Brevet FR3018316A1 — publié le 20150911

L'invention concerne un moteur du type propulseur plasmique à effet Hall comprenant un canal de décharge annulaire (formant un canal principal d'ionisation et d'accélération) autour d'un axe principal avec une extrémité aval ouverte, présentant une zone d'ionisation entre une paroi interne et une paroi externe, et comportant en outre une anode et un distributeur placés en amont de la zone d'ionisation, au moins une cathode, un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal, et une canalisation pour alimenter en gaz ionisable le canal, ledit distributeur étant relié à la canalisation et permettant au gaz ionisable de s'écouler dans la zone d'ionisation du canal de façon concentrique autour de l'axe principal. Ce type de moteur est encore appelé moteur à plasma à dérive fermée d'électrons ou moteurs à plasma stationnaire. L'invention concerne en particulier les propulseurs à plasma à effet Hall utilisés pour la propulsion électrique spatiale, en particulier pour la propulsion de satellites, tels que des satellites géostationnaires de télécommunication. Grâce à leur haute impulsion spécifique (de 1500 à 3000s), ils permettent des gains de masse considérables sur les satellites par rapport à des moteurs utilisant la propulsion chimique. L'une des applications typique de ce type de moteur correspond au contrôle nord/sud des satellites géostationnaires, pour lesquels on obtient des gains de masse de 10 à 15%. Ce type de moteur est également utilisé en propulsion primaire interplanétaire, en compensation de traînée d'orbite basse, en maintien d'orbite héliosynchrone, en transfert d'orbites et en désorbitation de fin de vie. Il peut être utilisé occasionnellement, éventuellement en combinant propulsion électrique et chimique, pour éviter une collision avec un débris ou pour compenser une défaillance lors de la mise sur une orbite de transfert. Les figures 1 et 2 se rapportent à un propulseur à effet Hall 10 de l'art antérieur. Sur la figure 1, le propulseur à effet hall 10 est représenté de façon schématique. Un bobinage magnétique central 12 entoure un noyau central 14 s'étendant selon l'axe principal longitudinal A. Une paroi interne 16 annulaire encercle le bobinage central 12. Cette paroi interne 16 est entourée par une paroi externe annulaire 18, la paroi interne 16 et la paroi externe 18 délimitant entre elles un espace annulaire s'étendant autour de l'axe principal A. Dans la suite de la description, le terme « interne » désigne une partie proche de l'axe principal A tandis que le terme « externe » désigne une partie éloignée de l'axe principal A. Egalement, l' « amont » et l' « aval » sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz (de l'amont vers l'aval) à travers l'espace annulaire délimité par les parois 16,18. Habituellement, la paroi interne 16 et la paroi externe 18 font partie d'une unique pièce en céramique ou canal de décharge 21, cette céramique étant isolante et homogène, notamment réalisée à base de nitrure de bore. Les céramiques à base de nitrure de bore permettent aux propulseurs à effet Hall d'atteindre des performances élevées en termes de rendement, mais présentent toutefois des taux d'érosion élevée sous bombardement ionique, ce qui limite la durée de vie des propulseurs. L'extrémité amont 21a de du canal de décharge 21 (à gauche sur la figure 1) est fermée par une paroi de fond 17 et comporte un système d'injection avec une canalisation 24 d'amenée du gaz ionisable (en général du xénon), la canalisation 24 étant reliée par un trou d'alimentation 25 à une anode 26 placée dans le tronçon amont de la zone de décharge et délimitant un distributeur 51 pour l'injection des molécules de gaz dans le canal de décharge 21. Dans le présent contexte, on entend par « distributeur » une cavité, ou série de cavités, destinée à distribuer le débit de gaz ionisable transversalement dans le canal de décharge afin d'obtenir un écoulement homogène dans ce canal de décharge. Afin de relier la canalisation 24 au distributeur 51, la paroi de 25 fond 17 du canal de décharge 21, annulaire et radiale, présente une ouverture pour le passage de la canalisation 24. Au niveau de l'anode 26, les molécules de gaz passe d'un parcours tubulaire en provenance de la canalisation 24 à une injection selon une section annulaire dans l'extrémité amont 21a du canal de 30 décharge 21. L'extrémité aval 21b de la zone de décharge 21 est ouverte (à droite sur la figure 1). La chambre de décharge 19, la canalisation 24, et l'anode 26 formant distributeur forment le canal de décharge 21. 