WO2024252084A1 - Dispositif de propulsion à effet hall avec compensation magnetique - Google Patents

Dispositif de propulsion à effet hall avec compensation magnetique Download PDF

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WO2024252084A1
WO2024252084A1 PCT/FR2024/050693 FR2024050693W WO2024252084A1 WO 2024252084 A1 WO2024252084 A1 WO 2024252084A1 FR 2024050693 W FR2024050693 W FR 2024050693W WO 2024252084 A1 WO2024252084 A1 WO 2024252084A1
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magnetic
annular
compensation
circuit
annular channel
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PCT/FR2024/050693
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Alexandre GUGLIELMI
Paul LASCOMBES
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Exotrail SAS
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Exotrail SAS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
    • F03H1/0075—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field with an annular channel; Hall-effect thrusters with closed electron drift

Definitions

  • the present disclosure relates to the field of ion ejection devices, in particular for forming plasma thrusters or electric thrusters.
  • the present disclosure relates more particularly to a Hall Effect plasma propulsion device with magnetic compensation.
  • Plasma thrusters There are several types of plasma thrusters depending on their plasma initiation mode and the plasma acceleration mode towards the ejection channel outlet.
  • Plasma thrusters can be classified into three main categories: electrothermal thrusters, electrostatic thrusters and electromagnetic thrusters.
  • Electrothermal thrusters use the Joule effect to heat the gas which is then accelerated.
  • the so-called “arc-jet” thruster uses electric arcs formed between a central cathode and an external anode to heat the gas and create the plasma ignition.
  • RF Radio Frequency
  • Electromagnetic thrusters use the Lorentz force to accelerate plasma.
  • magnetoplasmadynamic thruster which consists of a coaxial metallic discharge source whose central conductor is the cathode and the external conductor is the anode.
  • the potential difference applied between the anode and the cathode makes it possible to initiate a plasma between these electrodes.
  • the strong current passing through them induces an azimuthal magnetic field around each electrode.
  • the coupling between the radial electric field and The azimuthal magnetic field in the cavity creates a Lorentz force that propels the plasma axially toward the exit.
  • Electrostatic thrusters are based on the acceleration of plasma ions using an electric field gradient towards the exit of the ejection channel. So-called Hall effect plasma thrusters belong to this category.
  • All of these thrusters typically use coils and/or permanent magnets to produce a magnetic field that participates in the acceleration process by confining the electrons in the cavity called the ionization chamber.
  • the Hall effect drive assembly 1 comprises a magnetic circuit 20 and a support body 10.
  • the support body 10 has a shape of revolution about a longitudinal axis AA’.
  • the support body 10 comprises an annular channel 11 in which the magnetic circuit 20 is received.
  • the propulsion assembly comprises a first end 2 having an annular opening and a second end 3.
  • the inner surfaces of the annular channel 11 are provided with walls 26, 27 making it possible to physically delimit the ionization and acceleration zone.
  • the walls are for example made of ceramic material.
  • the magnetic circuit 20 is formed by elements with high positive magnetic susceptibility 21A, 21B, 24A, 24B and permanent magnets generating a magnetic field 22, 23 arranged in the annular channel 11, around a longitudinal central axis AA’ to form an annular ionization and acceleration chamber 40 in the annular channel 11.
  • a propellant gas supply circuit 4 is positioned in a lower portion of the body 10.
  • the gas injection direction is shown by an arrow at the circuit inlet in FIG. 1.
  • the propellant assembly comprises one or more gas inlet holes formed in the bottom of the annular channel connected to the ionizable gas supply circuit 4. Gas is introduced into the annular ionization and acceleration chamber 40 through the gas supply holes. As an example, in FIG. 1, two supply holes 5 are shown.
  • each permanent magnet is chosen so as to create magnetic field lines 6, ensuring the confinement of the electrons supplied by the cathode 8.
  • Their geometric configuration is responsible for the “magnetic lens” effect at the first end 2 of the annular channel 11.
  • This specific configuration of the magnetic field lines is designated by the term “magnetic lens” or “magnetic barrier” which is essential to the operating mode of a Hall effect thruster and is responsible for the ionization of neutral atoms and the acceleration of ions.
  • the propulsion unit further comprises an anode 9 positioned inside the annular channel 11, close to the bottom of the channel.
  • the anode 9 generally has a function of diffusing the propellant gas and may have a stepped structure as proposed in document US10723489B2.
  • a hollow cathode 8 is located outside the annular channel 11, at the first open downstream end 2 of the channel 11. The cathode is oriented towards the first open end of the channel in order to eject electrons towards the main axis AA’ and the area located downstream of the open end of the channel.
  • the low axial conductivity of the electrons caused by their confinement in the “magnetic barrier”, generates an electric field in the ionization chamber 40 which extends axially relative to the longitudinal axis AA’.
  • the electrons then collide with the atoms or molecules constituting the propellant (injected in gaseous form from the bottom of the annular channel) and flowing from downstream to upstream of the channel to reach the anode 9.
  • the electrons trapped by the magnetic field create the axial electric field responsible for the acceleration of the ions between the anode and the outlet of the channel, such that these ions are ejected at high speed from the channel, in an ejection direction mainly parallel to the longitudinal axis AA', thus generating a thrust directed upstream.
  • the direction of ion ejection is represented in Figure 1 by arrows.
  • the use of electromagnetic coils and/or permanent magnets to form the magnetic circuits 20 generates a residual magnetic moment in the propulsion device.
  • the residual magnetic moment of the thruster contributes to the overall residual magnetic moment of the satellite.
  • the interaction between the Earth's magnetic field and the overall residual magnetic moment of the satellite is one of the main sources of disorientation and disturbance to the proper functioning of the satellite.
  • the first known solution is to use electromechanical stabilization devices such as reaction wheels or gyroscopic actuators to readjust the attitude of the satellite. These devices make it possible to maintain control of the satellite's orientation, but in a transient manner because it is necessary to dissipate the energy that they only store in a transient manner. They are also a source of electrical consumption.
  • electromechanical stabilization devices such as reaction wheels or gyroscopic actuators to readjust the attitude of the satellite.
  • These devices make it possible to maintain control of the satellite's orientation, but in a transient manner because it is necessary to dissipate the energy that they only store in a transient manner. They are also a source of electrical consumption.
  • a satellite always has a magnetic orientation device called a magnetocoupler which consists of a coil associated with an electrical power supply. This system is active only when the satellite is operational, consumes electricity and contributes significantly to the mass of the satellite. It is therefore necessary to reduce its size by limiting the parasitic magnetic moments.
  • One solution is to use magnetic field generating coils that compensate for the magnetic field of the thruster and thus minimize or even cancel out the residual magnetic moment. Examples of this solution are provided in WO2019229286A1 and US10752385. However, this solution involves greater complexity in the power supply as well as excess power consumption.
  • the cancellation, or at least the minimization, of the residual magnetic moment can be done by the addition of magnetic screening devices (shielding) and/or by the addition of magnetic compensation devices, which will be sized and placed so as to minimize the residual magnetic moment.
  • magnetic screening devices shielding
  • magnetic compensation devices which will be sized and placed so as to minimize the residual magnetic moment.
  • Document WO2021201871A1 discloses a Hall thruster assembly that includes a Hall thruster and a mounting assembly coupled to an end of the Hall thruster.
  • the mounting assembly is configured to support the Hall thruster and to secure the Hall thruster to a spacecraft.
  • the mounting assembly includes a plurality of magnetic elements that may be electromagnetic coils or permanent magnets that are operable to produce a magnetic dipole moment to attenuate or reduce the magnetic moment of the Hall thruster.
