L'invention concerne un moteur du type propulseur plasmique à effet Hall comprenant un canal de décharge annulaire (formant un canal principal d'ionisation et d'accélération) autour d'un axe principal présentant une extrémité aval ouverte et qui est délimité entre une paroi interne et une paroi externe, au moins une cathode, un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal, une canalisation pour alimenter en gaz ionisable le canal, une anode et un distributeur placés dans l'extrémité amont du canal, ledit distributeur étant relié à la canalisation et permettant au gaz ionisable de s'écouler dans la zone d'ionisation du canal de façon concentrique autour de l'axe principal.

Ce type de moteur est encore appelé moteur à plasma à dérive fermée d'électrons ou moteurs à plasma stationnaire.

L'invention concerne en particulier les propulseurs à plasma à effet Hall utilisés pour la propulsion électrique spatiale, en particulier pour la propulsion de satellites, tels que des satellites géostationnaires de télécommunication. Grâce à leur haute impulsion spécifique (de 1500 à 6000s), ils permettent des gains de masse considérables sur les satellites par rapport à des moteurs utilisant la propulsion chimique.

L'une des applications typique de ce type de moteur correspond au contrôle nord/sud des satellites géostationnaires, pour lesquels on obtient des gains de masse de 10 à 15%. Ce type de moteur est également utilisé en propulsion primaire interplanétaire, en compensation de traînée d'orbite basse, en maintien d'orbite héliosynchrone, en transfert d'orbites et en désorbitation de fin de vie. Il peut être utilisé occasionnellement, éventuellement en combinant propulsion électrique et chimique, pour éviter une collision avec un débris ou pour compenser une défaillance lors de la mise sur une orbite de transfert.

Les figures 1 à 4 se rapportent à un propulseur à effet Hall 10 de l'art antérieur. Sur la figure 1, le propulseur à effet hall 10 est représenté de façon schématique. Un bobinage magnétique central 12 entoure un noyau central 14 s'étendant selon l'axe principal longitudinal A. Une paroi interne 16 annulaire encercle le bobinage central 12. Cette paroi interne 16 est entourée par une paroi externe annulaire 18, la paroi interne 16 et la paroi externe 18 délimitant entre elles le canal de décharge annulaire 20 s'étendant autour de l'axe principal A. Dans la suite de la description, le terme « interne » désigne une partie proche de l'axe principal A tandis que le terme « externe » désigne une partie éloignée de l'axe principal A. Egalement, Γ « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz (de l'amont vers l'aval) à travers le canal de décharge 20.

Habituellement, la paroi interne 16 et la paroi externe 18 font partie d'une unique pièce en céramique 19, cette céramique étant isolante et homogène, notamment réalisée à base de nitrure de bore et de silice (BNSi0 ₂ ). Les céramiques à base de nitrure de bore permettent aux propulseurs à effet Hall d'atteindre des performances élevées en termes de rendement, mais présentent toutefois des taux d'érosion élevée sous bombardement ionique, ce qui limite la durée de vie des propulseurs.

L'extrémité amont 20a du canal de décharge 20 (à gauche sur la figure 1) est refermée par un système d'injection 22 composé d'une canalisation 24 d'amenée du gaz ionisable (en général du xénon), la canalisation 24 étant reliée par un trou d'alimentation 25 à une anode 26 servant de distributeur pour l'injection des molécules de gaz dans le canal de décharge 20. Au niveau de l'anode 26, les molécules de gaz passe d'un parcours tubulaire en provenance de la canalisation 24 à une injection selon une section annulaire dans l'extrémité amont 20a du canal de décharge 20 qui appartient à la zone d'ionisation 28.

L'extrémité aval 20b du canal de décharge 20 est ouverte (à droite sur la figure 1).

Plusieurs bobinages magnétiques périphériques 30 présentant un axe parallèle à l'axe principal A sont disposés tout autour de la paroi externe 18. Le bobinage magnétique central 12 et les bobinages magnétiques périphériques 30 permettent de générer un champ magnétique radial B dont l'intensité est maximale au niveau de l'extrémité aval 20b du canal de décharge 20.

Une cathode creuse 40 est disposée à l'extérieur des bobinages périphériques 30, sa sortie étant orientée afin d'éjecter des électrons en direction de l'axe principal A et de la zone située en aval de l'extrémité aval 20b du canal de décharge 20. Il est établi une différence de potentiel entre la cathode 40 et l'anode 26.

Les électrons ainsi éjectés sont en partie dirigés à l'intérieur du canal de décharge 20. Certains de ces électrons parviennent, sous l'influence du champ électrique généré entre la cathode 40 et l'anode 26, jusqu'à l'anode 26 tandis que la majorité d'entre eux se retrouve piégés par le champ magnétique B intense au voisinage de l'extrémité aval 20b du canal de décharge 20.

Ces électrons entrant en collision avec des molécules de gaz circulant de l'amont vers l'aval dans le canal de décharge 20, ils réalisent une ionisation de ces molécules de gaz.