35 Plusieurs bobinages magnétiques périphériques 30 présentant un axe parallèle à l'axe principal A sont disposés tout autour de la paroi externe 18. Le bobinage magnétique central 12 et les bobinages magnétiques périphériques 30 permettent de générer un champ magnétique radial B dont l'intensité est maximale au niveau de l'extrémité aval 21b du canal de décharge 21. Une cathode creuse 40 est disposée à l'extérieur des bobinages périphériques 30, sa sortie étant orientée afin d'éjecter des électrons en direction de l'axe principal A et de la zone située en aval de l'extrémité aval 20b de la zone de décharge 20. Il est établi une différence de potentiel entre la cathode 40 et l'anode 26. Les électrons ainsi éjectés sont en partie dirigés à l'intérieur du canal de décharge 21. Certains de ces électrons parviennent, sous l'influence du champ électrique généré entre la cathode 40 et l'anode 26, jusqu'à l'anode 26 tandis que la majorité d'entre eux se retrouve piégés par le champ magnétique B intense au voisinage de l'extrémité aval 21b du canal de décharge 21. Des électrons échappant vers l'anode 26 entrent en collision avec des molécules de gaz circulant de l'amont vers l'aval dans le canal de décharge 21, et réalisent ainsi une ionisation de ces molécules de gaz dans la zone d'ionisation 28. D'autre part, les électrons attrapés par le champ magnétique B au voisinage de l'extrémité aval 21b du canal de décharge 21 créent un champ électrique E axial, ce qui accélère les ions entre l'anode 26 et la sortie (l'extrémité aval 21b) du canal de décharge 201, de telle sorte que ces ions sont éjectés à grande vitesse du canal de décharge 21, ce qui engendre la propulsion du moteur. Cependant, notamment du fait de la présence du champ magnétique radial B (lignes de champ 42) la trajectoire des ions n'est pas parallèle à l'axe principal A du propulseur 10, correspondant à la direction de poussée, mais cette trajectoire subit une déflection angulaire. Cette situation soumet le tronçon de sortie du canal de décharge 21 à une importante contrainte due à l'érosion subie par les parois 16, 18, qui sont frappées à grande vitesse par une partie des ions. Par ailleurs, l'ensemble formant le canal de décharge 21 et comprenant l'anode 26 et la chambre de décharge 19, doit résister à des 35 contraintes thermomécaniques pendant toute la durée de vie du moteur (au moins 15 ans) tout en assurant les différentes fonctions qu'il remplit et notamment en restant étanche afin que la trajectoire des molécules de gaz puis des ions reste confinée au parcours délimité notamment par le distributeur 51 en amont de la zone d'ionisation 28. Grâce à ce parcours dirigé, on peut, en tenant compte du 5 champ magnétique radial à l'extrémité aval du canal de décharge, engendrer à la sortie du canal de décharge 21 le mouvement souhaité pour le gaz ionisé. Dans l'exemple de la figure 2, le distributeur 51 comprend plusieurs chambres 51a, 51b et 51c successives formées directement dans 10 l'anode 26. Classiquement, l'anode 26 est réalisée en matériau techniquement conducteur, tel que le carbone (graphite) ou un métal ou alliage métallique comme par exemple l'acier inoxydable. Par ailleurs, classiquement, le canal de décharge 21 (paroi de 15 fond 17, paroi interne 16 et paroi externe 18) est réalisé en céramique et est reliée de façon étanche avec l'anode 26. Ainsi, en utilisant pour l'anode 26 et pour la chambre de décharge 19 des matériaux présentant un coefficient de dilatation thermique proche, on assure le maintien d'une liaison étanche entre 20 l'anode 26 et les parois interne 16 et externe 18, et ce faisant au niveau des chambres 26a, 26b et 26c du distributeur formé par l'anode 26. Cette liaison est réalisée par exemple par brasage dans différentes zones de fixation 60 (voir figure 2) entre l'anode 26 et les parois 16, 17 et 18 de la chambre de décharge 19, ce qui assure 25 l'étanchéité des chambres 51a, 51b et 51c du distributeur 51. Alternativement, cette liaison est réalisée par un pion ou tout autre élément de fixation entre l'anode 26 et le canal de décharge 21. Dans ce cas, l'étanchéité des chambres 51a, 51b et 51c est assurée en fermant de façon étanche les parois latérales de l'anode (par brasage). 