  • the magnetic elements are positioned away from the Hall thruster so as not to disturb the magnetic field generated by the magnetic circuit near the ion ejection end of the thruster.
  • the magnets that form the magnetic circuit of the thruster are close to the ionization chamber and thus undergo significant heating.
  • the walls forming the ionization chamber can generally reach more than 300°C, and the magnets more than 200°C.
  • the magnetic properties of the magnets in particular their remanence, can change with the temperature.
  • the remanence and therefore the residual magnetic moment is different depending on whether the thruster is on, therefore hot, or off, therefore cold.
  • this remanence can decrease irreversibly over time. Having one or more compensation magnets at locations far from the ionization chamber, and therefore in a colder area, does not make it possible to take into account this dependence of the remanence of the main magnets on temperature.
  • the compensation produced by the compensation magnets is therefore not perfect.
  • An aim of the present disclosure is to propose a plasma thruster making it possible to overcome the drawbacks of the prior art and in particular offering a simple solution to implement to compensate for the residual magnetic moment resulting from the magnetic circuit of the thruster, while maintaining an optimal configuration of the magnetic field generated by the magnetic circuit in order to guarantee the performance of the thruster and the lifetime of the latter.
  • a Hall effect propulsion device comprising:
  • a support body extending between a first end and a second end, said body comprising an annular outer wall and an annular inner wall arranged coaxially around a longitudinal axis AA’ to form an annular channel, said first end having an annular opening forming an ion outlet;
  • a magnetic circuit arranged in the annular channel and configured to generate a radial magnetic barrier in the annular channel, near the first end of the channel;
  • At least one magnetic compensation magnetic element arranged in said magnetic circuit and configured to compensate at least a fraction of an absolute value of the residual magnetic moment generated by said magnetic circuit.
  • the magnetic circuit comprises at least one element with high positive magnetic susceptibility and at least one magnetic element generating a magnetic field configured to generate said radial magnetic barrier, said at least one compensating magnetic element being positioned in the magnetic circuit such that it is further from the first end than said at least one magnetic element generating a magnetic field.
  • said at least one magnetic compensation magnetic element has a continuous annular shape.
  • said at least one magnetic compensation magnetic element comprises a plurality of discrete magnetic elements positioned circumferentially relative to the longitudinal axis AA’.
  • said at least one element with high positive magnetic susceptibility comprises a plurality of external elements with high positive magnetic susceptibility arranged against the annular external wall, said magnetic compensation magnetic element being held in position between two external elements with high positive magnetic susceptibility.
  • said at least one element with high positive magnetic susceptibility comprises a plurality of external elements with high positive magnetic susceptibility arranged against the annular external wall, at least one external element among the plurality of external elements with high positive magnetic susceptibility being provided with a housing adapted to receive said at least one magnetic compensation element.
  • Said at least one magnetic compensation element is made of a material chosen from the following materials: neodymium-iron-boron, samarium-cobalt or hexaferrites.
  • Said at least one magnetic compensation element is in the form of a magnetic coil or a permanent magnet.
  • the device further comprises a gas supply circuit configured to inject an ionizable gas into the annular channel.
  • the device further comprises an electrical circuit configured to generate an electric field in a portion of the annular channel, said electrical circuit comprising an annular anode arranged inside the annular channel and at least one cathode arranged outside the annular channel, near the first end of the annular channel.
  • said at least one magnetic compensation magnetic element is configured such that the absolute value of the residual magnetic moment of the circuit is at least less than 0.1 Am 2 over a temperature range between 50°C and 250°C.
  • Figure 1 schematically represents a sectional view of a Hall effect plasma thruster according to the prior art.
  • Figure 2 schematically represents a sectional view of a Hall effect plasma thruster assembly according to one embodiment.
  • FIG. 3 Figure 3 schematically shows a sectional view of the magnetic circuit of the Hall effect plasma propulsion device without the support body of Figure 2.
  • Fig. 4 Figure 3 schematically shows a sectional view of the magnetic circuit of the Hall effect plasma propulsion device without the support body of Figure 2.
  • Figure 4 schematically represents a sectional view of the magnetic circuit of the Hall effect plasma propulsion device according to another embodiment without the support body of Figure 2.
  • a Hall effect ion ejection device according to an embodiment applied to a Hall effect plasma thruster will be described below.
  • the Hall effect propulsion device 100 according to one embodiment is described below.
  • the propulsion device 100 comprises a support body 110 and a magnetic circuit 120.
  • the support body 110 has a shape of revolution about a longitudinal axis AA’.
  • the body 110 comprises an annular external wall 112, an annular internal wall 113 and a bottom 114 connecting the two walls.
  • the external wall 112 and the internal wall 113 are arranged coaxially about the longitudinal axis AA’.
  • the external and internal walls and the bottom form an annular channel 111.
  • the magnetic circuit 120 is received in the annular channel 111.
  • the propulsion assembly comprises a first end 102 having an annular opening and a second end 103.
  • the propulsion device comprises a propellant gas supply circuit 104 positioned in a lower portion of the support body 110.
  • the gas injection direction is represented by an arrow at the entrance of the circuit in FIG. 2.
  • the propulsion device comprises one or more gas inlet holes 105 formed in the bottom of the annular channel connected to the ionizable gas supply circuit 4.
  • the gas is introduced into the annular channel 111 through the gas supply holes.
  • the propellant gas may be, for example, xenon, argon, krypton capable of being ionized. As an example, in FIG. 2, two supply holes 105 are shown.
  • An outer protective wall 126 and an inner protective wall 127 are arranged in the annular channel 111, respectively facing the annular outer wall 112 and the annular inner wall 113.
  • These protective walls 126 and 127 are typically made of a ceramic material and protect the outer 112 and inner 113 annular walls from erosion.
  • a source of solid propellant material can be used instead of a gas.
  • the gas supply circuit 4 is in this case replaced by a solid propellant placed in or upstream of the acceleration channel.
  • the solid material is heated to directly pass into the vapor phase (by sublimation of the material) so that the particles are then ionized and accelerated in the channel.
  • upstream and downstream is defined relative to the normal flow direction of the gas which is in the same direction as the ejection of the ions, from upstream to downstream through the annular space 140 delimited by the outer 126 and inner 127 protective walls.
  • the term “internal” designates a portion of the device close to the central longitudinal axis AA’ while the term external designates a portion of the device further from the central longitudinal axis AA’.
  • the Hall effect propulsion device also comprises a magnetic circuit 120 configured to generate a radial magnetic field in the annular channel 111, the intensity of which is maximum near the first end of the annular channel, namely at the annular opening of the device 102.
  • the magnetic circuit 120 is formed by a plurality of high positive magnetic susceptibility elements 121A, 12B, 121C, 124A, 124B and a plurality of magnetic field generating magnetic elements 122, 123 arranged in the annular channel 111 and configured to generate the radial magnetic barrier in the annular channel 111.
  • the magnetic elements are concentrically arranged around the longitudinal central axis AA’ to form an annular ionization and acceleration chamber 140 in the annular channel 111 of the support body 110.
  • the high positive magnetic susceptibility elements 121A, 12B, 121C, 124A, 124B and the magnetic field generating magnetic elements 22, 23 are designed to form a magnetic circuit capable of generating the radial magnetic field in the ionization chamber 140, the intensity of which in the axial direction (parallel to AA’) is maximum near the first end 102, at the annular opening.
  • the high positive magnetic susceptibility elements are selected and designed to guide and ensure the continuity of the magnetic field lines.
  • the propulsion device comprises one or more magnetic compensation magnetic elements 130 arranged in the magnetic circuit 120 and configured to compensate for at least a fraction of the residual magnetic moment generated by the magnetic circuit 120.
