Brevet FR2959534A1 — publié le 20111104

La présente invention concerne un moteur à effet Hall comportant un canal de décharge dont l'extrémité aval est ouverte, une cathode située à l'extérieur du canal de décharge, un système d'injection situé à l'extrémité amont du canal de décharge, ce système d'injection étant situé à l'extrémité amont du canal de décharge et formant également anode, et un dispositif de chauffage apte à chauffer la cathode. Un moteur à effet Hall est un moteur utilisé par exemple dans le domaine de la propulsion spatiale, car il permet de propulser des objets dans le vide spatial en utilisant une masse de combustible plus faible que dans le cas de moteurs thermiques, et présente une durée de vie importante, de plusieurs milliers d'heures. Le moteur à effet Hall étant connu, sa structure et son principe de fonctionnement sont rappelés ci-après brièvement. La figure 2 montre un moteur à effet Hall 1 en perspective et en coupe partielle. Autour d'un noyau central 10 s'étendant selon un axe longitudinal A, est situé un bobinage magnétique central 12. Une paroi interne 20, de forme annulaire, entoure le bobinage magnétique central 12 et le noyau central 10. Cette paroi interne 20 est entourée par une paroi externe 40, de forme annulaire, de telle sorte que ces deux parois délimitent un canal annulaire s'étendant selon l'axe A, appelé canal de décharge 50. Dans la description qui suit, le terme "interne" désigne une partie plus proche de l'axe A, et le terme "externe" une partie plus éloignée de l'axe A. L'extrémité amont du canal de décharge 50 est fermée par un système d'injection 30 qui injecte des atomes de gaz dans ce canal de décharge 50, et qui constitue également une anode. L'extrémité aval 52 du canal de décharge 50 est ouverte. Plusieurs bobinages magnétiques périphériques 14 sont situés sur le pourtour de la paroi externe 40. Le bobinage magnétique central 12 et les bobinages magnétiques périphériques 14 servent à générer un champ magnétique radial B dont l'intensité est maximale vers l'extrémité aval 52 du canal de décharge 50. Une cathode creuse 100 se situe à l'extérieur de la paroi externe 40, et il est établit une différence de potentiel entre la cathode 100 et l'anode (système d'injection 30). Cette cathode creuse 100 est positionnée de telle sorte qu'elle éjecte des électrons au voisinage de l'extrémité aval 52 du canal de décharge 50. Ces électrons se dirigent, dans le canal de décharge 50, vers le système d'injection 30 sous l'influence du champ électrique généré par la différence de potentiel entre la cathode 100 et l'anode, mais ils se retrouvent en partie piégés par le champ magnétique B au voisinage de l'ouverture aval 52 du canal de décharge 50. Les électrons sont ainsi amenés à décrire des trajectoires circonférentielles dans le canal de décharge 50, au niveau de son ouverture aval 52. Ces électrons ionisent alors via des chocs les atomes de gaz neutre (en général du xénon Xe) circulant de l'amont vers l'aval dans le canal de décharge 50, créant ainsi des ions. De plus, ces électrons créent un champ électrique E axial, qui accélère ces ions depuis l'anode (système d'injection 30 au fond du canal 80) vers l'ouverture aval 52, de telle sorte que ces ions sont éjectés à grande vitesse du canal de décharge 50 par son extrémité aval 52, ce qui engendre la propulsion du moteur. Le démarrage du moteur nécessite le préchauffage de la cathode 100 par un dispositif de chauffage 60 jusqu'à une température seuil qui permet l'émission par la cathode de la quantité d'électrons nécessaire à l'établissement dans le canal de décharge 50 d'un courant de décharge critique Icd suffisant pour ioniser les atomes du gaz neutre dans le canal de décharge. L'établissement de ce courant de décharge Icd entraîne le démarrage du moteur. En général, l'atteinte de cette température seuil est suffisante pour l'établissement de ce courant de décharge Icd. Dans certaines conditions de fonctionnement défavorables, il faut, pour établir ce courant de décharge Icd, envoyer un ou plusieurs pulses de tension sur la cathode une fois la température seuil atteinte. En pratique, la température seuil dépend des conditions extérieures au moteur, notamment la température extérieure au moteur (qui peut par exemple varier entre -50°C et +70°C). Afin d'assurer un démarrage du moteur dans toutes les conditions, on choisit une durée de préchauffage fixe suffisamment longue pour que la température seuil la plus élevée, correspondant aux conditions extérieures les plus défavorables, soit atteinte. Ainsi, dans la majorité des cas, qui correspondent à des conditions favorables ou peu défavorables, la durée de préchauffage est trop longue. Il en résulte une surchauffe inutile de la cathode jusqu'à des températures trop élevées, et donc un endommagement de celle-ci, et une réduction de la durée de vie du moteur. