CA2139581A1 - Moteur a plasma a derive fermee d'electrons - Google Patents

Abstract

2139581 9402738 Le moteur à plasma comprend un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (24) délimité par des pièces (22) en matériau isolant et ouvert à son extrémité aval (225), au moins une cathode creuse (40) associée à des moyens (41) d'alimentation en gaz ionisable, et une anode annulaire (25) concentrique au canal annulaire principal (24) et disposée à distance de l'extrémité aval ouverte (225). Une chambre tampon annulaire (23) qui présente dans le sens radial une dimension plus grande que celle du canal annulaire principal (24) s'étend en amont de celui-ci au-delà de la zone dans laquelle est placée l'anode annulaire (25). Des moyens (26) d'alimentation en gaz ionisable débouchent en amont de l'anode (25) à travers un distributeur annulaire (27) dans une zone distincte de la zone portant l'anode (25). Des moyens (31 à 33, 34 à 38) de création d'un champ magnétique dans le canal principal (24) sont adaptés pour produire dans ce canal principal (24) un champ magnétique essentiellement radial qui présente un gradient avec une induction maximale à l'extrémité aval (225) du canal (24).

Description

- wo 94f02738 1 2 13 9 ~ 81 PCr/FR92/00836 `

` Moteur à plasma à dérive fermée d'électrons .
l~omaine de l'invention La présente invention concerne les moteurs à plasma appliqués notamment à
la propulsion spatiale et plus particulièrement les moteurs à plasma du type à dérive S fermée d'électrons encore appelés moteurs à plasma stationnaire ou aux Etats-Unis d'A~nérique "moteurs de Hall".
A~ anté~eur Les moteurs électriques sont destinés essentiellement aux applications de propulsion s~atiales. En tant que sources d'ions ou de plasma, ils sont aussi utilisés 10 pour des applications terrestres, notamment pour l'usinage ionique. Grâce à leur haute impulsion spécifique (de 1500 à 6000s) ils perrnettent des gains de masse considérables sur les satellites par rapport à des moteurs utilisant la propulsion 3 chimique.
L'une des applications typiques de ce type de moteurs est le contrôle Nord-Sud des satellites geostationnaires, où il permet des gains de masse de 10 à 15%. Il 3 peut être aussi utilisé en compensation de traînée en orbite basse, en maintien d'orbite heliosynchrone et en propulsion primaire interplanétaire.
Les propulseurs ioniques peuvent se répartir en plusieurs catégories.
Un premier type de propulseur ionique est ainsi constitué par un moteur à
ionisation par bombardement encore appelé moteur Kaufman. Des exemples d'un tel type de propulseur sont décrits notamment dans les documents EP-A-0 132 065, WO 89/05404 et EP-A-0 468 706.
Dans un moteur à ionisation par bombardement, des atomes de gaz propulsif sont introduits sous faible pression dans une chambre de décharge où ils sont 2i bombardés par des électrons émis par une cathode creuse et collectés par une anode.
Le procédé d'ionisation est augmenté par la présence d'un champ magnétique. Un certain nombre de collisions atomes-électrons conduisent à la cIéation d'un plasma dont les ions sont attirés par les électrodes d'accélération (grilles de sortie), elles-mêmes à un potentiel négatif par rapport au potentiel du plasma. Les électrodes concentrent et accélèrent les ions qui sortent du propulseur en un rayonnement large.
Le rayonnement d'ions est cnsuite neutralisé par un flux d'électrons émis à partir d'une cathode creuse e~teme, appelée neutraliseur.
Les impulsions spécifiques (Isp) obtenues par ce type dc propulseurs sont de l'ordre de 3000 secondes et au-delà.
La puissance rlécessaire est de l'ordre de 30W par mN de poussée.