  • the compensation magnetic elements 130 are positioned in the magnetic circuit 120 such that they are further away from the first end 102 than the magnetic field generating magnetic elements 122, 123. They are positioned near the bottom of the annular channel so as not to affect the magnetic lenses formed at the first end of the device.
  • the magnetic field generating magnetic elements 122, 123 and the magnetic compensation elements 130 may have a continuous annular shape. This continuous annular shape is particularly suitable for a small propulsion device.
  • the magnetic field generating magnetic elements 122, 123 and the magnetic compensation elements 130 are formed by a plurality of discrete magnetic elements positioned circumferentially relative to the longitudinal axis AA’. They are for example in the form of arc segments.
  • the magnetic field generating magnetic elements 122, 123 and the compensating magnetic elements 130 may be magnetic coils. Alternatively, they may be permanent magnets.
  • the magnetic circuit 120 comprises an external part and an internal part.
  • the outer portion comprises three external high positive magnetic susceptibility elements 121A, 121B, 121C, an external magnetic field generating element 122, and a compensating magnetic element 130 arranged against the outer wall of the annular channel 111 which is visible in FIG. 2.
  • the inner portion comprises two internal high positive magnetic susceptibility elements 124A, 124B and an internal magnetic field generating element 123 arranged against the inner wall of the annular channel 111.
  • the compensating magnetic elements 130 are held in position between two external high positive magnetic susceptibility elements 121A, 121C and arranged in the magnetic circuit so as to be further away from the first end 102 forming the ion ejection outlet than the external magnetic field generating element 122.
  • the high positive magnetic susceptibility elements which are for example made of a soft iron material, are naturally attracted to other elements of the magnetic circuit, which are permanent magnets.
  • each permanent magnet comprises an electrical circuit comprising an annular anode 109 located on the bottom of the annular channel and a hollow cathode 108 located at the open upstream end of the channel.
  • the cathode 108 is oriented towards the first end 102 in order to eject electrons towards the main axis AA' and the area located downstream of the first end.
  • the magnetic circuit 220 comprises an external part and an internal part.
  • the external part comprises an upper external element with high positive magnetic susceptibility 221 B, a lower external element with high positive magnetic susceptibility 221 C and an external magnetic field generating element 222 arranged against the external wall of the annular channel 111 which is visible in FIG. 2.
  • the external magnetic field generating element 222 is interposed between the two upper and lower external elements 221 B, 221 C and close to the first end 202 forming the ion ejection outlet.
  • the inner portion comprises an upper internal element with high positive magnetic susceptibility 224B, a lower internal element with high positive magnetic susceptibility 224A and an internal magnetic field generating element 223 arranged against the inner wall of the annular channel 111.
  • the internal magnetic field generating element 223 is interposed between the two upper and lower internal elements 224B, 224A and close to the first end 202 forming the ion ejection outlet.
  • the lower external element with high positive magnetic susceptibility 221C of the outer portion of the magnetic circuit comprises a housing adapted to receive a compensation magnetic element 230.
  • the housing is formed by a continuous groove made in the thickness of the lower external element 221 C.
  • the dimension and the shape of the groove are adapted to receive the magnetic compensation element.
  • the housing is formed of a plurality of grooves made in the thickness of the lower external element 221 C to each receive a discrete magnetic element.
  • the magnetic compensation element 130 is configured to compensate for the residual magnetic moment resulting from all of the magnetic elements forming the magnetic circuit 120 of the propulsion device. [0070]
  • the magnetic compensation element 130 is arranged in the magnetic circuit 120 so as not to disturb the magnetic field lines 106 formed by the magnetic circuit near the first end 102, at the channel outlet. Indeed, and in order to keep the same performances between a compensated and non-compensated magnetic thruster, it is essential to keep similar magnetic topologies with and without magnetic compensation 130.
  • the volume of the magnetic compensation element is determined so that the residual magnetic moment resulting from all of the magnetic elements forming the magnetic circuit 120 of the thruster is at least less than 0.1 Am 2 .
  • the residual (total) magnetic moment is calculated as the integral of the magnetization (the volume density of magnetic moment) in the volume of all the magnetic elements, whether they are sources or conductors of the associated field.
  • a second step E2 the residual magnetic moment is calculated for all the magnetic elements forming the initial magnetic circuit.
  • a third step E3 the total volume of magnet(s) required to compensate for the magnetic moment is estimated.
  • a fourth step E4 the residual (total) magnetic moment is calculated by integrating the magnetic compensation magnet(s) into the initial magnetic circuit.
  • steps E2 to E4 are repeated so that the residual moment of the overall circuit of the thruster is at least less than 0.5 Am 2 and ideally less than 0.1 Am 2 .
  • the compensation magnets can be made of a magnetic material such as neodymium-iron-boron, samarium-cobalt alloys or with hard ferrites called hexaferrites.
  • the magnetic compensation elements being placed near the magnetic elements generating the magnetic field, and in particular in thermal contact via a common part having good thermal conductivity, for example in FIG. 3, via the external element with high positive magnetic susceptibility 121A, they therefore undergo the same thermal operating conditions as the magnetic field generating magnetic elements and their remanence evolves in an identical manner to that of the magnetic field generating magnetic elements, thus making it possible to effectively compensate for the residual magnetic moment of the magnetic circuit, regardless of the temperature of the magnetic field generating magnetic elements. As a result, the compensation of the residual magnetic moment remains optimal regardless of the thermal state of the device.
  • RMM residual magnetic moments
  • the magnetic moment varies from -14 mA.m 2 (for a magnetic circuit and compensation magnets at 20°C), up to +126 mA.m 2 for a magnetic circuit at 200°C and compensation magnets at 20°C.
  • the positive or negative value of the MMR is not necessarily to be considered in the "magnetic compensation" because the sign of the MMR will correspond to the direction of rotation of the satellite (on which the Hall effect thruster is mounted) in orbit around the Earth.
  • the limit value of the MMR depends on the type of mission for which the satellite is intended, but it is generally considered satisfactory to obtain an MMR of less than 100 mA.m 2 in order to limit the effects of the Earth's magnetic field.
  • the calculation steps described above should ideally be carried out taking into consideration the properties of the materials, in particular their magnetic properties, at a temperature typical of the operation of the thruster, so as to minimize the moment residual when the thruster is in operation.
  • the calculation could aim at minimizing the magnetic moment of the thruster when it is not in use, which may represent the greater part of its lifetime. It would also be possible to choose to minimize the residual moment for an intermediate temperature between the operating temperature and the off temperature, so as to minimize the overall disturbance, during the life of the thruster, for example by weighting the temperature by the part of the lifetime spent at said temperature.
  • the technical solution proposed in the present disclosure is particularly suitable for compensating the residual magnetic moment resulting from the magnetic circuit of a Hall effect plasma thruster using permanent magnets.
  • the proposed technical solution can be applied to other types of thrusters, in particular the electrothermal thruster such as the Arc-jets thruster, the magnetoplasmadynamic thruster, the grid thruster, the ECR thruster, the vacuum arc thruster, or Vacuum Arc Thruster in English terminology which is part of the solid storage propulsion systems.

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Abstract

Un dispositif de propulsion à effet Hall (100) comprenant : - un corps de support (110) s'étendant entre une première extrémité (102) et une seconde extrémité (103), ledit corps comportant une paroi externe annulaire (112) et une paroi interne annulaire (113) agencées coaxialement autour d'un axe longitudinal AA' pour former un canal annulaire (111), ladite première extrémité (102) présentant une ouverture annulaire formant une sortie d'ions; - un circuit magnétique (120) agencé dans le canal annulaire (111) et configuré pour générer une barrière magnétique radiale dans le canal annulaire, à proximité de la première extrémité du canal (102); - au moins un élément magnétique de compensation magnétique (130) agencé dans ledit circuit magnétique et configuré pour compenser au moins une fraction d'une valeur absolue du moment magnétique résiduel généré par ledit circuit magnétique (120).