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer un moteur à effet Hall dans lequel la durée de préchauffage est optimisée de telle sorte qu'il ne se produise pas de surchauffe inutile de la cathode lors du démarrage du moteur, et ce dans n'importe quelle condition de fonctionnement de ce moteur. Ce but est atteint grâce au fait que le moteur à effet Hall comprend en outre un moyen de mesure de la température Td du dispositif de chauffage, et un circuit de régulation de cette température Td de telle sorte que le dispositif de chauffage chauffe tant que sa température Td est inférieure à une température seuil TS à partir de laquelle le démarrage du moteur est susceptible de se produire, et cesse de chauffer peu après que la température seuil TS est atteinte. Grâce à ces dispositions, la cathode n'est pas chauffée longtemps au-delà d'une température seuil T5, qui correspond à une température à laquelle le moteur est apte à démarrer. Dans chaque situation de fonctionnement du moteur, la cathode n'est donc chauffée que le temps nécessaire au démarrage du moteur. Il en résulte une minimisation de l'endommagement de la cathode, et une prolongation de la durée de vie du moteur à effet Hall. L'invention concerne également un procédé de régulation d'un moteur à effet Hall comportant un canal de décharge dont l'extrémité aval est ouverte, une cathode située à l'extérieur du canal de décharge, un système d'injection apte à injecter des atomes de gaz dans le canal de décharge, ce système d'injection étant situé à l'extrémité amont du canal de décharge et formant également anode, et un dispositif de chauffage apte à chauffer la cathode. Selon l'invention, ce procédé comprend les étapes suivantes : (a) On chauffe la cathode à l'aide du dispositif de chauffage et on mesure simultanément la température Td du dispositif de chauffage, (b) On continue ce chauffage de la cathode tant que température Td est inférieure à une température seuil TS à partir de laquelle le démarrage du moteur est susceptible de se produire, (c) On cesse ce chauffage peu après que la température seuil TS est atteinte. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un diagramme illustrant la séquence des étapes du procédé selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe en en perspective d'un moteur à effet Hall selon l'invention, illustrant sa structure générale. Le fonctionnement général d'un moteur à effet Hall a été décrit ci- dessus, en référence à la figure 2. De plus, dans le moteur à effet Hall selon l'invention, le fonctionnement du moteur est optimisé de façon à ne chauffer la cathode 100 que le temps nécessaire au démarrage du moteur, comme expliqué ci-dessous. Ainsi, le moteur à effet Hall comprend un moyen de mesure 70 de la température Td du dispositif de chauffage 60, et un circuit de régulation 80 de la température Td du dispositif de chauffage 60. On explique ci-dessous comment fonctionne ce circuit de régulation 80. La figure 1 montre un diagramme qui illustre un exemple d'une séquence des étapes du démarrage du moteur à effet Hall, ces étapes comprenant les étapes du démarrage d'un moteur à effet Hall selon l'invention. La séquence des étapes est simplifiée et ne n'illustre pas les possibles mécanismes de sécurité destinés par exemple à identifier les modes fonctionnement erronés lors de démarrage du moteur, et à le stopper si nécessaire. Un rectangle I I indique une action, un losange O indique un test, un ovale n indique un état. En sortie d'un test, une flèche dirigée vers le bas indique que le test a été satisfait, une flèche dirigée vers la gauche indique que le test n'a pas été satisfait. Les étapes du démarrage sont référencées comme suit : 10 ù Etape S1 ù Etape S2 ù Etape S3 ù Etape S4 Etape S5 Etape S6-1 Etape S7 Etape S6-2 Etape S6-3 Etape S6-4 Etape S7 ^ Allumage du chauffage de la cathode. Ouverture de la vanne d'injection amont du gaz. ^ La température seuil TS est-elle atteinte ? ^ Ouverture de la vanne d'injection aval du gaz dans le canal de décharge. Le courant critique de décharge Icd est-il atteint ? Auto-allumage du moteur. Arrêt du chauffage de la cathode. La pression du gaz dans le canal de décharge est-elle supérieure à la pression critique Pc ? Envoi d'un pulse de tension sur la cathode. Le courant critique de décharge Icd est-il atteint ? Arrêt ou réduction du chauffage de la cathode. 15 Initialement, on allume le dispositif de chauffage 60 de façon à commencer le chauffage de la cathode 100 (étape S1 = étape (a)). On ouvre alors une vanne d'injection amont du gaz (étape S2) de façon à amener le gaz dans une enceinte (non-représentée), prêt à être injecté dans le canal de décharge 50. 