Brevet FR2976029A1 — publié le 20121207

Domaine de l'invention La présente invention concerne un propulseur à effet Ha encore appelé propulseur à plasma stationnaire. Art antérieur Un propulseur à effet Hall comprend essentiellement un canal d'ionisation et de décharge auquel est associée une anode, et une cathode 10 disposée au voisinage de la sortie du canal d'ionisation et de décharge. Le canal d'ionisation et de décharge est réalisé en matériau isolant tel que de la céramique. Un circuit magnétique et des bobines d'électro-aimant entourent le canal d'ionisation et de décharge. Un gaz neutre tel que du xénon est injecté à l'arrière du canal de décharge et dans la cathode. Le 15 gaz neutre est ionisé dans le canal d'ionisation et de décharge par collision avec les électrons émis par la cathode. Les ions produits sont accélérés et éjectés par le champ électrique axial créé entre l'anode et la cathode. Le circuit magnétique et les bobines d'électro-aimant créent au sein du canal un champ magnétique qui est essentiellement radial. 20 La figure 2 représente une vue schématique en coupe axiale d'un exemple de propulseur à effet Hall du type à dérive fermée d'électrons. Sur la figure 2, on voit un canal annulaire 21 défini par une pièce 22 en matériau isolant, telle qu'une céramique diélectrique, un 25 circuit magnétique 24 comprenant des pièces annulaires externe 24a et interne 24b, une culasse magnétique 24d disposée à l'amont du propulseur et un noyau central 24c reliant les pièces annulaires 24a, 24b et la culasse magnétique 24d. Des bobines 31, 32 permettent de créer un champ magnétique dans le canal annulaire 21. Une cathode creuse 40 est 30 couplée à un dispositif d'alimentation en xénon pour former un nua plasma devant la sortie aval du canal 21. Une anode 25 est disposée dans le canal anniiiaire 21 et est associée à un distributeur annulaire 27 de gaz ionis,ihle "n non') t n potier 20 protégé ensemhlii du propulseur. rir Dans un propulseur à effet Hall tel que celui de la figure 2, les atomes d'ergol tel que le xénon sont ionisés au sein d'une décharge confinée dans le canal 21. Les ions créés i sont accélérés dans un champ électrique E créé par l'anode 25 et éjectés à la sortie aval ouverte 26 du canal annulaire 21 afin de générer l'effet propulsif. Un courant électronique azimutal de quelques dizaines d'ampères est créé à l'intérieur du canal 21 du fait de la combinaison du champ électrique E principalement axial et du champ magnétique B majoritairement radial. Des exemples de propulseur à effet Hall sont décrits notamment dans les documents FR 2 693 770 Ai, FR 2 743 191 Al, FR 2 782 884 Al et FR 2 788 084 Al. Les propulseurs à effet Hall présentent deux limitations importantes en termes de fonctionnement. Une première limitation consiste en la durée de vie limitée imposée par l'érosion de la céramique du canal de décharge. En effet, une partie des ions créés par le moteur est accélérée dans le canal de décharge vers les parois du moteur. Compte tenu de leur énergie, ces ions érodent la céramique du canal de décharge et limitent ainsi la durée de vie du propulseur. Une deuxième limitation réside dans la baisse du rendement du moteur et l'accélération du vieillissement du moteur pour les fortes impulsions spécifiques (Isp). L'accroissement de l'impulsion spécifique d'un propulseur à plasma stationnaire est réalisé essentiellement par l'augmentation de la tension de décharge Ud. Ceci conduit à générer un plasma plus chaud, interagissant fortement avec les parois du canal de décharge. Dans ce cas, l'énergie des électrons augmente de façon significative jusqu'à atteindre des niveaux incompatibles avec la céramique du canal du moteur. La vitesse plus élevée des ions contribue également à l'accroissement de la vitesse d'érosion de la céramique du moteur. Pour ces raisons, on d été conduit jusqu'à présent à utiliser des propulseurs à effet Hall présentant une impulsion spécifique limitée, celle-H pouvant r tris typiquement de tordr ono d 2 500 secondes. t°n aucin h irHil35 décharge suivant l'axe du moteur. Ceci ne permet toutefois pas de résoudre le problème de la limitation du fonctionnement à haute tension. On connaît par ailleurs des propulseurs ioniques à