Description

Description
DISPOSITIF DE PROPULSION A EFFET HALL AVEC COMPENSATION MAGNETIQUE
Domaine technique
[0001] La présente divulgation concerne le domaine des dispositifs d’éjection d’ions, notamment pour former des propulseurs plasmiques ou propulseurs électriques.
[0002] La présente divulgation concerne plus particulièrement un dispositif de propulsion plasmique à Effet Hall avec compensation magnétique.
Technique antérieure
[0003] Dans le domaine de la propulsion spatiale, il est bien connu d’utiliser des propulseurs électriques ou plasmiques pour maintenir un satellite en orbite géostationnaire, ou pour déplacer un satellite entre deux orbites, ou pour compenser des forces de traînée sur des satellites placés sur une orbite dite basse, ou encore pour les missions nécessitant des poussées faibles sur des temps très longs lors d’une mission interplanétaire. En effet, les propulseurs plasmiques permettent de générer une impulsion spécifique généralement plus élevée que les propulseurs chimiques, ce qui implique une réduction de la consommation du carburant (aussi appelé ergol) avec pour conséquence une augmentation de la durée de vie et/ou de la charge utile des satellites.
[0004] Il existe plusieurs types de propulseurs plasmiques selon leur mode d’amorçage du plasma et le mode d’accélération du plasma vers la sortie du canal d’éjection. On peut notamment classer les propulseurs plasmiques en trois grandes catégories : les propulseurs électrothermiques, les propulseurs électrostatiques et les propulseurs électromagnétiques.
[0005] Les propulseurs électrothermiques utilisent l’effet Joule pour chauffer le gaz qui est ensuite accéléré. Le propulseur dit « arc-jet » utilise des arcs électriques formés entre une cathode centrale et une anode externe pour chauffer le gaz et créer l’amorçage du plasma. On peut également citer le propulseur à Radio Fréquence (RF) qui appartient à cette catégorie.
[0006] Les propulseurs électromagnétiques utilisent la force de Lorentz pour accélérer le plasma. Dans cette catégorie, on peut citer par exemple le propulseur dit magnétoplasmadynamique qui est constitué d’une source de décharge coaxiale métallique dont le conducteur central est la cathode et le conducteur externe est l’anode. La différence de potentiel appliquée entre l’anode et la cathode permet d’initier un plasma entre ces électrodes. Simultanément, le fort courant les traversant induit un champ magnétique azimutal autour de chaque électrode. Ainsi, le couplage entre le champ électrique radial et le champ magnétique azimutal dans la cavité crée une force de Lorentz qui propulse le plasma axialement vers la sortie.
[0007] Dans la famille de propulseurs électromagnétiques, on peut également citer les propulseurs sans cathode à tuyère magnétique. On peut citer par exemple le propulseur à « résonance gyromagnétique » des électrons libres magnétisés du plasma ou ECR (« Electron Cyclotron Resonance » suivant la dénomination anglo-saxonne). Dans cette famille, le plasma est accéléré par le concept de tuyère magnétique.
[0008] Les propulseurs électrostatiques sont basés sur l’accélération des ions d’un plasma à l’aide d’un gradient de champ électrique vers la sortie du canal d’éjection. Les propulseurs plasmiques dits à effet Hall appartiennent à cette catégorie.
[0009] Tous ces propulseurs utilisent généralement des bobines et/ou des aimants permanents pour produire un champ magnétique qui participe au processus d’accélération en confinant les électrons dans la cavité appelée la chambre d’ionisation.
[0010] A titre d’exemple et en référence à la figure 1 , le fonctionnement et la structure d’un ensemble propulseur plasmique à effet Hall conventionnel 1 est décrit plus en détail ci- dessous.
[0011] L’ ensemble propulseur à effet Hall 1 comprend un circuit magnétique 20 et un corps de support 10.
[0012] Le corps de support 10 présente une forme de révolution autour d’un axe longitudinal AA’. Le corps de support 10 comprend un canal annulaire 11 dans lequel est reçu le circuit magnétique 20. L’ensemble propulseur comprend une première extrémité 2 ayant une ouverture annulaire et une seconde extrémité 3. Les surfaces intérieures du canal annulaire 11 sont pourvues de parois 26, 27 permettant de délimiter physiquement la zone d’ionisation et d’accélération. Les parois sont par exemple réalisées en matériau céramique.
[0013] Le circuit magnétique 20 est formé par des éléments à forte susceptibilité magnétique positive 21 A, 21 B, 24A, 24B et des aimants permanents générateurs de champ magnétique 22, 23 agencés dans le canal annulaire 11 , autour d’un axe central longitudinal AA’ pour former une chambre annulaire d’ionisation et d’accélération 40 dans le canal annulaire 11 .
[0014] Un circuit d’alimentation en gaz propulsif 4 est positionné dans une partie inférieure du corps 10. La direction d’injection du gaz est représentée par une flèche à l’entrée du circuit sur la figure 1. L’ensemble propulseur comprend un ou plusieurs trous d’entrée de gaz formés dans le fond du canal annulaire reliés au circuit d’alimentation en gaz ionisable 4. Le gaz est introduit dans la chambre annulaire d’ionisation et d’accélération 40 à travers les trous d’alimentation en gaz. A titre d’exemple, sur la figure 1 , deux trous d’alimentation 5 sont représentés.
[0015] La polarisation de chaque aimant permanent est choisie de manière à créer des lignes de champ magnétique 6, assurant le confinement des électrons fournis par la cathode 8. Leur configuration géométrique est responsable de l’effet de « lentille magnétique » au niveau de la première extrémité 2 du canal annulaire 11. Cette configuration spécifique des lignes de champ magnétique est désignée par le terme « lentille magnétique » ou « barrière magnétique » qui est essentielle au mode de fonctionnement d’un propulseur à effet Hall et est responsable de l’ionisation des atomes neutres et de l’accélération des ions.
[0016] L’ ensemble propulseur comprend en outre une anode 9 positionnée à l’intérieur du canal annulaire 11 , à proximité du fond du canal. L’anode 9 a généralement une fonction de diffusion du gaz propulsif et peut présenter une structure étagée comme proposé dans le document US10723489B2. Une cathode creuse 8 est située en dehors du canal annulaire 11 , au niveau de la première extrémité aval ouverte 2 du canal 11. La cathode est orientée en direction de la première extrémité ouverte du canal afin d’éjecter des électrons en direction de l’axe principal AA’ et de la zone située en aval de l’extrémité ouverte du canal. Lorsqu’une tension est appliquée entre la cathode et l’anode, la faible conductivité axiale des électrons provoquée par leur confinement dans la « barrière magnétique », génère un champ électrique dans la chambre d’ionisation 40 qui s’étend axialement par rapport l’axe longitudinal AA’.
[0017] Le fonctionnement d’un tel propulseur plasmique à effet Hall est brièvement décrit ci-dessous.