, wo 94/02738 2 13 (3 5 8 1 2 PCr/FR92/0~5 ~- D'autre types de moteurs à ionisation sont constitués par des moteurs à
ionisation par radiofréquence, des moteurs à ionisation par contact ou encore des moteurs à émission de champ.
Ces divers moteurs à ionisation, y compris les moteurs à ionisation par S bombardement, ont en commun d'avoir des fonctions d'ionisation et d'accélération des ions clairement séparées.
Il ont aussi en commun le fait de présenter une densité de courant dans l'optique ionique limitée par le phénomène de charge d'espace, densité limitée pratiquement à 2-3mA/cm2 pour les moteurs à ionisation par bombardement, donc de10 présenter une poussée aréolaire assez faible.
De plus, ces moteurs, et les moteurs à bombardement en particulier, , nécessitent un certain nombre d'alimentations électriques (entre 4 et 10), ce ~ui conduit à la réalisation de circuits électroniques de conversion et de contrôle assez complexes.
On connait encore, notamment par un article de L.H. ARTSIMOVITCH et al.
paru en 1974 concemant le programme de développement du moteur à plasma stationnaire (SPD) etses essais sur le satellite "METEOR", des moteurs du type "à dérive fermée d'électrons" ou moteurs à plasma stationnaire qui se distinguent des autres catégories ;~ 20 par le fait que l'ionisation et l'accélération ne sont pas différenciées et que la zone d'accelération comporte un nombre d'ions et d'électrons égal, ce qui pemmet d'éliminer -~ tout phénomène de charge d'espace.
On décrira ci-après, en référence à la figure '', un moteur à dérive fermée d'électrons tel qu'il a été proposé dans l'article précité de L.H. ARTSIMOVITCH et al.
Un canal annulaire 1 défini par une pièce ' en matériau isolant est placé dans un électro-aimant comprenant des pièces polaires annulaires exteme 3 et interne 4 placées respectivement à l'extérieur et à l'intérieur de la pièce 2 en matériau isolant, ; une culasse magnétique 1 ' disposée à l'amont du moteur et des bobines d'électroaimant 11 qui slétendent sur toute le longueur du canal 1 et sont montées en série autour de noyaux magnétiques 10 reliant la pièce polaire exteme 3 à la culasse . 1'. Une cathode creuse 7, connectée à la masse, est couplée à un dispositif d'alimentation en xenon pour former un nuage de plasma de~ant la sortie aval du canal 1. Une anode annulaire 5 reliée au pole positif d`une source d'alimentation électrique par exemple de 300 ~, olts est disposee dans la partie amont femnée du canal annulaire 1. Un tube d'injection de xenon 6, coopérant a~ec un isolateur therrnique et .,

2 1 3 9 S ~ 1 PCl /FR92/00836 . . .
. ' ~

électrique 8 débouche dans un canal de distribution annulaire 9 disposé
immédiatement au voisinage de l'anode annulaire 5.
Les électrons d'ionisation et de neutralisation proviennent de la cathode creuse7. Les électrons d'ionisation sont attirés dans le canal annulaire isolant 1 par le champ ``; S électrique régnant entre l'anode 5 et le nuage de plasma issu de la cathode 7.
~ Sous l'effet du champ électrique E et du champ magnétique B créé par les t bobines 11, les électrons d'ionisation prennent une trajectoire de dérive en azimuth nécessaire pour maintenir le champ électrique dans le canal.
~i Les électrons d'ionisation dérivent alors selon des trajectoires ferrnées à
l'intérieur du canal isolant, d'où le nom du moteur.
Le mouvement de dérive des électrons augmente considérablement la probabilité de collision des électrons avec les atomes neutres, phénomène produisant les ions (ici de xenon).
L'impulsion spécifique obtenue par des moteurs ioniques classiques à dérive fermée d'électrons fonctionnant au xenon est de l'ordre de 1000 à 2500 secondes.Dans les moteurs ioniques classiques à dérive fermée d'électrons, la zone d'ionisation n'est pas organisée, ce qui a pour résultat qu'ils ne fonctionnent bien qu'au xenon, que le jet est divergent (+ 20- d'ou~erture de faisceau), et que le rendement est limité à environ 50%.
En outre, la divergence du jet entraîne une usure de la paroi du canal isolant dont le matériau est habituellement un mélange de nitrure de bore et d'alumine.
La durée de vie d'un tel moteur est d'environ 3000h.
Obiet et desc~m~ DJention L~ présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des moteurs à
~j 25 plasma connus et plus particulièrement de modifier les moteurs à plasma à dérive fermée d'électrons afin d'améliorer leurs caractéristiques techniques et notamment de permettre une meilleure organisation de la zone d'ionisation sans créer pour autant de charge d'espace comme dans les moteurs ioniques à bombardement par exemple.
L'invention vise encore à réduire la diver_ence du faisceau et accroître la ;, densité du faisceau d'ions, le rendement électrique, I'impulsion spécifique et la durée ' de vie.
Ces buts sont atteints grâce à un moteur à plasma à dérive fermée d'électrons, comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération délimité par des pièces en matériau isolant et ouvert à son e~trémité aval, au moins une cathode creuse disposée à l'extérieur du canal annulaire principal du côté de la partie a~al de celui-ci ,~

, .

