussée : 20 T=mue où m est le débit massique. Le principe des propulseurs à plasma (classique) décrit sur le schéma illustré en figure 1, est le suivant : le � carburant � (gaz) X est d'abord ionisé pour former des ions positifs X+ et des électrons e-. Les ions 25 positifs sont accélérés grâce à un champ électrique E, créé par des grilles accélératrices, et sont ainsi éjectés du système, avant d'être neutralisés par un faisceau d'électrons Fe- annexe, positionné en aval de la zone accélératrice, généré par une cathode. La neutralisation est indispensable pour éviter que les engins spatiaux ne se chargent électriquement. ue 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 électrons) servant uniquement à l'ionisation et à la neutralisation. Dans ce contexte, la demanderesse a déjà proposé, dans une io demande de brevet antérieure publiée sous le numéro 2 894 301, 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 électropositif, dans ce cas les deux gaz sont différents et il s'agit de deux sources d'ions is 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. La figure 2 illustre ce type de configuration de propulseur. Plus précisément ce propulseur comprend une structure alimentée en gaz 20 électronégatif et : - un étage d'ionisation 1, - un étage de filtrage 2, - un étage d'extraction 3. Un flux de gaz électronégatif A2 est introduit dans l'étage 25 d'ionisation 1. Sous l'action d'une puissance électrique schématisé par la flèche Pe, le gaz électronégatif génère des ions positifs A+, des ions négatifs A- et des électrons e-. L'étage d'ionisation 1 est couplé à un étage de filtrage 2 des électrons de manière à disposer dans l'étage d'extraction 3 d'un plasma d'ions positifs et d'ions négatifs dépourvus d'électrons. 30 Les 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, selon une première méthode d'extraction possible. L'extraction du plasma peut aussi être assurée par une grille 35 polarisée alternativement positivement et négativement selon une seconde méthode d'extraction. Les première et seconde méthodes d'extraction peuvent aussi être combinées ou être disposées en matrice (par exemple pour augmenter la taille du système). La poussée est donc assurée par les deux types d'ions (la charge 5 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. Le propulseur à plasma possède un étage unique d'ionisation au sein duquel est créé un plasma d'ions positifs et d'ions négatifs. io Afin de perfectionner un tel propulseur, la demanderesse propose d'exploiter la différence de température des électrons au sein de l'étage d'ionisation : les électrons dits � chauds � favorisent l'ionisation positive du gaz électronégatif, donc créent des ions positifs, alors que les électrons dits moins � chauds � favorisent la création d'ions négatifs, par attachement de 15 ces électrons. L'optimisation de ce type de propulseur repose ainsi notamment sur l'injection optimisée du gaz électronégatif au sein de l'étage d'ionisation. Plus précisément la présente invention a pour objet un propulseur à plasma comprenant l'extraction d'un flux d'ions positifs et d'un flux d'ions 20 négatifs caractérisé en ce qu'il comprend : - un unique étage d'ionisation ; - des moyens d'injection en gaz ionisable dudit étage d'ionisation, lesdits moyens comportant au moins des premiers moyens d'injection d'un premier gaz et des seconds moyens 25 d'injection d'un second gaz électronégatif ; - des moyens de création d'une puissance électrique de manière à produire l'ionisation des gaz dans l'étage d'ionisation, lesdits moyens créant une première zone dite chaude au niveau de l'étage d'ionisation ; 30 - le premier gaz étant distribué dans la première zone dite chaude, le second gaz étant distribué dans une seconde zone moins chaude que ladite première zone ; - des premiers moyens d'extraction d'un flux d'ions négatifs, des seconds moyens d'extraction d'un flux d'ions positifs, reliés 35 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. Selon une variante de l'invention, le premier gaz et le second gaz sont identiques. Selon une variante de l'invention, le propulseur comporte deux compartiments constitutifs des première et seconde zones. Selon une variante de l'invention, les premiers moyens d'injection du premier gaz sont situés au niveau d'une première face de l'étage d'ionisation, les seconds moyens d'injection étant distribués le long d'une seconde face transverse à ladite première face, de manière à distribuer une série de flux de second gaz dans l'étage d'ionisation. Selon une variante de l'invention, les seconds moyens d'injection de second gaz distribuent des flux de débit différents dans l'étage d'ionisation. Selon une variante de l'invention, le propulseur comporte en outre des moyens de filtrage des électrons libérés dans l'étage d'ionisation, lors de l'ionisation du gaz. Selon une variante de l'invention les moyens pour créer un champ électrique comprennent deux éléments conducteurs placés aux extrémités de l'étage d'ionisation pour placer ledit étage sous tension. Selon une variante de l'invention, les moyens pour créer un champ électrique comprennent une bobine alimentée par un courant radiofréquence. Selon une variante de l'invention, les moyens pour créer un champ électrique comprennent une antenne hélicon alimentée par un courant