[0018] Les électrons éjectés par la cathode creuse 8 se dirigent en partie vers l’anode 9 et ils sont premièrement piégés et confinés par le champ magnétique radial intense au voisinage de la première extrémité 2 du canal annulaire. Les électrons entrent ensuite en collision avec les atomes ou molécules constituant l’ergol (injecté sous forme gazeuse depuis le fond du canal annulaire) et circulant de l’aval vers l’amont du canal pour atteindre l’anode 9. Ces électrons réalisent ainsi une ionisation partielle ou totale du gaz, et le mélange d’ions et d’électrons constituent alors l’état plasma. D’autre part, les électrons piégés par le champ magnétique créent le champ électrique axial responsable de l’accélération des ions entre l’anode et la sortie du canal, de telle sorte que ces ions sont éjectés à grande vitesse du canal, selon une direction d’éjection principalement parallèle à l’axe longitudinal AA’, générant ainsi une poussée dirigée vers l’amont. La direction d’éjection d’ions est représentée sur la figure 1 par des flèches.
[0019] L’ utilisation de bobines électromagnétiques et/ou d’aimants permanents pour former les circuits magnétiques 20 génèrent un moment magnétique résiduel dans le dispositif de propulsion. Lorsqu’un tel propulseur plasmique est implémenté dans les satellites, le moment magnétique résiduel du propulseur contribue au moment magnétique résiduel global du satellite. Dans le cas où les propulseurs sont destinés à des satellites en orbite terrestre basse (« Low Earth Orbit »), l’interaction entre le champ magnétique terrestre et le moment magnétique résiduel global du satellite est l’une des principales sources de désorientation et de perturbation au bon fonctionnement du satellite.
[0020] Première solution connue consiste à utiliser des dispositifs électromécaniques de stabilisation tels des roues à réaction ou actionneurs gyroscopiques pour réajuster l’attitude du satellite. Ces dispositifs permettent de garder le contrôle de l'orientation du satellite, mais de manière transitoire car il est nécessaire de dissiper l'énergie qu'ils ne font que stocker de manière transitoire. Ils sont aussi une source de consommation électrique. Traditionnellement, un satellite a toujours un dispositif d'orientation magnétique appelé magnéto-coupleur qui consiste en une bobine associée à une alimentation électrique. Ce système est actif seulement quand le satellite est opérationnel, consomme de l'électricité et contribue de manière significative à la masse du satellite. Il faut donc réduire sa taille en limitant les moments magnétiques parasites.
[0021] Une solution consiste en l’utilisation de bobines de génération de champ magnétique qui permettent de compenser le champ magnétique du propulseur et donc de minimiser, voire d’annuler le moment magnétique résiduel. Les documents WO2019229286A1 et US10752385 présentent des exemples de cette solution. Cette solution implique cependant une plus grande complexité dans l'alimentation électrique ainsi qu’une surconsommation électrique.
[0022] De manière générale, l’annulation, ou du moins la minimisation, du moment magnétique résiduel, peut se faire par l’ajout de dispositifs d’écrantage magnétique (blindage) et/ou par l’ajout de dispositifs magnétiques de compensation, qui seront dimensionnés et placés de manière à minimiser le moment magnétique résiduel. De telles solutions sont décrites dans les documents suivants : M de Soria-Santacruz et al., "An Approach to Magnetic Cleanliness for the Psyche Mission," (2020 IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT, USA, 2020, pp. 1-15), Noel Sebastian Janes, " Small Satellite Design for High Sensitivity Magnetic Measurements”, A. Lassakeur and C. Underwood, "Magnetic Cleanliness Program on CubeSats for Improved Attitude Stability," (2019 9th International Conference on Recent Advances in Space Technologies (RAST), Istanbul, Turkey, 2019, pp. 123-129).
[0023] Le document W02021201871A1 décrit un ensemble propulseur à effet Hall qui comprend un propulseur à effet Hall et un ensemble de montage couplé à une extrémité du propulseur à effet Hall. L’ensemble de montage est configuré pour supporter le propulseur à effet Hall et pour fixer le propulseur à effet Hall sur un engin spatial. L’ensemble de montage comprend une pluralité d’éléments magnétiques qui peuvent être des bobines électromagnétiques ou des aimants permanents qui permettent de produire un moment dipolaire magnétique pour atténuer ou réduire le moment magnétique du propulseur à effet Hall. Les éléments magnétiques sont positionnés éloignés du propulseur à effet Hall afin de ne pas perturber le champ magnétique généré par le circuit magnétique à proximité de l’extrémité d’éjection des ions du propulseur.
[0024] Une telle solution n’est pas entièrement satisfaisante. Les aimants qui forment le circuit magnétique du propulseur sont proches de la chambre d’ionisation et subissent ainsi un échauffement important. Les parois formant la chambre d’ionisation peuvent atteindre généralement plus de 300°C, et les aimants plus de 200°C. Les propriétés magnétiques des aimants, en particulier leur rémanence, peuvent changer avec la température. La rémanence et donc le moment magnétique résiduel est différent selon que le propulseur est allumé, donc chaud, ou éteint, donc froid. En outre, cette rémanence peut décroître dans le temps de manière irréversible. Le fait de disposer d’un ou plusieurs aimants de compensation à des emplacements éloignés de la chambre d’ionisation, et donc dans une zone plus froide, ne permet pas de prendre en compte cette dépendance de la rémanence des aimants principaux en température. La compensation produite par les aimants de compensation n’est donc pas parfaite.
[0025] En outre, la compacité d’un tel propulseur à effet Hall n’est pas optimale car il nécessite un ensemble de montage permettant de supporter les aimants de compensation.
[0026] Un but de la présente divulgation est de proposer un propulseur plasmique permettant de surmonter les inconvénients de l’art antérieur et en particulier offrant une solution simple à mettre en oeuvre pour compenser le moment magnétique résiduel résultant du circuit magnétique du propulseur, tout en maintenant une configuration optimale du champ magnétique généré par le circuit magnétique afin de garantir les performances du propulseur et la durée de vie de ce dernier.
Résumé
[0027] La présente divulgation vient améliorer la situation. [0028] Il est proposé un dispositif de propulsion à effet Hall comprenant :
- un corps de support s’étendant entre une première extrémité et une seconde extrémité, ledit corps comportant une paroi externe annulaire et une paroi interne annulaire agencées coaxialement autour d’un axe longitudinal AA’ pour former un canal annulaire, ladite première extrémité présentant une ouverture annulaire formant une sortie d’ions;
- un circuit magnétique agencé dans le canal annulaire et configuré pour générer une barrière magnétique radiale dans le canal annulaire, à proximité de la première extrémité du canal;
- au moins un élément magnétique de compensation magnétique agencé dans ledit circuit magnétique et configuré pour compenser au moins une fraction d’une valeur absolue du moment magnétique résiduel généré par ledit circuit magnétique.
[0029] Selon un mode de réalisation, le circuit magnétique comprend au moins un élément à forte susceptibilité magnétique positive et au moins un élément magnétique générateur de champ magnétique configurés pour générer ladite barrière magnétique radiale, ledit au moins un élément magnétique de compensation étant positionné dans le circuit magnétique de sorte qu’il soit plus éloigné de la première extrémité que ledit au moins un élément magnétique générateur de champ magnétique.
[0030] Selon un mode de réalisation, ledit au moins un élément magnétique de compensation magnétique présente une forme annulaire continue.
[0031] Alternativement, ledit au moins un élément magnétique de compensation magnétique comprend une pluralité d’éléments magnétiques discrets positionnés circonférentiellement par rapport à l’axe longitudinal AA’.
[0032] Selon un autre mode de réalisation, ledit au moins un élément à forte susceptibilité magnétique positive comprend une pluralité d’éléments externes à forte susceptibilité magnétique positive agencés contre la paroi externe annulaire, ledit élément magnétique de compensation magnétique étant maintenu en position entre deux éléments externes à forte susceptibilité magnétique positive.