wo 94/02738 PCI/FR92/~6 2l3958l une anode annulaire concentrique au canal annulaire principal et disposée à distance de l'extrémité aval ouverte, des premiers et deuxièmes moyens d'alimentation en gaz ionisable associés respectivement à la cathode creuse et à l'anode annulaire, et des moyens de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une chambre tampon annulaire qui présente dans le sens radial une dimension plus grande que celle du canal annulaire principal e~
s'étend en amont de celui-ci au-delà de la zone dans laquelle est placée l'anodeannulaire, en ce que les deuxièmes moyens d'alimentation en gaz ionisable . débouchent en amont de l'anode à travers un distributeur annulaire dans une zone distincte de la zone portant l'anode, et en ce que les moyens de création d'un champ ,. mag,nétique dans le canal principal sont adaptés pour produire dans ce canal principal s un champ magnétique essentiellement radial qui présente un gradient avec une induction maximale à l'extrémité a~ al du canal, les lignes de champ étant essentiellement parallèles à la &ce de sortie perpendiculaire à l'axe du moteur, à
I'extrémité aval du canal, et une induction minimale dans la zone de transition située ~, au voisinage de l'anode entre la chambre tampon et le canal principal de manière à
favoriser l'ionisation du gaz ionisable.
, Avantageusement, la chambre tampon présente dans le sens radial une dimension qui est de l'ordre du double de la dimension radiale du canal principal.
A titre d'exemple, la chambre tampon présente dans le sens axial une dimension qui est de l'ordre de 1,5 fois la dimension radiale du canal principal.
.- Selon une caractéristique importante de l'invention, le circuit magnétique comprend plusieurs moyens distincts de création d'un champ magnétique et des pièces polaires radiales planes inteme et externe disposées au niveau de la face de i 25 sortie de part et d'autre du canal principal et reliées entre elles par une âme centrale, une culasse située en amont de la chambre tampon. et un circuit magnétique périphérique disposé axialement à l'extérieur du canal principal et de la chambre tampon.
Dans ce cas, de façon plus particulière, les moyens distincts de création d'un champ magnétique comprennent un premier moyen disposé autour et à l'extérieur ducanal principal au voisinage de l'extrémité aval de celui-ci, un deuxième moyen disposé autour de l'âme centrale dans une zone faisant face à l'anode et s'étendant partiellement en face de la chambre tampon, et un troisième mo~ en disposé autour de I'âme centrale entre le deuxième moyen et l'extrémité aval du canal principal.
Avantageusement, les premier, deuxième et troisicme moyens de création WO 94/02738 PCr/FR92/00836 magnétique présentent des tailles différentes.
Selon un mode de réalisation possible, les premier, deuxième et troisième - moyens de création magnétique sont constitués par des bobines d'induction.
Toutefois, pour certaines applications, les premier, deuxième et troisième moyens de création d'un champ magnétique sont formés au moins partiellement par des aimants permanents dont le point de Curie est supérieur à la température de fonctionnement du moteur.
Grâce notamment à la séparation physique de l'anode et du distributeur de gaz ionisable, à l'existence d'une chambre tampon et à la réalisation d'un champ ., 10 magnetique radial présentant un gradient particulier, le moteur à plasma selon l'invention présente l'ensemble des avantages suivants:
a) - ionisation plus efficace, d'où un rendement plus élevé, b) - possibilité d'ioniser facilement des gaz propulsifs divers le Xenon, I'Argon, etc...grâce à une amélioration du processus d'ionisation, lS c) - obtention d'équipotentielles électrostatiques réduisant la divergence du faisceau d'où
c1) une intégration plus facile au satellite, c2) une usure plus faible du canal d'accélération, Brève descnption 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:
- la figure 1 est une vue en élévation et en demi-coupe axiale d'un exemple de moteur à plasma à dérive fermée d'électrons conforme à la présente invention, 1 25 - la figure 2 est une vue en coupe aYiale montrant un exemple de moteur à
-~ plasma à dérive fermée d'électrons selon l'art antérieur, - la figure 3 est une vue en demi-coupe axiale montrant une variante de -~ réalisation de l'invention, avec un agencement différent des mo,~ ens d'introduction de gaz ionisable, - les figures 4 à 7 sont des vues partielles en demi-coupe axiale de moteurs à
-~- plasma selon l'invention montrant différcnts modes de réalisation de l'ensemble ~ constitué par la chambre tampon, le canal principal, I'anode et le distributeur de gaz ,j ionisable~
- la figure 8 est une vue en perspective d'un e~emple de moteur à plasma selon l'invention monté sur la structure d'un satellite, et .
;
;