30 Compte tenu de la complexité géométrique requise de l'anode 26 pour former les chambres successives du distributeur 51, cette anode 26 est typiquement réalisée en plusieurs pièces, fabriquées par usinage de façon indépendante, et qui sont ensuite assemblées les unes aux autres, notamment par brasage, avant leur montage au fond du canal de 35 décharge 21. La fabrication de ces différentes pièces est rendue encore plus complexe par la présence des séries d'orifices 27a, 27b, 27c de petit diamètre (de l'ordre de 0.4 mm) assurant le parcours du flux gazeux depuis le trou d'alimentation 25, au travers des différentes chambres 51a, 51b et 51c formée dans l'anode qui remplit le rôle de distributeur, vers la sortie de l'anode 26. De plus, lorsqu'il s'agit de pièces annulaires de grand diamètre, il en résulte une certaine déformation de type gondolement qui empêche une bonne planéité de ces pièces. Egalement, les différentes pièces formant l'anode 26 devant être assemblées de façon étanche, on utilise la technique de brasure, qui est employée sur de nombreux emplacements compte tenu du nombre important de pièces composant l'anode, ce qui multiplie le temps nécessaire à leur réalisation ainsi que le risque de défaut d'étanchéité. La présente invention a pour objectif de fournir un propulseur plasmique permettant de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et en particulier offrant la possibilité de simplifier la fabrication du canal de décharge, pour diminuer les coûts sans perdre en qualité de tenue thermomécanique et en durée de vie. A cet effet, selon la présente invention, on propose un propulseur plasmique qui est caractérisé en ce qu'au moins une paroi transversale en matériau différent à celui de l'anode sépare partiellement le distributeur de la zone d'ionisation. De cette manière, il est possible de réduire le nombre de pièces 25 constitutives du canal de décharge. Afin de simplifier la structure du canal de décharge, ladite au moins une paroi transversale peut notamment être formée dans un ensemble monobloc délimitant ledit distributeur. Ladite canalisation peut alors être également formée dans ledit ensemble monobloc. 30 Alternativement, toutefois, ladite au moins une paroi transversale peut être située en aval de ladite anode, ce qui permet d'intégrer l'anode au fond du distributeur. En particulier, l'anode peut être en métal ou dans une céramique électriquement conductrice. 35 Comme métal on peut utiliser de l'acier inoxydable, et notamment de l'acier inoxydable de type « Kovar », et comme céramique 3 0 1 83 16 6 électriquement conductrice, on peut utiliser un matériau métallo-céramique. Par ailleurs, ladite paroi transversale peut être réalisée dans un matériau diélectrique tel que du nitrure de bore BN ou de l'alumine A1203. 5 Afin de faciliter leur intégration, les parois intérieure et extérieure de ladite chambre de décharge peuvent être réalisées dans le même matériau diélectrique que ladite paroi transversale. Par ailleurs, afin de prévenir l'érosion de la sortie du canal de décharge, on peut prévoir que le canal de décharge comporte en outre au 10 moins une bague d'usure placée à son extrémité aval, sur la face interne du tronçon de sortie de la chambre de décharge, ladite bague d'usure étant réalisée en céramique, dans une céramique choisie pour ces propriétés de résistance à l'érosion et notamment à base de nitrure de bore. 15 Afin de permettre aisément la fabrication d'un tel canal de décharge, l'invention porte également sur le procédé de fabrication d'un canal de décharge pour un propulseur plasmique tel que celui précédemment défini, et qui est caractérisé en ce que la paroi transversale au moins est réalisé par fabrication additive. 20 On entend par « fabrication additive » tout procédé de fabrication, comme par exemple la stéréolithographie, basé sur la construction de la pièce couche par couche par addition de matière. Avec une telle technique de fabrication on peut réaliser des formes complexes avec des tolérances dimensionnelles plus précises qu'avec les techniques de fabrication par ablation de matière ou usinage, et ceci notamment pour les matériaux céramiques. L'anode peut être fixée sur un substrat de matériau différent par brasage. L'invention permet ainsi de disposer d'un canal de décharge 30 qui est formé par un nombre réduit de pièces. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, est une vue schématique en coupe 35 d'un propulseur plasmique à effet Hall de l'art antérieur, - la figure 2, déjà décrite, est une vue agrandie en coupe de la section radiale de l'anode de la figure 1, - la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2 pour une première variante de réalisation du canal de décharge, et - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 2 pour une deuxième variante de réalisation du canal de décharge, et On décrit maintenant en relation avec les figures 3 et 4 différents modes de réalisation du canal de décharge du propulseur plasmique selon l'invention. Dans une première variante de réalisation, illustrée sur la figure 3, le canal de décharge 121, qui est de symétrie de révolution autour