[0033] Selon encore un autre mode de réalisation, ledit au moins un élément à forte susceptibilité magnétique positive comprend une pluralité d’éléments externes à forte susceptibilité magnétique positive agencés contre la paroi externe annulaire, au moins un élément externe parmi la pluralité d’éléments externes à forte susceptibilité magnétique positive étant muni d’un logement adapté pour recevoir ledit au moins un élément magnétique de compensation. [0034] Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en oeuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinant les unes avec les autres :
[0035] Ledit au moins un élément de compensation magnétique est réalisé en matériau choisi parmi les matériaux suivants : néodyme-fer-bore, samarium-cobalt ou hexaferrites.
[0036] Ledit au moins élément magnétique de compensation se présente sous la forme d’une bobine magnétique ou d’un aimant permanent.
[0037] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un circuit d’alimentation de gaz configuré pour injecter un gaz ionisable dans le canal annulaire.
[0038] Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un circuit électrique configuré pour générer un champ électrique dans une partie du canal annulaire, ledit circuit électrique comprenant une anode annulaire agencée à l’intérieur du canal annulaire et au moins une cathode agencée en dehors du canal annulaire, à proximité de la première extrémité du canal annulaire.
[0039] De préférence, ledit au moins un élément magnétique de compensation magnétique est configuré de sorte que la valeur absolue du moment magnétique résiduel du circuit est au moins inférieure à 0,1 A.m2 sur une plage de température comprise entre 50 °C et 250 °C.
Brève description des dessins
[0040] D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Fig. 1
[0041] [Fig. 1] La figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d’un propulseur plasmique à effet Hall selon l’art antérieur.
Fig. 2
[0042] [Fig. 2] La figure 2 représente schématiquement une vue en coupe d’un ensemble propulseur plasmique à effet Hall selon un mode de réalisation.
Fig. 3
[0043] [Fig. 3] La figure 3 représente schématiquement une vue en coupe du circuit magnétique du dispositif de propulsion plasmique à effet Hall sans le corps de support de la figure 2. Fig. 4
[0044] [Fig. 4] La figure 4 représente schématiquement une vue en coupe du circuit magnétique du dispositif de propulsion plasmique à effet Hall selon un autre mode de réalisation sans le corps de support de la figure 2.
Description des modes de réalisation
[0045] On décrira ci-après un dispositif d’éjection d’ions à effet Hall selon un mode de réalisation appliqué à un propulseur plasmique à effet Hall.
[0046] En référence à la figure 2 et à la figure 3, le dispositif de propulsion à effet Hall 100 selon un mode de réalisation est décrit ci-dessous.
[0047] Le dispositif de propulsion 100 comprend un corps de support 110 et un circuit magnétique 120.
[0048] Le corps de support 110 présente une forme de révolution autour d’un axe longitudinal AA’. Le corps 110 comprend une paroi externe annulaire 112, une paroi interne annulaire 113 et un fond 114 reliant les deux parois. La paroi externe 112 et la paroi interne 113 sont agencées coaxialement autour de l’axe longitudinal AA’. Les parois externe et interne et le fond forment un canal annulaire 111. Le circuit magnétique 120 est reçu dans le canal annulaire 111.
[0049] L’ ensemble propulseur comprend une première extrémité 102 ayant une ouverture annulaire et une seconde extrémité 103.
[0050] Le dispositif de propulsion comprend un circuit d’alimentation en gaz propulsif 104 positionné dans une partie inférieure du corps de support 110. La direction d’injection du gaz est représentée par une flèche à l’entrée du circuit sur la figure 2. Le dispositif de propulsion comprend un ou plusieurs trous d’entrée de gaz 105 formés dans le fond du canal annulaire reliés au circuit d’alimentation en gaz ionisable 4. Le gaz est introduit dans le canal annulaire 111 à travers les trous d’alimentation en gaz. Le gaz propulsif peut être par exemple du xénon, argon, krypton apte à être ionisé. A titre d’exemple, sur la figure 2, deux trous d’alimentation 105 sont représentés.
[0051] Une paroi protectrice extérieure 126 et une paroi protectrice intérieure 127 sont disposées dans le canal annulaire 111 , respectivement face à la paroi externe annulaire 112 et à la paroi interne annulaire 113. Ces parois protectrices 126 et 127 sont typiquement réalisées dans un matériau céramique et protègent les parois annulaires externe 112 et interne 113 de l’érosion.
[0052] Selon un autre mode de réalisation, une source de matière propulsive solide peut être utilisée au lieu d’un gaz. Le circuit d’alimentation en gaz 4 est dans ce cas remplacé par un ergol solide placé dans ou en amont du canal d’accélération. La matière solide est chauffée pour directement passer en phase vapeur (par sublimation du matériau) afin que les particules soient ensuite ionisées et accélérées dans le canal.
[0053] Au sens de la présente divulgation, le terme « amont » et « aval » est défini par rapport au sens d’écoulement normal du gaz qui est dans le même sens que l’éjection des ions, de l’amont vers l’aval à travers l’espace annulaire 140 délimité par les parois protectrices extérieure 126 et intérieure 127.
[0054] Au sens de la présente divulgation, le terme « interne » désigne une partie du dispositif proche de l’axe longitudinal central AA’ tandis que le terme externe désigne une partie du dispositif plus éloignée de l’axe longitudinal central AA’.
[0055] Le dispositif de propulsion à effet Hall comprend également un circuit magnétique 120 configuré pour générer un champ magnétique radial dans le canal annulaire 111 , dont l’intensité est maximale à proximité de la première extrémité du canal annulaire, à savoir au niveau de l’ouverture annulaire du dispositif 102.
[0056] Le circuit magnétique 120 est formé par une pluralité d’éléments à forte susceptibilité magnétique positive 121A, 12B, 121 C, 124A, 124B et une pluralité d’éléments magnétiques générateurs de champ magnétique 122, 123 agencés dans le canal annulaire 111 et configurés pour générer la barrière magnétique radiale dans le canal annulaire 111. Les éléments magnétiques sont agencés de manière concentrique autour de l’axe central longitudinal AA’ pour former une chambre annulaire d’ionisation et d’accélération 140 dans le canal annulaire 111 du corps de support 110.
[0057] Les éléments à forte susceptibilité magnétique positive 121A, 12B, 121 C, 124A, 124B et les éléments magnétiques générateurs de champ magnétique 22, 23 sont conçus pour former un circuit magnétique apte à générer le champ magnétique radial dans la chambre d’ionisation 140, dont l’intensité dans la direction axiale (parallèle à AA’) est maximale à proximité de la première extrémité 102, au niveau de l’ouverture annulaire. Les éléments à forte susceptibilité magnétique positive sont sélectionnés et conçus pour guider et assurer la continuité des lignes de champ magnétique.
[0058] Le dispositif de propulsion comprend un ou plusieurs éléments magnétiques de compensation magnétique 130 agencé(s) dans le circuit magnétique 120 et conçu(s) pour compenser au moins une fraction du moment magnétique résiduel généré par le circuit magnétique 120. Les éléments magnétiques de compensation 130 sont positionnés dans le circuit magnétique 120 de sorte qu’ils soient plus éloignés de la première extrémité 102 que les éléments magnétiques générateur de champ magnétique 122, 123. Ils sont positionnés à proximité du fond du canal annulaire de manière à ne pas affecter les lentilles magnétiques formées au niveau de la première extrémité du dispositif.
[0059] Selon un mode de réalisation, les éléments magnétiques générateurs de champ magnétique 122, 123 et les éléments magnétiques de compensation 130 peuvent présenter une forme annulaire continue. Cette forme continue annulaire est particulièrement adaptée pour un dispositif de propulsion de petite taille.