bombardement qui comportent des grilles pour accélérer les ions et peuvent fonctionner avec des impulsions spécifiques supérieures à 4 000 secondes. La mise en oeuvre de grilles présente cependant un certain nombre d'inconvénients. Objet et description succincte de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des propulseurs à plasma connus et plus particulièrement de modifier les propulseurs à effet Hall, ou propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons, afin d'améliorer leurs caractéristiques techniques, et notamment améliorer l'impulsion spécifique et accroître la durée de vie avec une réduction significative de l'érosion du canal de décharge. Ces buts sont atteints grâce à un propulseur à effet Hall comprenant au moins un réservoir de gaz sous haute pression, un module de régulation de pression, un dispositif de commande de débit de gaz, un canal d'ionisation, au moins une cathode disposée au voisinage de la sortie du canal d'ionisation, une anode associée au canal d'ionisation, une unité d'alimentation électrique, un filtre électrique et des bobines de création d'un champ magnétique autour du canal d'ionisation, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité d'alimentation électrique supplémentaire pour appliquer une tension pulsée entre ladite anode et ladite au moins une cathode. Avantageusement, l'unité d'alimentation électrique supplémentaire produit alternativement une première tension de décharge (Udmin) comprise entre 150 et 250 V et une deuxième tension de décharge (Udmax) comprise entre 300 V et 1 200 V. Selon un mode de réalisation particulier, l'unité d'alimentation cc-trique supplémentaire produit alternativement une première tension de décharge (Udmin) pendant une première durée (trot tj,:) comprise entre r I S et .i ne dLU ggf-rlg tenson de d~ hdHt (Ut! Mig (_?endant une 11 LiLlfg' (t i;11); ' t-flJi(- De préférence, ladite première durée (trot - tj/A) est comprise entre 5 et 10 ps et ladite deuxième durée (tyA) est comprise entre 5 et 10 ps. Selon une caractéristique préférentielle, la première tension de 5 décharge (Udmin) est comprise entre 180 et 220 V et la deuxième tension de décharge (Udmax) est comprise entre 400 et 1 000 V. L'unité d'alimentation électrique supplémentaire comprend au moins un condensateur. Selon un mode de réalisation particulier, l'unité d'alimentation 10 électrique supplémentaire produit alternativement une première tension de décharge (Udmin) et une deuxième tension de décharge (Udmax) respectivement pendant une première durée (trot - t;/A) et une deuxième durée (tj/A) qui sont sensiblement égales. Selon un aspect particulier de l'invention, les bobines de 15 création d'un champ magnétique sont alimentées par ladite unité d'alimentation électrique et ledit filtre électrique indépendamment de l'alimentation de l'anode par l'unité d'alimentation électrique supplémentaire et ledit filtre électrique. 20 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés, sur lesquels 25 - la figure 1 est un schéma-bloc de l'ensemble d'un propulseur à effet Hall selon l'invention, avec son alimentation électrique, - la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale montrant un exemple de propulseur à effet Hall auquel est applicable l'invention, - la figure 3 montre des courbes représentant en fonction du 30 temps l'évolution du courant de décharge I et de la densité moyenne du gal N sous la forme d'oscillations basse fréquence pour un propulseur à effet Hall auquel l'invention peut être appliquée, et - là heure `i est une tourne montrant un temp en r i l r , l ' i i t i t r [ L i t fJç (;l] 11r,ic rlll()Il 35 Description détaillée de modes particuliers de réalisation L'invention s'applique à un propulseur à effet Hall dont la structure de principe a été décrite plus haut en référence à la figure 2. Bien que souvent appelé "propulseur à plasma stationnaire", le fonctionnement d'un propulseur à effet Hall classique est tout sauf stationnaire. Plusieurs gammes de fréquence peuvent être considérées, allant de 20 kHz à plusieurs gigahertz. A basse fréquence, un propulseur à effet Hall classique est essentiellement caractérisé par les phases suivantes : a) remplissage du canal de décharge par des