WO 94/02738 P~/FR92/00 ` 21~g~)816 - la figure 9 est une vue de détail montrant un exemple de fixation des pièces isolantes définissant le canal principal d'un moteur à plasma selon l'invention.y Desc~iption détaillée des modes particuliers de réalisation '~d On voit sur la figure 1 un exemple de moteur à plasma 20 à dérive fermée ~- S d'électrons conforme à l'invention, qui comprend un ensemble de pièces 22 en matériau isolant délimitant un canal annulaire 1 fonné en amont d'une première partie constituée par une chambre tampon 3 et en aval d'une deuxième partie s constituée par un canal d'accélération 24.
La chambre annulaire 23 présente de préférence une dimension dans le sens radial qui est de l'ordre du double de la dimension dans le sens radial du canalannulaire d'accélération 24. Dans le sens axiai, la chambre tampon 3 peut être un peu plus courte que le canal d'accélération 24 et présente avantageusement une longueur ~. qui est de l'ordre de une fois et demie la dimension d dans le sens radial du canal d'accélération 24.
Une anode 2S, reliée par une ligne électrique 43 à une source de tension continue 44, qui peut être par exemple de l'ordre de ~00 à 300 V, est disposée sur les pièces isolantes _ délimitant le canal annulaire -1, dans une zone située immédiatement en aval de la chambre tampon '3, à l'entrée du canal d'accélération 24. La ligne 43 d'alimentation de l'anode 25 est disposée dans un tube isolant 45 qui traverse le fond du moteur constitué par une plaque 36 formant culasse magnétique et . des pièces 223,224 en matériau isolant délimitant la chambre tampon 23.
Un tube 26 d'alimentatioll en gaz ionisable tel que du xenon traverse également la culasse 36 et le fond ~3 de la chambre tampon 3 pour déboucher dansun distributeur annulaire de gaz 27 placé dans le fond de la chambre tampon '3.
f 25 Le canal; 1 délimité par l'ensemble des pièces isolantes ~ est placé dans un circuit magnétique composé essentiellement de trois bobines 31,3't33 et de pièces . polaires 34,35.
- Des pièces polaires planes exteme 34 et inteme 35 sont placées dans le plan de sortie du moteur à l'extérieur du canal d'accélération ~4 et déterrninent des lignes de . 30 champ magnétique qui à la partie ouverte a~al du canal d'accélération 24 sont sensiblement parallèles au plan de sortie 59 du moteur . 0.
Le circuit magnétique constitué des pièces polaires 34 et 35 est femmé par un : noyau central axial 38 et des barres de liaison 37 disposées à la périphérie du moteur selon une configura;ion essentiellement c~lindrique, le noyau central 38 en matériau ferromagnétique et les barres de liaison 37 en matériau ferromagnétique étant en /
:.
.
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wo 94/02738 PCI /FR92/00836 7 21395~1 i `2 contact avec la culasse arrière 36. La culasse 36 qui est en matériau ferromagnétique et constitue le fond du moteur peut être protégée par une ou plusieurs couches 30 de matériau super isolant thermiquement qui élimine le flux thermique rayonné vers le satellite.
Un écran 39 antipollution peut être également disposé entre les pièces . isolantes 22 et les barres de liaison 37. Selon une vanante de réalisation, les barres de ~; liaison 37 et l'écran 39 sont remplacés par une virole cylindrique ou cylindroconique qui joue à la fois le rôle de fermeture du circuit magnétique et d'écran. Dans tous les cas, l'écran 39 ne doit pas s'opposer au refroidissement du moteur. Il doit donc, soit