de l'axe principal A, comprend une portion amont 152, fermant l'extrémité amont du canal de décharge 121, délimitant le distributeur 151, et présentant au moins une canalisation 124 d'amenée de gaz au distributeur 151, une portion aval 156, délimitant la zone d'ionisation 128 au moyen d'une paroi interne 116 annulaire et d'une paroi externe 118 annulaire, et une anode 154 située entre la portion amont 152 et la portion aval 156 et jointe de manière étanche à celles-ci par brasage, notamment par brasage de type vitreux (au moyen d'un matériau d'apport par exemple siliceux placé sur les zones de liaison). Cette anode 154 est formée par deux bagues 154a,154b coaxiales et concentriques alignées respectivement avec les parois interne 116 et externe 118 de la portion aval 156. En outre, à l'extrémité aval, ouverte, de la portion aval 156, deux bagues d'usure 172 et 174 sont placées respectivement sur la face tournée vers la zone d'ionisation 128 de l'extrémité aval de la paroi interne 116 annulaire et de la paroi externe 118 annulaire. A cet effet, on prévoit lors de la fabrication des parois 116 et 118, un épaulement rentrant 116a et 118a placée l'extrémité aval de la paroi interne 116 annulaire et de la paroi externe 118 annulaire, afin de créer un logement annulaire permettant de recevoir les bagues d'usure 172 et 174 de façon affleurante avec le reste de la paroi interne 116 annulaire et de la paroi externe 118 annulaire. Les bagues d'usure 172 et 174 sont fabriquées séparément, par exemple par usinage, de préférence dans du BNSiO2, et montée au moyen d'une liaison par brasage ou par co-frittage avec les parois 116 et 118. Selon une alternative non représentée, une seule bague d'usure, soit la bague d'usure 172 soit la bague d'usure 174, est utilisée, sur la paroi parmi les deux parois 116 et 118, qui est davantage soumise au flux ionique. Dans cette première variante, la portion amont 152 ainsi que la portion aval 156 sont réalisés dans un premier matériau (matériau diélectrique, de préférence de l'alumine A1203, ou encore du nitrure de bore BN) tandis que l'anode 154 est réalisée dans un deuxième matériau conducteur (acier inoxydable ou « Kovar »). Au moins la portion amont 152 peut être réalisée par une technique de type fabrication additive. Par exemple, on peut utiliser la technique de projection laser (Direct Metal Deposition, DMD) ou de fusion sélective par laser (Selective Laser Melting, SLM) de lits de poudre. Dans ces deux cas, le faisceau laser balaye au moins une région d'une couche de poudre préalablement déposée, et suit un profil de pièce préétabli. Pour ce faire, la tête galvanométrique est commandée selon les informations contenues dans la base de données de l'outil informatique utilisé pour la conception et la fabrication assistées par ordinateur de la pièce à fabriquer. On peut encore utiliser la technique de photopolymérisation (ou polymérisation par UV ou stéréolithographie par UV sélectif). Dans ce cas, on construit la pièce couche par couche par stéréolithographie et un faisceau laser UV vient consolider sur chaque couche successive des surfaces programmées par CAO (conception assistée par ordinateur). On comprend donc que le procédé de fabrication permettant d'obtenir la portion amont 152 selon la première variante de la figure 3 met en oeuvre un ensemble monobloc, délimitant le distributeur 151, et réalisé d'une seule pièce par fabrication additive. De cette façon, le distributeur 151 est formé dans une pièce 30 unique de forme complexe, fermant l'extrémité amont du canal de décharge 121. Le distributeur 151 comprend des chambres annulaires 151a et 151b superposées en direction axiale, connectées à la canalisation 124 débouchant dans la première chambre annulaire 151a, suivant la flèche 35 160. A la sortie de la première chambre annulaire 151a une série d'orifices d'écoulement 151c dirigés axialement conduisent, suivant la flèche 162, le gaz dans la deuxième chambre annulaire 151b, séparée partiellement de la zone d'ionisation 128 par des parois transversales 151d, 151e. Un orifice annulaire d'échappement 151f entre les parois 151d, 151e relie le distributeur 151 à la zone d'ionisation 128, à proximité de l'anode 154. Dans la deuxième variante de réalisation de la figure 4, le canal de décharge 221, qui est de symétrie de révolution autour de l'axe principal A, comprend : - une portion amont 252, en forme d'anneau plat monobloc fermant l'extrémité amont du canal de décharge 221, - une portion intermédiaire 253 en forme de bague creuse et fendue, superposée sur et en aval de la portion amont 255 ; la portion intermédiaire 253 comportant d'amont en aval deux