atomes neutres d'un ergol tel que du xénon, b) ionisation des atomes neutres par des électrons énergétiques dans la moitié aval du propulseur, c) accélération et éjection des ions créés par le champ électrique E, qui est proportionnel à la tension de décharge Ud du propulseur. Le même cycle de trois phases redémarre de façon périodique. La figure 3 présente une modélisation simplifiée des oscillations dans un propulseur à effet Hall. On a représenté sur la figure 3 le courant de décharge I en fonction du temps (courbe 1) et la densité moyenne de gaz N en fonction du temps (courbe 2). On distingue clairement les oscillations du front d'ionisation/ accélération par l'oscillation spatiale de la densité des neutres. Un propulseur à effet Hall est ainsi caractérisé par l'alternance d'un front d'ionisation/accélération éjectant les neutres ionisés et d'un front de neutres non ionisés remplissant la chambre de décharge du propulseur. Dans un propulseur à effet Hall classique, la tension de décharge Ud du propulseur est fixée à un niveau prédéterminé suffisamment élevé pour permettre la production d'électrons chauds aptes à une bonne ionisation et l'accélé: ation des ions sous un champ électrique I loi ci - i ~ c lié 'l" o~,'~,1I` i~u s à fol FIc-111 ni n~~cInn 1r--35 cette tension de décharge Ud est choisie à un niveau permettant de limiter la vitesse d'érosion de la céramique du canal de décharge, typiquement de l'ordre de 300 à 350 volts, mais ceci conduit également à limiter l'impulsion spécifique obtenue. Le propulseur à effet Hall selon l'invention permet d'obtenir une impulsion spécifique élevée sans pour autant accroître la vitesse d'érosion de la céramique du canal de décharge, ni nécessiter une modification de la structure mécanique du propulseur. Pour ce faire, au cours du fonctionnement du propulseur à effet Hall selon l'invention, on fait pulser la tension de décharge Ud du propulseur afin de contrôler la propagation du front d'ionisation/ accélération du propulseur en réduisant l'amplitude des oscillations spatiales de la consommation des atomes neutres dans le propulseur. On empêche ainsi la formation puis l'accélération d'ions trop en amont dans le canal du propulseur afin de limiter de façon significative l'érosion du canal, grâce à l'abaissement périodique de la tension de décharge. La figure 4 illustre le fonctionnement du propulseur avec une tension de décharge Ud oscillant avec le temps entre une tension de décharge faible égale à Udmin et une tension de charge élevée égale à Udmax (courbe 3). Au départ, la tension de décharge Ud est fixée à la valeur faible égale à Udmin. Lorsque le canal du propulseur est rempli par les atomes neutres, la tension de décharge Ud est fixée à la valeur élevée égale à Udmax pendant un temps tj/A qui peut par exemple être compris entre 5 et 15 ps et plus préférentiellement entre 5 et 10 ps, une valeur voisine de 10 ps donnant de bons résultats. Le temps total ttat d'un cycle avec valeur élevée de tension Udmax et valeur faible de tension Udmin est imposé par le vitesse de remplissage du canal du propulseur par les atomes neutres et peut par exempte être compris entre 10 et 30 ps et pus préférentiellement entre 10 et 20 ps, une valeur voisine de 20 pis donnant de bons résultats. Le tension Uu petit e,trr sorti vise per e erili)1i2 entre 150 V et ~~ glu r efcii enti( il nr I PO V 2)0 V35 7 Sur la figure 4, on a représenté un exemple de fonctionnement pulsé où les durées tj/A et trot - tj/A pour lesquelles la tension de décharge est égale respectivement à Udmax et Udm,n, sont sensiblement égales, mais ceci n'est pas obligatoire. La fréquence d'oscillation de la valeur Ud entre la valeur minimale Udm;n et la valeur maximale Udmax dépend de la tension Udmax fixée puis détermine elle-même la valeur de l'impulsion spécifique du propulseur. La figure 1 montre sous forme d'un schéma-bloc l'architecture 10 générale d'un propulseur à effet Hall selon l'invention équipé de ses alimentations en gaz et en électricité. Un réservoir 101 de gaz ionisable tel que du xénon est relié par une conduite 102 à un module 103 de régulation de pression, lui-même relié par une conduite 104 à un dispositif 105 de commande de débit de 15 gaz servant