3 10 recevoir un revêtement émissif interne et exteme, soit être appliqué de manière à
r perrnettre un rayonnement direct vers l'espace.
Les électrons nécessaires au fonctionnement du moteur sont fournis par une .~ cathode creuse 40 qui peut être de conception classique. La cathode 40, qui est reliée électriquement par une ligne 42 au pôle négatif de la source de tension 44, comporte un circuit 41 d'alimentation en gaz ionisable tel que du xenon, et se trouve placée en aval de la zone de sortie du canal d'accélération 24.
La cathode creuse 40 foumit un plasma '9 sensiblement au potentiel de référence d'où sont extraits les électrons se dirigeant vers l'anode '5 sous l'effet du charnp électrostatique E dû à la différence entre l'anode 25 et la cathode 40.
Ces électrons ont une trajectoire de dériYe en azimuth dans le canal .~ d'accélération 24 sous l'effet du champ électrique E et du champ magnétique B.
Typiquement, le champ à la sortie du canal '4 est de 150 à 200 Oe.
~ Les électrons primaires sont accélérés par le champ électrostatique E, ils :2' heurtent alors la paroi de l'isolateur _, ce qui foumit des électrons secondaires d'énergie plus faible.
Les électrons entrent en collision avec les atomes neutres de xenon issus de la chambre tampon 23.
Les ions xenon ainsi formés sont accélérés par le champ électrostatique E dans le canal d'accélération ~4.
Il n'y a pas de charge d'espace dans le canal d'accélération 4 en raison de la présence des électrons.
~, La neutralisation du faisceau d'ions est assurée par une partie des électrons issus de la cathode creuse 40.
La maîtrise du 8radient de champ maenétique radial obtenue grace à la disposition des bobines 31 à 33 et des pièces polaires 34 et 35 permet de séparer les wo 94/02738 PCI /FR92/Qr~6 21~9581 8 ;~ fonctions d'accélération des ions de la fonction ionisation obtenue dans une zone proche de l'anode ~5. Cette zone d~ionisation peut s'étendre partiellement dans la chambre tampon 23. -i~ Une caractéristique importante de l'invention réside dans l'existence d'une chambre tampon 23 qui permet d'optimiser la zone d'ionisation.
Dans les moteurs classiques à dérive fennée d'électrons, une partie notable de I'ionisation est localisée dans la partie médiane. Une partie des ions percute les parois, ~1 ce qui est une cause d'usure rapide des parois et diminue ainsi la durée de vie du ;~ propulseur. La chambre tampon 23 favorise la réduction du gradient de concentration du plasma selon le rayon ainsi que le refroidissement des électrons à l'entrée du canal d'accélération 24, ce qui réduit la divergence du faisceau ionique sur les parois et ainsi evite des pertes d'ions par collision avec ces dernières, ce qui a pour effet d'augmenter `- le rendement et de réduire la divergence du faisceau à la sortie du moteur.
Une autre caractéristique importante de l'invention réside dans la présence de - 15 trois bobines 31 à 33 qui peuvent présenter des dimensions différentes et pennettent d'optimiser le champ magnétique grâce à leur localisation spécifique.
` Ainsi, une première bobine 31 est disposée autour et à l'extérieur du canal - principal 24 au voisinage de l'extrémité aval '~5 de celui-ci. Une deuxième bobine 32 est disposée autour de l'âme centrale 38 dans une zone faisant face à l'anode 25 et s'étendant partiellement en face de la chambre tampon ''3. Une troisième bobine 33 . est disposée autour de l'âme centrale 38 entre la deuxième bobine 32 et l'extrémité
aval 225 du canal principal d'accélération ~4. Les bobines 31,3~,33 peuvent présenter - des tailles différentes comme représenté sur la figure 1. La présence de trois bobines ; 31,32,33 bien différenciées a pour conséquence la création de lignes de champ mieux dirigées qui permettent d'obtenir un jet mieux canalisé et plus parallèle que sur les moteurs classiques.
. Selon une variante de réalisation, les bobines 31 à 33 de création d'un charnp .
magnétique peuvent être remplacées au moins partiellement par des aimants pennanents dont le point de Curie est supérieur à la température de fonctionnement ~, 30 du moteur.
k~ La bobine annulaire 31 pourrait également ètre remplacée par un ensemble de '3~ bobines individuelles et disposées autour dcs différcntcs barrcs de liaison 37 constituant le circuit magnétique périphcrique.
L'ensemble des bobines d'induction 31,3~ et 33 peu~ent également être montées en série avec la source d'alimentation électrique 4~ et la cathode 40 ~e -~ wo 94/02738 21 3 PCI /FR92/00836 . .
manière à réaliser une autorégulation du courant de décharge.
Les bobines 31,3',33 peuvent etre constituees de fil de cuivre revêtu d'un ~3 isolant minçral haute température. Les bobines 31 à 33 peuvent encore être ' constituées de fil du type coaxial à isolant minéral.
Le matériau magnétique du circuit constitué des pièces polaires 34,35, de I'âme centrale 38, des barres 37 et de la culasse 36 peut être du fer doux, du fer ultra-pur, ou encore un alliage fer-chrome à haute perméabilité magnétique.
Le refroidissement des bobines 3~ et 33 peut être amélioré par un caloduc ~' placé dans l'axe du noyau magnétique 38 e~ rejetant la chaleur vers la culasse 36 et la 0 pièce polaire radiale inteme 35 ra~onnant v ers l'espace.
A titre d'exemple, les pièces polaires 34 et 35 peuvent présenter une dimension de l'ordre d'une vingtaine de millimctres dans le sens axial.
Le nombre d'ampères-tours de chaque bobine 31,3 ',33 et le rapport entre la ~; longueur et le diamètre de chacune de ces bobines sont détemninés de manière à
~, 15 produire dans le canal d'accélération un champ magnétique essentiellement radial dont le maximum est situé dans le plan de sortie 59 du moteur, dont les lignes de , champ près de la sortie _5 sont essentiellement parallèles à la face de sortie 59 et dont les lignes de champ au voisinage de l'anode ''S sont essentiellement disposées de ~ manière à favoriser l'ionisation du gaz propulsif dans cette région.
- 20 Des exemples de propulseur ionique selon l'im,ention combinant la présence d'une chambre tampon ''3 et d'un ensemble de bobines 31,3',33 différenciées ont pemnis d'obtenir un rendement électrique de l'ordre de 50 à 70% soit une amélioration en moyenne de l'ordre de 10 à ~5% par rapport aux s)~stèmes antérieurement connus.
Par ailleurs, dans les réalisations confommes à l'invention, on a obtenu en sortie ' 25 du moteur un jet quasi-c~lindrique avec une très faible divergence du faisceau d'ions de l'ordre de + 9-. Ainsi, avec un canal d'accélération du diamètre extérieur 80mm, on a à une distance de 80mm à l'extérieur du moteur par rapport au plan de sortie 59, 90% de l'énergie qui reste concentrée dans le diamètre du canal d'accelération.
, D'une manière générale, le moteur selon l'invention permet une plus forte densité de poussée (par exemple de l`ordre dc 1 à 'ml~/cm2 de densité de pousséearéolaire), donc un moteur plus petit et plus lé~cr à isopoussée, avec un excellent rendement.
En ce qui conceme la durée de vie, les moteurs connus montrent une durée de vie de l'ordre de 3000h.
;' 35 Au contraire, un moteur à plasma conforme à la presente invention pemmet ~' ~ .