parois 253a, 253b axiales et cylindriques, coaxiales entre elles, équipées à leur extrémité amont, de plusieurs rangées superposées d'orifices radiaux 253c, et deux 15 parois transversales 253d, 253e séparées par un orifice annulaire d'échappement 253f reliant un distributeur 251 délimité par la portion amont 252 et la portion aval 253 à une zone d'ionisation 228 en aval, - une anode 254 disposée sur une face interne de la portion amont 255 dans le distributeur 251, 20 - une portion aval 256 comprenant une paroi interne 216 et une paroi externe 218, annulaires et axiales, se prolongeant en aval desdites portions amont et intermédiaire 252,253 afin de délimiter la zone d'ionisation 228 et présentant en amont au moins un canal 224 d'amenée de gaz en communication avec le distributeur 251 à travers les orifices 25 253c de la portion intermédiaire 253, et - deux bagues d'usure 272 et 274, placées respectivement sur la face tournée vers la zone d'ionisation 228 de l'extrémité aval de la paroi interne 216 annulaire et de la paroi externe 218 annulaire. L'anode 254 est fabriquée séparément et est fixée sur un 30 substrat non-conducteur formé par la portion amont 252 de façon étanche par brasage, notamment par brasage de type vitreux (au moyen d'un matériau d'apport par exemple siliceux placée sur les zones de liaison, le canal de décharge 221 étant placé sous contrainte dans un four à une température plus importante que la température de fonctionnement du 35 propulseur). Par ailleurs, selon cette deuxième variante de réalisation, la portion intermédiaire 253 est fixée d'une part à la portion aval 256 et d'autre part à la portion amont 252 de l'ensemble distributeur 251 également par brasage. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. REVENDICATIONS1. Propulseur plasmique à effet Hall comprenant : - un canal (121,221) de décharge annulaire autour d'un axe principal (A) avec une extrémité aval ouverte, présentant une zone d'ionisation (128,228) entre une paroi interne (116,216) et une paroi externe (118,218), et comportant en outre une anode (154,254) et un distributeur (151,251) placés en amont de la zone d'ionisation (128,228), - au moins une cathode, - un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal, et - une canalisation (124,224) pour alimenter en gaz ionisable le canal (121,221), ledit distributeur (151,251) étant relié à la canalisation (124,224) et permettant au gaz ionisable de s'écouler dans la zone d'ionisation 15 (128,228) du canal (121,221) de façon concentrique autour de l'axe principal (A), caractérisé en ce qu'au moins une paroi transversale (152a, 152b ; 253d, 253e) en matériau différent à celui de l'anode (154,254) sépare partiellement le distributeur (151,251) de la zone d'ionisation (128,228). 20 2. Propulseur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite au moins une paroi transversale (152a, 152b) est formée dans un ensemble monobloc (152) délimitant ledit distributeur (151). 3. Propulseur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite canalisation (124) est également formée dans ledit 25 ensemble monobloc (152). 4. Propulseur selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une paroi transversale (253d, 253e) est située en aval de ladite anode (254). 5. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce que ladite anode (154 ; 254) est en métal ou dans une céramique électriquement conductrice. 6. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite paroi transversale est réaliséedans un matériau diélectrique tel que du nitrure de bore BN ou de l'alumine A1203. 7. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites parois interne et externe (116,118 ; 216, 218) sont réalisées dans le même matériau diélectrique que ladite paroi transversale (152a, 152b ; 253d, 253e). 8. Propulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal de décharge (121 ; 221) comporte en outre une bague d'usure (172, 174 ; 272, 274) placée à son extrémité aval, sur au moins une desdites parois interne et externe (116, 118 ; 216, 218), face à la zone d'ionisation (128,228), ladite bague d'usure (172, 174 ; 272, 274) étant réalisée en céramique. 9. Propulseur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la céramique de la bague d'usure (172, 174 ; 272, 274) est à base de nitrure de bore. 10. Procédé de fabrication d'un canal de décharge (121 ; 221) pour un propulseur plasmique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite paroi transversale au moins est réalisé par fabrication additive. 11. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'anode (154,254) est fixée sur un substrat de matériau différent par brasage.