radio-fréquence (RF). Selon une variante de l'invention, le gaz électronégatif est un dihalogène. Selon une variante de l'invention, le gaz électronégatif est de type diiode. Selon une variante de l'invention, le gaz électronégatif est de 30 l'oxygène. Selon une variante de l'invention, le gaz électronégatif est de l'hexafluorure de soufre (SF6). Selon une variante de l'invention, le propulseur comprend des moyens pour créer un plasma pulsé. Selon une variante de l'invention, le propulseur comprend des moyens pour générer un champ magnétique statique au sein de l'étage d'ionisation, de manière à filtrer les électrons. Selon une variante de l'invention, le propulseur comprend des 5 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 comprend 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 io l'étage d'ionisation. Selon une variante de l'invention, le propulseur comprend un système de modulation temporelle des moyens d'extraction des ions. Selon une variante de l'invention, les ions positifs et négatifs sont extraits alternativement par le même moyen d'extraction. 15 Selon une variante de l'invention, les moyens d'extraction de flux d'ions comprennent au moins une grille polarisée. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails apparaitront à 20 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 classique selon l'art antérieur comportant un gaz électropositif pour générer un flux d'ions positifs qui est neutralisé avec un faisceau d'électrons en 25 aval de la zone accélératrice ; - la figure 2 schématise un propulseur plasma selon l'art antérieur comportant un gaz électronégatif pour générer simultanément un flux d'ions positifs et un flux d'ions négatifs ; - la figure 3 illustre un exemple de propulseur selon l'invention 30 comportant l'injection de deux gaz différents à des endroits dissociés et optimisés ; - la figure 4 illustre l'évolution de la température des électrons en fonction d'une distance d'éloignement par rapport à des moyens de création de champ électrique perpendiculaire à un champ 35 magnétique appliqué créant une zone de chauffage d'électrons ; - la figure 5 illustre l'évolution du rapport ions négatifs par électron, générés par collision d'attachement, en fonction d'une distance d'éloignement par rapport à des moyens de création de champ électrique perpendiculaire à un champ magnétique appliqué, créant une zone de chauffage d'électrons ; - la figure 6 illustre le taux de génération d'ions négatifs par collision avec des électrons (attachement) en fonction de la température et du taux d'ionisation créant des ions positifs par collision avec des électrons en fonction de la température ; - la figure 7 schématise une seconde variante de l'invention comprenant une série de moyens d'injection du second gaz dans l'étage d'ionisation ; - les figures 8a, 8b et 8c illustrent un exemple de propulseur selon l'invention. De manière générale, le propulseur de l'invention comporte un étage unique d'ionisation couplé à des moyens pour ioniser un ou plusieurs gaz destinés à la propulsion, ledit étage comportant aux moins des premiers moyens d'injection d'un premier gaz et des seconds moyens d'injection d'un second gaz. Le second gaz injecté est un gaz électronégatif et est diffusé dans l'étage d'ionisation dans une région dite plus froide, par rapport à une zone dite chaude située à proximité des moyens de création d'un champ électrique nécessaire à l'ionisation des gaz. Ces moyens de couplage de l'énergie électrique au plasma peuvent être de type deux plaques polarisées en continu, à basse fréquence ou en radiofréquence, bobine alimentée en radiofréquence pour un couplage inductif, ou bien encore source microonde. La figure 3 schématise un premier exemple d'étage d'ionisation comportant une alimentation en gaz G1 et une alimentation en gaz électronégatif G2, les moyens de couplage de l'énergie électrique étant représentés par une puissance Pe d'alimentation et générant des électrons représentés e- . La région dite chaude de l'étage d'ionisation est référencée Z1 proche de la source RF, la région dite plus froide et éloignée de la source RF étant référencée Z2. Selon l'invention, le gaz électronégatif est injecté dans la région la moins chaude. Plus précisément, le premier gaz peut être un gaz électropositif ou électronégatif, introduit dans la région dite chaude Z1 au niveau du coeur du plasma dans laquelle la puissance RF est couplée avec les électrons. La génération efficace d'ions positifs et d'ions négatifs (en utilisant un gaz électronégatif) à partir du gaz G1 est réalisée dans cette région Z1. Le second gaz est introduit dans une région Z2 proche des moyens d'extraction dans laquelle les électrons ont une température moins Io élevée. Le second gaz est choisi électronégatif et permet d'assurer une génération efficace d'ions négatifs. Des moyens d'extraction Me sont prévus pour extraire les ions positifs et les ions négatifs. La figure 4 illustre à ce titre l'évolution de la température des 15 électrons en fonction d'une distance X au sein de l'étage d'ionisation, la distance étant repérée depuis la zone située à proximité de la création de champ électrique (référence 0), selon l'axe horizontal représenté sur ladite figure 4. La figure 5 illustre l'évolution du rapport d'ions négatifs par un 20 