à alimenter, par des conduites flexibles 106, 107, 108, respectivement un distributeur de gaz au sein du boîtier 20 contenant le canal de décharge, et des cathodes 40A et 40B. L'utilisation de deux cathodes 40A et 40B au lieu d'une seule cathode n'est pas obligatoire et constitue une simple redondance pour des questions de 20 sécurité. Une unité principale d'alimentation électrique 110 est reliée par des liaisons 121 à un filtre électrique 120 qui sert lui-même à alimenter par des liaisons 123 les bobines de création d'un champ magnétique autour du canal d'ionisation et de décharge, qui sont disposées dans le 25 boîtier 20. Une liaison directe 122 entre l'unité principale 110 et le dispositif 105 de commande de débit de gaz permet de commander ce dernier. L'unité principale d'alimentation électrique 110 reçoit par des lignes 111, 112, 113 l'énergie électrique produite par une source 30 extérieure, telle que des panneaux solaires, et convertit cette énergie électrique qui peut rare fournie par exemple typiquement sous une tension de 50 V, en une énergie électrique de tension plus elevvée, de l'ordre de nlus,euI n centaines de volts. lq. GD0nc 35 ~l analogique qui est appliqué par une ligne 122 au dispositif 105 de commande de débit de gaz. L'unité principale d'alimentation électrique 110 reçoit par une ligne 114 des données fournies par un circuit 115 de commande associé au module 103 de régulation de pression du gaz fourni au dispositif 105 de commande de débit de gaz à partir du réservoir de gaz 101. Le circuit de commande 115 reçoit des informations de capteurs et de l'état de vannes du module 103 de régulation de pression de gaz, par des lignes 118, 119, et reçoit par des lignes 116, 117 des données externes. Les données transmises par le circuit de commande 115, par la ligne 114, à l'unité principale d'alimentation électrique 110, permettent l'élaboration du signal de commande analogique appliqué par la ligne 122 au dispositif 105 de commande de débit de gaz. L'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 qui est 15 connectée à l'unité d'alimentation électrique 110, assure, par des lignes 126, 126A et le filtre 120, l'alimentation électrique de l'anode incorporée dans le boîtier 20. L'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 qui coopère avec les cathodes 40A, 40B et l'anode 25 pour créer un champ électrique 20 et le filtre 120 assurent une alimentation en tension pulsée entre l'anode 25 et chaque cathode 40A, 40B tandis qu'en parallèle les bobines d'électro-aimant incluses dans le boîtier 20 sont alimentées à partir de l'unité d'alimentation électrique 110 et du filtre 120. L'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 permet de 25 produire deux niveaux de tension distincts, à savoir d'une part une tension de niveau bas, par exemple de l'ordre de 200 V et d'autre part une tension de niveau haut, de l'ordre de quelques centaines de volts, pouvant aller jusqu'à environ 1 200 volts. A titre indicatif, on peut considérer un courant de 2A pour une 30 tension basse de 200 V et un courant de 7A pour une tension haute de 400 V. L'énergie ockée dans l'unité d'alimentation supplé- mentaire 125 doit titre nér des noments bien Drecis. titre ci il d 3L5:1135 11315_3 3:33315 35 1110 1- L'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 peut comprendre des condensateurs de quelques microfarads ou quelques dizaines de microfarads pour pouvoir charger et décharger par exemple sur un cycle de 20 ps (50 kHz) une charge électrique correspondant à 7A pendant 10 ps, soit une charge électrique de 70 pAs. Le pilotage et la gestion de la charge et de la décharge des condensateurs de l'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 peuvent être assurés par des circuits de commande associés à l'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 ou intégrés dans l'unité d'alimentation électrique 110, de manière à permettre à cette unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 de fournir en sortie alternativement deux niveaux de puissance. Le premier niveau de puissance correspond à une basse puissance, qui permet le remplissage du canal de décharge par des atomes neutres, tandis que le deuxième niveau de puissance correspond à