[0060] Selon un autre mode de réalisation, les éléments magnétiques générateurs de champ magnétique 122, 123 et les éléments magnétiques de compensation 130 sont formés par une pluralité d’éléments magnétiques discrets positionnés circonférentiellement par rapport à l’axe longitudinal AA’. Ils se présentent par exemple sous la forme de segments d’arc.
[0061] L’ utilisation d’éléments magnétiques de compensation discrets permet d’ajuster plus facilement le volume des aimants de compensation nécessaire pour compenser le moment magnétique résiduel. Ils sont plus adaptés pour un dispositif de propulsion de grande taille.
[0062] Les éléments magnétiques générateurs de champ magnétique 122, 123 et les éléments magnétiques de compensation 130 peuvent être des bobines magnétiques. Alternativement, ils peuvent être des aimants permanents.
[0063] Selon un exemple de réalisation tel qu’illustré sur la figure 3, le circuit magnétique 120 comprend une partie externe et une partie interne. La partie externe comprend trois éléments externes à forte susceptibilité magnétique positive 121A, 121 B, 121 C, un élément générateur de champ magnétique externe 122, et un élément magnétique de compensation 130 agencés contre la paroi externe du canal annulaire 111 qui est visible sur la figure 2. La partie interne comprend deux éléments internes à forte susceptibilité magnétique positive 124A, 124B et un élément générateur de champ magnétique interne 123 agencés contre la paroi interne du canal annulaire 111. Les éléments magnétiques de compensation 130 sont maintenus en position entre deux éléments externes à forte susceptibilité magnétique positive 121A, 121 C et agencés dans le circuit magnétique de manière à être plus éloigné de la première extrémité 102 formant la sortie d’éjection d’ions que l’élément générateur de champ magnétique externe 122. Les éléments à forte susceptibilité magnétique positive qui sont par exemple réalisés dans un matériau en fer doux, s’attirent naturellement aux autres éléments du circuit magnétiques que sont les aimants permanents.
[0064] La polarisation de chaque aimant permanent est choisie de manière à créer des lignes de champ magnétique 106, assurant le confinement des électrons fournis par la cathode 108 dans la barrière magnétique 106 ou « lentille magnétique » produite au niveau de la première extrémité du canal annulaire, comme illustré sur la figure 3. [0065] Selon un exemple de réalisation, le propulseur comprend un circuit électrique comportant une anode annulaire 109 située sur le fond du canal annulaire et une cathode 108 creuse située à l’extrémité amont ouverte du canal. La cathode 108 est orientée en direction de la première extrémité 102 afin d’éjecter des électrons en direction de l’axe principal AA’ et de la zone située en aval de la première extrémité. Lorsqu’une tension est appliquée entre la cathode et l’anode, un champ électrique est généré dans la chambre d’ionisation 140 et s’étend axialement par rapport l’axe longitudinal AA’.
[0066] Selon un autre exemple de réalisation du circuit magnétique et en référence à la figure 4, le circuit magnétique 220 comprend une partie externe et une partie interne. La partie externe comprend un élément externe supérieur à forte susceptibilité magnétique positive 221 B, un élément externe inférieur à forte susceptibilité magnétique positive 221 C et un élément générateur de champ magnétique externe 222 agencés contre la paroi externe du canal annulaire 111 qui est visible sur la figure 2. L’élément générateur de champ magnétique externe 222 est interposé entre les deux éléments externes supérieur et inférieur 221 B, 221 C et proche de la première extrémité 202 formant la sortie d’éjection d’ions. La partie interne comprend un élément interne supérieur à forte susceptibilité magnétique positive 224B, un élément interne inférieur à forte susceptibilité magnétique positive 224A et un élément générateur de champ magnétique interne 223 agencés contre la paroi interne du canal annulaire 111. L’élément générateur de champ magnétique interne 223 est interposé entre les deux éléments internes supérieur et inférieur 224B, 224A et proche de la première extrémité 202 formant la sortie d’éjection d’ions. L’élément externe inférieur à forte susceptibilité magnétique positive 221 C de la partie externe du circuit magnétique comprend un logement adapté pour recevoir un élément magnétique de compensation 230.
[0067] Dans le cas où l’élément magnétique de compensation 230 présente une forme continue annulaire autour de l’axe longitudinal AA’, le logement est formé par une gorge continue réalisée dans l’épaisseur de l’élément externe inférieur 221 C. La dimension et la forme de la gorge sont adaptées pour recevoir l’élément magnétique de compensation.
[0068] Dans le cas où l’élément magnétique de compensation 230 est formé d’une pluralité d’éléments magnétiques discrets positionnés circonférentiellement par rapport à l’axe longitudinal AA’, le logement est formé d’une pluralité de gorges réalisées dans l’épaisseur de l’élément externe inférieur 221 C pour recevoir chacune un élément magnétique discret.
[0069] Selon la présente divulgation, l’élément de compensation magnétique 130 est configuré pour compenser le moment magnétique résiduel résultant de l’ensemble des éléments magnétiques formant le circuit magnétique 120 du dispositif de propulsion. [0070] L’ élément de compensation magnétique 130 est agencé dans le circuit magnétique 120 de manière à ne pas perturber les lignes de champ magnétique 106 formées par le circuit magnétique à proximité de la première extrémité 102, au niveau de la sortie du canal. En effet et afin de garder les mêmes performances entre un propulseur magnétique compensé et non compensé, il est essentiel de garder des topologies magnétiques similaires avec et sans compensation magnétique 130.
[0071] Le volume de l’élément de compensation magnétique est déterminé de sorte que le moment magnétique résiduel résultant de l’ensemble des éléments magnétiques formant le circuit magnétique 120 du propulseur soit au moins inférieur à 0.1 A.m2.
[0072] Le procédé de calcul du volume de l’ensemble des aimants de compensation est décrit ci-dessous.
[0073] Dans une première étape E1 , le moment magnétique résiduel (total) est calculé comme l’intégrale de l’aimantation (la densité volumique de moment magnétique) dans le volume de l’ensemble des éléments magnétiques, qu’ils soient sources ou conducteurs du champ associé.
[0074] Dans une deuxième étape E2, le moment magnétique résiduel est calculé pour l’ensemble des éléments magnétiques formant le circuit magnétique initial.
[0075] Dans une troisième étape E3, le volume total d’aimant(s) nécessaire(s) à la compensation du moment magnétique est estimé.
[0076] Dans une quatrième étape E4, le moment magnétique résiduel (total) est calculé en intégrant le(s) aimant(s) de compensation magnétique dans le circuit magnétique initial.
[0077] Dans une cinquième étape E5, les étapes E2 à E4 sont répétées de sorte que le moment résiduel du circuit global du propulseur soit au moins inférieur à 0.5 A.m2 et idéalement inférieur à 0.1 A.m2.
[0078] Selon une forme de réalisation, les aimants de compensation peuvent être réalisés dans un matériau magnétique tel que les alliages néodyme-fer-bore, samarium-cobalt ou avec des ferrites durs dits hexaferrites.
[0079] Le fait d’intégrer directement l’élément magnétique de compensation dans le circuit magnétique a permis d’améliorer la compacité du dispositif de propulsion à effet Hall par rapport aux solutions connues.
[0080] Les éléments magnétiques de compensation étant placés à proximité des éléments magnétiques générateurs de champ magnétique, et en particulier en contact thermique via une pièce commune ayant une bonne conductivité thermique, par exemple sur la figure 3, via l’élément à forte susceptibilité magnétique positive externe 121A, ils subissent donc les mêmes conditions thermiques de fonctionnement que les éléments magnétiques générateurs de champ magnétique et leur rémanence évolue de manière identique à celle des éléments magnétiques générateur de champ magnétique, permettant ainsi de compenser efficacement le moment magnétique résiduel du circuit magnétique, quelle que soit la température des éléments magnétiques générateurs de champ magnétique. De ce fait, la compensation du moment magnétique résiduel reste optimale quel que soit l’état thermique du dispositif.