électron en fonction de la même distance X. Il apparait que la génération d'ions négatifs est très marquée au-delà d'une distance dans le cas considéré d'environ 40 mm. La courbe 5a est relative à un gaz 02, la courbe 5b est relative à un gaz SF6. Par ailleurs, la vitesse de création d'ions négatifs est une fonction 25 décroissante de la température des électrons, alors que la vitesse d'ionisation, créant des ions positifs, par collision avec des électrons est une fonction exponentielle de la température des électrons. La figure 6 illustre ces comportements pour un gaz électronégatif, la courbe 6a étant relative respectivement au premier phénomène (réaction 30 d'attachement), la courbe 6b étant relative au second phénomène (réaction d'ionisation). Ces deux procédés interfèrent pour des températures électroniques comprises entre 2 et 4 eV, selon les gaz. Les ions négatifs sont créés dans la région de basse température et deviennent dominants quand 35 la température est inférieure typiquement à 1-2 eV, alors que les ions positifs sont créés dans une région de forte température pour les électrons et deviennent dominants pour des énergies supérieures à environ 4-5 eV (les valeurs seuils varient grandement selon le type de gaz). Le gaz électronégatif utilisé peut avantageusement être un dihalogène du type 12. Un tel gaz présente plusieurs intérêts, il est peu cher comparativement à d'autres gaz électronégatifs et présente le grand avantage d'être solide à température ambiante ce qui peut en favoriser fortement toutes les opérations de conditionnement et de stockage. Il est aussi très électronégatif et son seuil d'ionisation est io relativement faible, il peut ainsi générer non seulement des ions négatifs mais également des ions positifs de manier très efficace. Il peut aussi être utilisé dans un propulseur selon l'invention aussi bien en tant que premier gaz G1 que second gaz G2. 15 Selon une variante de l'invention, le propulseur peut utiliser comme premier gaz, un gaz type Xénon permettant de générer des ions positifs et comme second gaz, un dihalogène capable de générer des ions négatifs. Dans les précédentes variantes de l'invention, le propulseur 20 comprend deux zones dénommées respectivement chaude et froide dans lesquelles, sont respectivement injectées un premier gaz et un second gaz électronégatif via deux moyens d'injection. Selon une autre variante de l'invention plus élaborée, il est proposé d'utiliser une série de moyens d'injection de second gaz, avec des 25 débits d'injections pouvant être optimisés en fonction de l'évolution de la température dans l'étage d'ionisation et donc en fonction de la température des électrons. Ces injections sont ainsi effectuées dans une série de régions Z1,..., Z;,...,ZN avec des débits variables. Cette variante schématisée en figure 7 est relative à un exemple dans lequel, l'unique gaz électronégatif 12 30 est injecté pour générer aussi bien les ions positifs que les ions négatifs. Dans ces différentes variantes, la poussée est donc assurée par les deux types d'ions (positifs et négatifs). 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. 35 De manière connue, l'étage d'ionisation précédemment décrit peut être couplé à un étage de filtrage comme celui illustré en figure 2. L'étage de filtrage, peut être réalisé de deux manières au 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. io - (ii) en utilisant un champ magnétique statique pour piéger les électrons, les ions, beaucoup plus lourds, ne le sont pas. Le propulseur de l'invention comporte également un étage d'extraction pouvant être constitué de grilles accélératrices dont les dimensions ne sont pas nécessairement similaires à celles des propulseurs à is grille classique, car les propriétés des gaines de charge d'espace sont différentes en absence d'électrons. Exemple de propulseur selon l'invention : 20 Dans cet exemple de propulseur selon l'invention, le plasma est créé par une antenne radio fréquence RF dont la surface active est optimisée et dimensionnée en fonctions des applications visées. Les figures 8a et 8b illustrent des vues différentes de l'antenne RF et des deux zones dites chaude et froide Z1 et Z2 dans lesquelles sont respectivement introduits les 25 gaz G1 et G2. Une plaque 80 ferme l'enceinte dans laquelle est introduit le gaz G1. La température est suffisamment élevée dans le volume Z1 pour créer des ions positifs par ionisation, et ainsi obtenir une forte densité d'ions 30 positifs dans cette région. Un second gaz électronégatif G2 est injecté dans le volume Z2 pour produire les ions négatifs. Le volume d'extraction est séparé en deux régions par des aimants permanents, l'installation de deux grilles d'accélération est par 35 ailleurs prévue en sortie du volume Z2. Des aimants permanents 70 sont placés sur une face et au milieu du volume Z2 pour filtrer les électrons de manière à ne conserver dans le milieu que des ions positifs et des ions négatifs en sortie de volume Z2. Dans cette région la température des électrons décroit et les ions négatifs sont produits par collision d'attachement avec des électrons. Le champ magnétique appliqué a deux fonctions : - (i) augmenter l'efficacité d'ionisation grâce à un meilleur confinement des électrons ; - (ii) créer le filtre magnétique pour les électrons, i.e. io � magnétiser � les électrons, pour les empêcher de diffuser vers les moyens d'extraction. Des moyens d'extraction 40 et 50 représentés en figure 8c sont utilisés pour accélérer les ions et en provoquer la sortie du propulseur, les entités ioniques A- et A+ sont ainsi extraites du propulseur. is Ces moyens peuvent typiquement être de type grille, une grille pouvant être utilisée pour accélérer les ions négatifs, une autre grille pouvant être utilisée pour accélérer les ions positifs. Il est également possible de n'introduire qu'une seule grille, polarisée alternativement pour extraire des ions négatifs en alternance avec 20 des ions positifs. Il peut également être envisagé d'utiliser un ensemble de grilles. 