wo 94/02738 . ~ PCl /FR92/~--'6 . ' 10 213!~581 d'obtenir une durée de vie d'au moins 5000 à 6000 heures en raison de la plus faible -.~ érosion du canal 24 liée à la meilleure c~lindricité du jet ionisé.
Le moteur à plasma selon l'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation.
S Ainsi, le matériau isolant constituant les pièces ~2 délimitant la chambre tampon 23 et la canal d'accélération 24 peut être constitué notamment par l'une des combinaisons suivantes:
- céramique BN + B4C + Al 03 alumine ultra pure - composite Al ' 03 - Al ~ 03 . - vitrocéramique à base de silice pure ou déposée, par exemple avec un oxyde de terre rare.
L'isolateur _ peut être fixé vis-à-vis de l'une des pièces polaires par exemple 34, à l'aide d'une pièce interrnédiaire élastique 6~ en métal dont le coefficient de dilatation est proche de celui de la céramique (figure 9).
Ceci permet d'éliminer les contraintes thermiques dues aux différences de coefficient de dilation de la céramique ou similaire et du circuit magnétique. Dans ce cas, les pièces 22 délimitant le canal 24 peuvent présenter un talon 61 de retenue de la pièce intermédiaire élastique 6 ' et la fixation de celle-ci sur la pièce polaire 34 peut se faire par une vis de liaison 63.
La liaison entre une matière céramique constituant les pièces isolantes 2 et le métal des pièces polaires 34,35 peut encore être obtenue par exemple par brasure, par soudage par diffusion, par frittage d'une composition cérami~métallique ou par pressage isostatique à chaud.
-"~ 25 La puissance dissipée sous forme des pertes themmiques dans l'anode ~5 et le canal 24 peut être évacuée par rayonnement du canal '~4 vers l'espace en aval ainsi que par le rayonnement du circuit magnétique. Afin d'éviter des interactions entre le plasma 29 de la cathode 40 et les pièces ~ de l'isolateur, celui-ci peut être entouré
par un écran 39 situé entre la pièce polaire 3~ et la culasse 36, comme indiqué plus haut. Pour pemmettre son refroidissement par ra~onnement, cet écran 39 est recouvert d'un revêtement à haute émissivité, ou pcrforé. Dans ce dcmier cas, la dimension dcs trous doit être suffisamment petite pour empêchcr la pcnctration du plasma.
Le distributeur . 7 de xenon peut être réalisé en acier inoxydable ou en niobium ou encore dans la mème céramique que les pièces isolantes ~ '.
L'anode ~S peut elle-même être réalisée par excmple en acier inoxydable, en .