une puissance élevée, par exemple la fourniture d'un courant de 7 à 10 A sous 400 V à 1 kV pendant 5 à 10 ps, ce qui correspond pour chaque impulsion à puissance élevée, à une énergie pouvant être typiquement comprise entre 14 mJ (7A, 400 V et 5 ps) et 100 mJ (10 A, 1 kV et 10 ps) pour la plage de valeurs considérée comme préférentielle, bien que n'étant pas limitative. Le niveau de puissance élevée correspond au processus d'ionisation/accélération dans le canal de décharge du moteur. Le fait que ce niveau de puissance élevée soit pulsé permet de choisir des valeurs relativement élevées conduisant à de fortes impulsions spécifiques sans réduire la durée de vie du moteur. D'une manière générale, l'unité principale d'alimentation électrique 110 et l'unité d'alimentation électrique supplémentaire 125 sont constituées de circuits électriques permettant d'une part l'alimentation en basse puissance du dispositif 105 de commande de débit de gaz et d'autre part l'alimentation en toile puissance des bobines d'électro-aimant incluses dans le boîtier 20 et des cathodes 40A et -1 B coopérant avec l'anode 25 L'unite principale dalimeTnation i etiiciLe 1.10 et l'ente fol ntotien gel i Pieu, ,Lippli 1 iiii35 façon à permettre le passage entre les deux niveaux de puissance requis par le fonctionnement recherché du propulseur. Le filtre 120 peut être constitué par des éléments de filtrage inclus dans les modules d'alimentation constituant des unités 110 et 125 pour protéger ceux-ci des effets de compatibilité électromagnétique (EMC) émanant du propulseur. REVENDICATIONS1. Propulseur à effet Hall comprenant au moins un réservoir de gaz sous haute pression (101), un module de régulation de pression (103), un dispositif de commande de débit de gaz (105), un canal d'ionisation (21), au moins une cathode (40A, 40B) disposée au voisinage de la sortie du canal d'ionisation (21), une anode (25) associée au canal d'ionisation (21), une unité d'alimentation électrique (110), un filtre électrique (120) et des bobines (31, 32) de création d'un champ magnétique autour du canal d'ionisation (21), caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité d'alimentation électrique supplémentaire (125) pour appliquer une tension pulsée entre ladite anode (25) et ladite au moins une cathode (40A, 40E). 2. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité d'alimentation électrique supplémentaire (125) produit alternativement une première tension de décharge (Udmin) comprise entre 150 et 250 V et une deuxième tension de décharge (Udmax) comprise entre 300 V et 1 200 V. 3. Propulseur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'unité d'alimentation électrique supplémentaire (125) produit alternativement une première tension de décharge (Udmm) pendant une première durée (ttot - tj/A) comprise entre 5 et 15 ps et une deuxième tension de décharge (Ud max) pendant une deuxième durée (tj/A) comprise entre 5 et 15 ps. 4. Propulseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite première durée (ttot - tj/A) est comprise entre 5 et 10 ps et ladite deuxième durée (tj/A) est comprise entre 5 et 10 ps. 5. Propulseur selon la revendication 3 ou a revendication 4, caractérisé en ce que la première tension de décharge (Udmfn) est comprise entre 180 et 220 V et la deuxième tension de décharge (Udmax) est comprise entre 400 et 1 000 V. 6. Propulseur selon l'une quelconque des revendications à 5, caracte t' 1 ce et ce l'unIté Ci'dliMoi"itnON électricice '-UprIuMentalfU nci: un h h, ,11d,21, ib35(125) produit alternativement une première tension de décharge (Udmin) et une deuxième tension de décharge (Udmax) respectivement pendant une première durée (ttat - tj/A) et une deuxième durée (tj/A) qui sont sensiblement égales 8. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les bobines (31, 32) de création d'un champ magnétique sont alimentées par ladite unité d'alimentation électrique (110) et ledit filtre électrique (120) indépendamment de l'alimentation de l'anode (25) par l'unité d'alimentation électrique supplémentaire (125) et 0 le filtre électrique (120). 9. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le canal d'ionisation (21) est délimité par une paroi (22) en matériau céramique.