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 25 deux faisceaux peuvent également se recombiner pour former un faisceau de molécules neutres rapides. REVENDICATIONS1. Propulseur à plasma comprenant l'extraction d'un flux d'ions positifs caractérisé en ce qu'il comprend : - un unique étage d'ionisation ; - des moyens d'injection en gaz ionisable dudit étage d'ionisation, lesdits moyens comportant au moins des premiers moyens d'injection d'un premier gaz (G1) et des seconds moyens d'injection d'un second gaz électronégatif (G2) ; - des moyens de création d'un champ électrique (Pe, RF) de manière à produire l'ionisation des gaz dans l'étage d'ionisation, lesdits moyens créant une première zone dite chaude au niveau de l'étage d'ionisation ; - le premier gaz étant distribué dans la première zone (Z1) dite chaude, le second gaz étant distribué dans une seconde zone (Z2) moins chaude que ladite première zone ; - des premiers moyens d'extraction (Me, 40) d'un flux d'ions négatifs, des seconds moyens d'extraction (Me, 50) d'un flux d'ions positifs, 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. 2. Propulseur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier gaz et le second gaz sont identiques. 3. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 ou 2, 25 caractérisé en ce qu'il comporte deux compartiments constitutifs des première et seconde zones. 4. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premiers moyens d'injection du premier gaz sont 30 situés au niveau d'une première face de l'étage d'ionisation, les seconds moyens d'injection étant distribués le long d'une seconde face transverse (Z1,...,Z1,...,ZN) à ladite première face de manière à distribuer une série de flux de second gaz dans l'étage d'ionisation. 10 15 20 20 25 . Propulseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les seconds moyens d'injection de second gaz distribuent des flux de débit différents dans l'étage d'ionisation. s 6. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de filtrage des électrons libérés dans l'étage d'ionisation, lors de l'ionisation du gaz. 7. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 6, Io caractérisé en ce qu'il comprend un système de modulation temporelle des moyens d'extraction des ions. 8. Propulseur à plasma selon la revendication 7, caractérisé en ce que le même moyen est utilisé pour extraire alternativement les ions positifs 15 et les ions négatifs. 9. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens d'extraction de flux d'ions comprennent au moins une grille polarisée (Me). 10. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens pour créer un champ électrique comprennent deux éléments conducteurs placés aux extrémités de l'étage d'ionisation pour placer ledit étage sous tension. 11. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens pour créer un champ électrique comprennent une bobine alimentée par un courant radiofréquence. 30 12. Propulseur plasma selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les moyens pour créer un champ électrique comprennent une antenne hélicon alimentée par un courant radio-fréquence (RF).13. Propulseur plasma selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le gaz électronégatif est un dihalogène. 14. Propulseur à plasma selon la revendication 13, caractérisé en 5 ce que le gaz électronégatif est de type diiode. 15. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le gaz électronégatif est du SF6. io 16. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le gaz électronégatif est de l'oxygène. 17. Propulseur plasma selon l'une des revendications 5 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour créer un champ alternatif 15 générant un plasma pulsé permettant simultanément l'extraction des flux d'ions en absence de champ électrique et la filtration des électrons. 18. Propulseur plasma selon l'une des revendications 5 à 17, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour générer un champ 20 magnétique statique au sein de l'étage d'ionisation, de manière à filtrer les électrons. 19. Propulseur plasma selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend des aimants permanents placés en périphérie de l'étage 25 d'ionisation pour créer le champ magnétique au sein dudit étage d'ionisation. 20. Propulseur à plasma selon l'une des revendications 18 ou 19, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'extraction de flux d'ions négatifs et/ou positifs (40, 50) dans une direction perpendiculaire à la 30 direction du champ magnétique appliqué au niveau de l'étage d'ionisation.