wo 94/02738 pcr/FR92/oo836 11 2139581 t alliage de nickel, en niobium ou en graphi~e.
L'alimentation électrique dc l'anode "5 est effectuée par un passage céramique/métal heImétique.
L'alimentation en xenon du distributeur annulaire 7 peut être effectuée par :. S I'intermédiaire d'un tube isolant si le distributeur ''7 est lui-meme métallique, afin d'éviter que se produise dans la chambre tampon 23 une décharge entre l'anode 25 et Ie distributeur 27 qui serait à la masse en l'absence de tube isolant.
On a représenté sur la figure 3 un exemple de tube isolant 300 pour un distributeur 127 métallique qui, selon une variante de réalisation n'est pas disposé
-~ 10 dans le fond de la chambre tampon 23, mais dans la partie aval de cette chambre 23 tout en étant séparé du l'anode 25 elle-même placée à l'entrée du canal d'accélération '9 24. Ce tube isolant peut aussi être disposé radialement à la périphérie de la chambre.
Sur la figure 3, le tube isolant 300 comprend à titre d'exemple un tube en ~ céramique 301 brasé aux deux extrémités sur des embouts métalliques 302 et rempli -~ 15 interieurement d'un gamissage 303 qui peut être en feutre céramique, en lit de g~anulés isolants ou encore formé d'un empilement de plaquettes isolantes et de grilles métalliques.
Dans le cas de la figure 3, le tube isolant 300 est placé le long du canal d'accélération 24 entre la chambre tampon 23 et la bobine 31 de manière à minimiser la longueur totale du moteur~
~J Toutefois, le tube isolant 300 pourrait aussi être placé entre la culasse 36 et la - chambre tampon 23.
Les pièces isolantes '2 délimitant la chambre tampon 23 et la canal d'accélération 24 peuvent présenter diverses confi~urations de même que l'anode 5 qui peut être c~lindrique (figures 1,4,7) ou conique (figures 5 et 6).
Sur la figure 1, une pièce annulaire interne '' '1 et des pièces complémentaires- _ ',"3,224 rapportées sur la pièce interne "1 dclimitent la chambre tampon '3 et le canal annulaire 24 tout en permettant le montage du distributeur 27 et de l'anode 25.
Dans le cas de la figure 6, les pièces en matériau isolant définissant le canal principal 24 et la chambre tampon '3 comprenncnt une première pièce '''c formantune paroi externe de la chambre tampon ~3 et du canal principal 24 et une deuxième pièce '2d formant une paroi interne de la chambre tampon '3 et du canal principal 24 et le distributeur ''7 en gaz ionisable placé dans la chambre tampon '3 constitue lui-même un élément de liaison entre lesdites première et deuxième pièces "c,"d.
L'anode conique 50 peut être montée par l'amont sur une portion de transition conique ~, WO ~4/02738 PCr/FRs2/oo~
2139~8 1 12 ~ 56 entre la chambre tampon 23 et le canal d'accélération 24.
- Dans le cas de la figure 4, les pièces en matériau isolant définissant le canal principal 24 et la chambre tampon 3 comprennent une première pièce 22a forrnant la paroi de la chambre tampon 23 et la paroi inteme du canal principal 24 et une -< 5 deuxième pièce 22b formant la paroi externe du canal principal 24 et l'anode est - scellée par des portions 51,5-~ entre les première et deuxième pièces 22a,22b. La référence 53 désigne un capot optionnel. Le distributeur 27 peut être introduit par l'aval. Le mode de réalisation de la figure 5 est voisin de celui de la figure 4 mais montre une anode 50 conique scellée par des portions 54,55 entre les première etdeuxième pièces 22a, 22b.
Dans le cas des figures 1 et 6, l'anode est rapportée sur une face des pièces 22en matériau isolant à la jonction entre la chambre tampon ~3 et le canal principal 24.
Dans le cas de la figure 7, l'anode 5 est réalisée en plusieurs troncons reliés électriquement entre eux (liaison 57). Le distributeur '7 peut etre introduit par l'aval.
. 15 Il existe au niveau de la jonction 58 entre les pièces 2 'e et 2 'f en matériau isolant un scellement céramique-céramique permettant de réaliser le canal à partir de deux élérnents séparés.
La figure 8 montre un exemple de mise en oeuvre dans lequel la virole exteme 75 en matériau magnétique constitue également une interface de ~lxation du moteur sur la structure 72 d'un satellite. La référence 71 désigne l'interface mécanique du moteur et la référence 7~ le mur du satellite parallèle à l'axe nord-sud du satellite géostationnaire .
L'angle a représente l'angle d'inclinaison du moteur par rapport à l'axe nord-sud 73 du satellite.
b qui est ici toujours inférieur à a représente le demi-angle de divergence du faisceau d'ions.
Des fenêtres 74 de rayonnement sont percées dans la virole 75 et recouvertes d'un écran perforé 76 pouvant être un tamis métallique.
D'autres exemples de mise en oeuvre du mo~eur à plasma selon l'invention sont naturellement possibles.

Claims (23)

?3 REVENDICATIONS

1. Moteur à plasma à dérive fermée d'électrons, comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (24) délimité par des pièces (22) en matériau isolant et ouvert à son extrémité aval (225), au moins une cathode creuse (40) disposée à l'extérieur du canal annulaire principal (24) du côté de la partie aval de celui-ci, une anode annulaire (25) concentrique au canal annulaire principal (24) et disposée à distance de l'extrémité aval ouverte (225), des premiers et deuxièmes moyens (41,26) d'alimentation en gaz ionisable associés respectivemens à la cathode creuse (40) et à l'anode annulaire (225), un circuitmagnétique (31 à 33, 34 à 38) de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal (24), et une chambre tampon annulaire (23) qui présent dans le sens radial une dimension plus grande que celle du canal annulaire principal (24) et s'étend en amont de celui-ci au-delà de la zone dans laquelle est placée l'anode annulaire (25), les deuxièmes moyens (26) d'alimentation en gaz ionisable débouchant dans la chambre tampon annulaire (23) en amont de l'anode (25) à
travers un distributeur annulaire (27) dans une zone distincte de la zone portant l'anode (25), et le circuit magnétique comprenant plusieurs moyens distincts (31 à
33) de création d'un champ magnétique et des pièces polaires radiales planes (34, 35) interne (35) et externe (34) disposées au niveau de la face de sortie de part et d'autre du canal principal (24) et reliées entre elles par une âme centrale (38), une culasse (36) et un circuit magnétique périphérique (37) disposé axialement à
l'extérieur du canal principal (24) et de la chambre tampon (23), caractérisé en ce que les moyens (31 à 33, 31 à 38) de création d'un champ magnétique dans le canal principal (24) sont adaptés pour produire dans ce canalprincipal (24) un champ magnétique essentiellement radial qui présente un gradient avec une induction maximale à l'extrémité aval (225) du canal (24), leslignes de champ étant essentiellement parallèles à la face de sortie (34,35) perpendiculaire à l'axe du moteur à l'extrémité aval (225) du canal (24), et uneinduction minimale dans la zone de transition située au voisinage de l'anode (25) entre la chambre tampon (23) et le canal principal (24) de manière à favoriser l'ionisation du gaz ionisable, et en ce que les moyens distincts (31 à 33) de création d'un champ magnétique comprennent un premier moyen (31) disposé
autour et à l'extérieur du canal principal (24) au voisina e de l'extrémité aval (225) de celui-ci, un deuxième moyen (32) disposé autour de l'âme centrale (38) dans une zone faisant face à l'anode (25) et s'étendant partiellement en face de la chambre tampon (23) et un troisième moyen (33) disposé autour de l'âme centrale (38) entre le deuxième moyen (32) et l'extrémité aval (225) du canal principal (24).