20 Durant la phase de chauffage du dispositif de chauffage 60, la température de la cathode 100 est mesurée en continu ou à intervalles réguliers de façon à détecter le moment où cette température atteint la température seuil TS (étape S3). En pratique, on ne mesure pas directement la température de la 25 cathode. On mesure la température Td du dispositif de chauffage 60 qui chauffe la cathode, et on compare cette température avec la température seuil T5, sachant que les températures du dispositif de chauffage 60 et de la cathode 100 sont sensiblement égales. Par exemple, le dispositif de chauffage 60 est intégré à l'intérieur de la cathode 100, comme 30 représenté sur la figure 2. Ce dispositif de chauffage peut également entourer la cathode 100. La température Td du dispositif de chauffage 60 est déterminée grâce à un moyen de mesure 70. Par exemple, on mesure la résistivité électrique du dispositif de 35 chauffage 60. Le moyen de mesure 70 est alors un moyen de mesure de la résistivité électrique. Dans le cas où le dispositif de chauffage 60 comprend un élément chauffant qui chauffe la cathode 100, on mesure la résistivité électrique de cet élément chauffant. D'autres moyens de mesure sont possibles, par exemple un thermocouple, qui mesure la température du dispositif de chauffage. Lorsque la température seuil TS est atteinte (étape (b)), une vanne d'injection aval située entre l'enceinte contenant le gaz et le canal de décharge 50 est ouverte de façon à injecter le gaz dans le canal de décharge 50 (étape S4). Dans certains cas, cette vanne d'injection aval est remplacée par un restricteur qui permet un passage automatique du gaz depuis cette enceinte dans le canal de décharge avec un débit restreint, ce débit étant fonction de la pression dans l'enceinte. Dans ce cas, étant donné que la gamme de montée en température Td du dispositif de chauffage 60 est connue, on ouvre la vanne d'injection amont à un temps calculé de telle sorte que lorsque la température du dispositif de chauffage 60 atteint la température seuil T5, le débit de gaz au travers du restricteur soit suffisant pour que le moteur soit susceptible de démarrer. La température seuil TS est la température que doit normalement atteindre la cathode 100 pour que le moteur à effet Hall soit susceptible de démarrer. En effet, dans des conditions favorables de fonctionnement du moteur, lorsque cette température seuil TS est atteinte, l'intensité du courant de décharge (flux d'électrons) émis par ladite cathode 100 est alors égale ou supérieure à l'intensité critique de courant de décharge Icd à laquelle les atomes du gaz neutre injectés dans le canal de décharge 50 sont ionisés (étape S5), ce qui entraine le démarrage automatique du moteur (auto allumage du moteur û Étape S6-1). Ce premier mode de démarrage est illustré sur la figure 1. La température seuil TS est donc une fonction de cette intensité critique de courant de décharge Icd. La température seuil TS dépend du matériau constituant la cathode. En effet, le démarrage du moteur se produit lorsqu'une intensité critique de courant de décharge Idd, c'est-à-dire un flux d'électrons, est émise par la cathode. Or la densité d'électrons émise par unité de surface de la cathode sous une tension électrique donnée est fonction du matériau constituant la cathode, et de la géométrie de cette cathode. Dans des conditions favorables de fonctionnement, et pour une cathode en héxaborure de lanthane (LaB6) la température seuil TS est, pour certaines géométries, environ de 1700 °C. Dans le cas d'une cathode constituée d'oxydes de baryum imprégnant une matrice en tungstène, la température seuil TS est de l'ordre de 1300°C. Dans certaines conditions défavorables, l'intensité du courant de décharge émis par la cathode 100 n'atteint pas l'intensité critique de courant de décharge Icd lorsque la température de la cathode 100 passe au dessus de la température seuil T. Afin d'amorcer le démarrage du moteur, il est alors nécessaire d'envoyer sur la cathode 100 un pulse de tension (étape S6-3) afin d'extraire plus d'électrons de la cathode 100, et d'atteindre une intensité de courant de décharge au moins égale à l'intensité critique de courant de décharge Icd (étape S6-4), auquel cas le moteur démarre automatiquement (étape S6-1). Si cette intensité n'est pas atteinte après un premier pulse de tension, un deuxième, et si nécessaire davantage de pulses de tension sont envoyés jusqu'à ce que cette intensité soit atteinte. Cependant, un tel envoi de pulses n'est efficace que si la pression Pg du gaz dans le canal de décharge 50 est supérieure à une pression critique Pc (étape S6-2). Dans le cadre du moteur à effet Hall, la pression Pg de gaz dans le canal de décharge est liée, de façon connue, à la pression de gaz dans l'enceinte qui est située immédiatement en amont et qui débouche dans le canal de décharge 50 (voir ci-dessus). C'est cette pression de gaz dans l'enceinte qui est directement mesurée. Les pulses de tension ne sont donc envoyés sur la cathode 100 (étape S6-3) que lorsque cette