[0081] À titre d’exemple, des calculs de moments magnétiques résiduels (MMR) ont été réalisés pour deux conditions thermiques et dans deux situations magnétiques (avec une compensation magnétique externe ou incluse au circuit magnétique, tel que décrit précédemment).
[0082] Dans une première situation avec une compensation magnétique externe (et donc avec des températures différentes entre le circuit magnétique et le(s) aimant(s) de compensation), le moment magnétique évolue de -14 mA.m2 (pour un circuit magnétique et des aimants de compensation à 20°C), jusqu’à +126 mA.m2 pour un circuit magnétique à 200°C et des aimants de compensation à 20°C.
[0083] Dans une seconde situation avec une compensation magnétique incluse au circuit magnétique (et donc des températures similaires entre le circuit magnétique et le(s) aimant(s) de compensation), le moment magnétique évolue de -1 mA.m2 (pour l’ensemble des éléments magnétiques à 20°C) à -28 mA.m2 (pour l’ensemble des éléments magnétique à 200°C).
[0084] A noter que la valeur positive ou négative du MMR n’est pas nécessairement à considérer dans la « compensation magnétique » car le signe du MMR correspondra au sens de rotation du satellite (sur lequel est monté le propulseur à effet Hall) en orbite autour de la terre. De manière générale, la valeur limite du MMR dépend du type de mission pour lequel le satellite est destiné, mais il est généralement considéré comme étant satisfaisant d’obtenir un MMR inférieur à 100 mA.m2 afin de limiter les effets du champ magnétique terrestre. En comparant ces deux cas, on remarque que la compensation ne pourra pas être aussi optimale que si tous les éléments magnétiques du propulseur sont dans les mêmes conditions thermiques.
[0085] Si les éléments magnétiques de compensation opèrent à des conditions de températures différentes des éléments magnétiques générateurs de champ magnétique, les étapes de calcul précédemment décrite doivent idéalement être réalisées en prenant en considération les propriétés des matériaux, notamment leurs propriétés magnétiques, à une température typique d’un fonctionnement du propulseur, de manière à minimiser le moment résiduel lorsque le propulseur sera en opération. Alternativement, le calcul pourrait avoir pour objectif la minimisation du moment magnétique du propulseur lorsqu’il n’est pas en utilisation, ce qui peut représenter la plus grande part de sa durée de vie. Il serait également possible de choisir de minimiser le moment résiduel pour une température intermédiaire entre la température en fonctionnement et la température à l’arrêt, de manière à minimiser la perturbation globale, durant la vie du propulseur, par exemple en pondérant la température par la part de temps de vie passé à ladite température.
[0086] Lors de l’implémentation d’un tel propulseur dans les satellites, il n’est plus nécessaire de calculer le moment magnétique résiduel en incluant le circuit magnétique du propulseur, permettant ainsi de simplifier le processus d’implémentation du propulseur dans le satellite. Le propulseur est auto-compensé. Le moment magnétique résiduel du satellite peut donc être calculé et compensé indépendamment du choix et de la position du propulseur et avant l'installation du dispositif de propulsion.
[0087] La solution technique proposée dans la présente divulgation est particulièrement adaptée pour compenser le moment magnétique résiduel résultant du circuit magnétique d’un propulseur plasmique à effet Hall utilisant des aimants permanents. Toutefois, la solution technique proposée peut être appliquée à d’autres types de propulseurs, notamment le propulseur électrothermique tel que le propulseur Arc-jets, le propulseur magnétoplasmadynamique, le propulseur à grilles, le propulseur ECR, le propulseur à arc sous vide, ou Vacuum Arc Thruster en terminologie anglaise qui fait partie des systèmes de propulsion à stockage solide.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1] Dispositif de propulsion à effet Hall (100) comprenant :
- un corps de support (110) s’étendant entre une première extrémité (102) et une seconde extrémité (103), ledit corps comportant une paroi externe annulaire (112) et une paroi interne annulaire (113) agencées coaxialement autour d’un axe longitudinal AA’ pour former un canal annulaire (111 ), ladite première extrémité (102) présentant une ouverture annulaire formant une sortie d’ions;
- un circuit magnétique (120) agencé dans le canal annulaire (111 ) et configuré pour générer une barrière magnétique radiale dans le canal annulaire, à proximité de la première extrémité du canal (102);
- au moins un élément magnétique de compensation magnétique (130) agencé dans ledit circuit magnétique et configuré pour compenser au moins une fraction d’une valeur absolue du moment magnétique résiduel généré par ledit circuit magnétique (120).
[Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le circuit magnétique (120) comprend au moins un élément à forte susceptibilité magnétique positive (121 A, 121 B, 121 C, 124A, 124B) et au moins un élément magnétique générateur de champ magnétique (122, 123) configurés pour générer ladite barrière magnétique radiale, ledit au moins un élément magnétique de compensation (130) étant positionné dans le circuit magnétique (120) de sorte qu’il soit plus éloigné de la première extrémité (102) que ledit au moins un élément magnétique générateur de champ magnétique (122, 123).
[Revendication 3] Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit au moins un élément magnétique de compensation magnétique (130) présente une forme annulaire continue.
[Revendication 4] Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans ledit au moins un élément magnétique de compensation magnétique (130) comprend une pluralité d’éléments magnétiques discrets positionnés circonférentiellement par rapport à l’axe longitudinal AA’.
[Revendication 5] Dispositif selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel ledit au moins un élément à forte susceptibilité magnétique positive comprend une pluralité d’éléments externes à forte susceptibilité magnétique positive (121 A, 121 B, 121 C) agencés contre la paroi externe annulaire (112), ledit élément magnétique de compensation magnétique (130) étant maintenu en position entre deux éléments externes à forte susceptibilité magnétique positive (121 A, 121 C).
[Revendication 6] Dispositif selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel ledit au moins un élément à forte susceptibilité magnétique positive comprend une pluralité d’éléments externes à forte susceptibilité magnétique positive (221 C, 221 B) agencés contre la paroi externe annulaire, au moins un élément externe (221 C) parmi la pluralité d’éléments externes à forte susceptibilité magnétique positive étant muni d’un logement adapté pour recevoir ledit au moins un élément magnétique de compensation (230).
[Revendication 7] Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel ledit au moins un élément de compensation magnétique est réalisé en matériau choisi parmi les matériaux suivants : néodyme-fer-bore, samarium-cobalt ou hexaferrites.
[Revendication 8] Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel ledit au moins élément magnétique de compensation (130) se présente sous la forme d’une bobine magnétique ou d’un aimant permanent.
[Revendication 9] Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant en outre un circuit d’alimentation de gaz (104) configuré pour injecter un gaz ionisable dans le canal annulaire (111 ).
[Revendication 10] Dispositif selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant en outre un circuit électrique configuré pour générer un champ électrique dans une partie du canal annulaire (111 ), ledit circuit électrique comprenant une anode annulaire (109) agencée à l’intérieur du canal annulaire et au moins une cathode (108) agencée en dehors du canal annulaire, à proximité de la première extrémité du canal annulaire (102).
[Revendication 11] Dispositif selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel ledit au moins un élément magnétique de compensation magnétique (130) est configuré de sorte que la valeur absolue du moment magnétique résiduel du circuit est au moins inférieure à 0,1 A.m2 sur une plage de température comprise entre 50 °C et 250 °C.
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