2. Moteur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre tampon (23) présente dans le sens radial une dimension qui est de l'ordre du double de la dimension radiale du canal principal (24).

3. Moteur à plasma selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre tampon (23) présente dans le sens axial une dimension qui est de l'ordre de 1,5 fois la dimension radiale du canal principal(24).

4. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premier, deuxième et troisième moyens (31,32,23) de création d'un champ magnétique présentent des tailles différentes.

5. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les premier, deuxième et troisième moyens (31,32,33) de création d'un champ magnétique sont constitués par des bobines d'induction.

6. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les premier, deuxième et troisième moyens (31,32,33) de création d'un champ magnétique sont formés au moins partiellement par des aimants permanents dont le point de Curie est supérieur à la température de fonctionnement du moteur.

7. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit magnétique périphérique (37) comprend un ensemble de barreaux de liaison entre la pièce polaire radiale externe (34) et la culasse (36).

8. Moteur à plasma selon la revendication 5 et la revendication 7, caractérisé en ce que le premier moyen (31) de création d'un champ magnétique comprend un ensemble de bobines individuelles disposées autour des barreaux (37) constituant le circuit magnétique périphérique.

9. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit magnétique périphérique (37) est constitué par une virole.

10. Moteur à plasma selon la revendication 5, caractérisé en ce que les bobines d'induction constituant les premier, deuxième et troisième moyens (31,32,33) de création d'un champ magnétique sont montées en série entre une source d'alimentation électrique (44) et la cathode creuse (40).

?5

11. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le distributeur annulaire (27) de gaz ionisable disposé dans la chambre tampon (23) est réalisé en un matériau isolant électriquement.

12. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le distributeur annulaire (27) de gaz ionisable disposé dans la chambre tampon (23) est métallique et en ce que le tube (26) d'alimentation en gaz ionisable débouchant dans le distributeur annulaire (27) comprend des moyens (300) d'isolation électrique.

13. Moteur à plasma selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens (300) d'isolation électrique du tube (26) d'alimentation en gaz ionisablesont disposés entre la culasse (36) et la chambre tampon (23).

14. Moteur à plasma selon la revendication 12, caractérisé en ce que le tube (26) d'alimentation en gaz ionisable et ses moyens (300) d'isolation électrique sont disposés le long du canal principal (24) entre la chambre tampon (23) et lepremier moyen (31) de création d'un champ magnétique.

15. Moteur à plasma selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un caloduc placé dans l'axe de l'âme centrale (38) portant les bobines constituant les deuxième et troisième moyens de création d'un champ magnétique (32, 33) et rejetant la chaleur vers la pièce polaire radiale interne (35) et la culasse (36).

16. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les pièces (22) en matériau isolant définissant le canal principal (24) et la chambre tampon (23) comprennent une première pièce (22c) formant une paroi externe de la chambre tampon (23) et du canal principal (24) et une deuxième pièce (22d) formant une paroi interne de la chambre tampon (23) et du canal principal (24) et en ce que le distributeur (27) en gaz ionisable placé dans la chambre tampon (23) constitue lui-même un élément de liaison entre lesdites première et deuxième pièces (22c,22d).

17. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les pièces (22) en matériau isolant définissant le canal principal (24) et la chambre tampon (23) comprennent une première pièce (22a) formant la paroi de la chambre tampon (23) et la paroi interne du canal principal (24) et une deuxième pièce (22b) formant la paroi externe du canal principal (24) et en ce que l'anode (25) est scellée centre la première et deuxième pièces (22a,22b).

?6

18. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'anode (25) est rapportée sur une face des pièces (22) enmatériau isolant à la jonction entre la chambre tampon (23) et le canal principal (24).

19. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que l'anode (25) présente une forme cylindrique.

20. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que l'anode (50) présente une forme tronconique.

21. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que l'anode (25) est constituée en plusieurs tronçons disposésdans la chambre tampon (23) ou à l'entrée du canal principal (24) et reliés électriquement entre eux.

22. Moteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que les pièces isolantes (22) définissant le canal principal (24) sont fixées sur la pièce polaire radiale externe (34) à l'aide d'un assemblage à talon (61) et rondelle élastique (62).

23. Moteur à plasma selon la revendication 10, caractérisé en ce que la virole externe (75) en matériau magnétique constitue également une interface de fixation du moteur sur la structure (72) d'un satellite.