condition supplémentaire portant sur la pression du gaz dans le canal de décharge 50 est satisfaite. Tant que la pression Pg du gaz dans le canal de décharge 50 reste inférieure à la pression critique Pc, on continue à chauffer la cathode 100 et à injecter du gaz dans le canal de décharge 50. On sort de cet état soit parce que le courant critique de décharge Icd est finalement atteint auquel cas il se produit un autoallumage du moteur (étape S6-1), soit parce que la pression Pg du gaz dans le canal de décharge 50 devient supérieure à la pression critique Pc auquel cas on commence à envoyer un pulse de tension sur la cathode (étape S6-2). Ce second mode de démarrage est illustré en figure 1. Dans tous les cas (premier mode et second mode), dès que le moteur a démarré, ce qui se produit peu de temps après la température seuil TS atteinte par la cathode 100, le chauffage de la cathode 100 est interrompu ou réduite (étape S7 = étape (c)). Ainsi, on ne chauffe pas inutilement la cathode 100, et on prolonge donc sa durée de vie. Par exemple, le moteur démarre quelques dizaines de secondes après la température seuil TS atteinte. Le diagramme de la figure 1 n'est qu'un exemple du fonctionnement d'un moteur à effet Hall selon l'invention. Des variations de la séquence de démarrage sont possibles en fonction du type de moteur, sans sortir du cadre et de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS1. Moteur à effet Hall (1) comportant un canal de décharge (50) dont l'extrémité aval (52) est ouverte, une cathode (100) située à l'extérieur dudit canal de décharge (50), un système d'injection (30) apte à injecter des atomes de gaz dans ledit canal de décharge (50), ce système d'injection (30) étant situé à l'extrémité amont dudit canal de décharge (50) et formant également anode, et un dispositif de chauffage (60) apte à chauffer ladite cathode (100), ledit moteur (1) étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de mesure (70) de la température Td dudit dispositif de chauffage (60), et un circuit de régulation (80) de ladite température Td de telle sorte que ledit dispositif de chauffage (60) chauffe tant que sa température Td est inférieure à une température seuil TS à partir de laquelle le démarrage dudit moteur est susceptible de se produire, et cesse de chauffer peu après que ladite température seuil TS est atteinte. 2. Moteur à effet Hall (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite température seuil TS est fonction d'une intensité critique de courant de décharge Icd émis par ladite cathode (100) qui correspond au démarrage dudit moteur. 3. Moteur à effet Hall (1) selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la température Td dudit dispositif de chauffage (60) est déterminée grâce à la mesure de la résistivité électrique de ce dispositif de chauffage (60). 4. Procédé de régulation d'un moteur à effet Hall (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : (a) On chauffe ladite cathode (100) à l'aide du dispositif de chauffage (60) et on mesure simultanément la température Td dudit dispositif de chauffage (60), (b) On continue ce chauffage de ladite cathode (100) tant que température Td est inférieure à une température seuil TS à partir de laquelle le démarrage dudit moteur est susceptible de se produire, (c) On cesse ce chauffage peu après que ladite température seuil T5 est atteinte. 5. Procédé de régulation d'un moteur à effet Hall (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite température seuil TS est fonction d'une intensité critique de courant de décharge Icd émis par ladite cathode (100) qui correspond au démarrage dudit moteur. 6. Procédé de régulation d'un moteur à effet Hall (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que, après que ladite température de seuil TS est atteinte par ledit dispositif de chauffage (60), lorsque l'intensité du courant de décharge émis par ladite cathode (100) est inférieure à ladite intensité critique de courant de décharge Icd et la pression Pg dudit gaz dans ledit canal de décharge (50) est inférieure à une pression critique Pc, on continue à chauffer ladite cathode (100) et à injecter du gaz dans ledit canal de décharge (50). 7. Procédé de régulation d'un moteur à effet Hall (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que, après que ladite température de seuil TS est atteinte par ledit dispositif de chauffage (60), lorsque l'intensité du courant de décharge émis par ladite cathode (100) est inférieure à ladite intensité critique de courant de décharge Icd et la pression Pg dudit gaz dans ledit canal de décharge (50) est supérieure à une pression critique Pc, au moins un pulse de tension est envoyé sur ladite cathode (100) jusqu'à ce que l'intensité du courant de décharge devienne égale à ladite intensité critique de courant de décharge Icd de façon à permettre le démarrage dudit moteur.