Par ailleurs, ces électrons présents dans le canal de décharge 20 créent un champ électrique E axial, ce qui accélère les ions entre l'anode 26 et la sortie (l'extrémité aval 20b) du canal de décharge 20, de telle sorte que ces ions sont éjectés à grande vitesse du canal de décharge 20, ce qui engendre la propulsion du moteur.

Comme il est représenté sur les figures 2 à 4, en présence du champ magnétique radial B (lignes de champ 42) la trajectoire des ions n'est pas parallèle à l'axe principal A du propulseur correspondant à la direction de poussée, mais elle subit une déflection angulaire. En pratique, l'angle a formé entre le jet d'ions (trajectoire 44 sur les figures 2 à 4) et l'axe principal A est de l'ordre de 6°.

Sur les figures 3 et 4, est illustrée la déviation de la trajectoire 44 des ions depuis un cercle 46 centré dans le canal de décharge 20. Cette déviation angulaire de la trajectoire des ions tend à déformer le déplacement laminaire souhaité en un mouvement légèrement tourbillonnaire centré autour de l'axe principal A.

Cette déflection est partiellement à l'origine de la divergence constatée sur les propulseurs plasmiques à effet Hall actuels.

En effet, la déflection du gaz ionisé par le champ magnétique radial B engendre un couple mécanique parasite dans la recherche de l'obtention de la poussée optimale du propulseur.

La présente invention a pour objectif de fournir un propulseur plasmique à effet Hall permettant de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et en particulier offrant la possibilité de maîtriser, en la modifiant, la déviation angulaire ou déflection créée sur les ions par le champ magnétique radial en sortie du canal de décharge 20.

Plus précisément, la présente invention a pour objectif de compenser en tout ou partie ou bien d'accentuer cette déflection. Ainsi, par exemple, une compensation totale de la déflection permettrait d'annuler la composante radiale du mouvement des ions à la sortie du canal de décharge.

A cet effet, selon la présente invention, le propulseur plasmique à effet Hall est caractérisé en ce que l'anode sert de distributeur et en ce que le distributeur comporte des moyens directionnels qui engendrent à la sortie du distributeur un mouvement tourbillonnaire du gaz autour de l'axe principal.

De cette manière, on comprend que par la présence de ces moyens directionnels, le mouvement tourbillonnaire des molécules de gaz engendré dès la sortie du distributeur est susceptible de compenser la déviation angulaire de la trajectoire des ions engendrée par le champ magnétique radial à l'extrémité aval du canal de décharge.

En effet, d'une manière générale selon l'invention, on créé un mouvement tourbillonnaire à l'extrémité amont du canal de décharge, qui vient se superposer à celui engendré par le champ magnétique radial à l'extrémité aval du canal de décharge.

Cette superposition des deux mouvements tourbillonnaires permet de faire varier et de contrôler la déflection subie par les ions du fait du champ magnétique radial présent à l'extrémité aval du canal de décharge, en accentuant, en diminuant ou en compensant totalement cette déflection.

Globalement, grâce à la solution selon la présente invention, le couple mécanique généré par la vitesse angulaire du gaz neutre du fait de la présence des moyens directionnels, permet de tenir compte de la déflection subie par les ions du fait du champ magnétique radial présent à l'extrémité aval du canal de décharge.

Selon une disposition préférentielle, les moyens directionnels comportent une série d'orifices d'échappement débouchant à la sortie de l'anode à proximité de la zone d'ionisation du canal en formant, en projection dans un plan transversal audit axe principal, un premier angle β non nul avec la direction radiale de façon à orienter l'écoulement du gaz selon ledit mouvement tourbillonnaire.

On comprend que grâce à l'angle non nul formé par la sortie des orifices d'échappement, chaque jet de gaz sortant du distributeur présente une trajectoire avec une composante tangentielle orthogonale à la direction radiale, ce par quoi l'ensemble des jets de gaz sortant de l'anode crée un couple mécanique susceptible de s'ajouter ou de s'opposer au couple mécanique engendré à l'extrémité aval du canal de décharge par les ions subissant la déviation angulaire induite par le champ magnétique radial.

De préférence, le premier angle β formé entre la projection dans un plan transversal audit axe principal de la sortie des orifices d'échappement et la direction radiale est compris entre 20 et 70°, avantageusement entre 35 et 55° et il est notamment égal à 45°.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1, déjà décrite, est une vue schématique en coupe d'un propulseur plasmique à effet Hall de l'art antérieur,

- la figure 2, déjà décrite, représente le détail II de la figure 1, - la figure 3, déjà décrite, est une vue en perspective et en coupe longitudinale du canal de décharge représentant la déviation angulaire de la trajectoire du gaz dans le cas d'un propulseur plasmique de l'art antérieur,

- la figure 4 est une vue en section depuis la direction IV de la figure 3,

- la figure 5 est une vue en perspective et en coupe longitudinale du canal de décharge d'un propulseur plasmique à effet Hall selon l'invention,

- la figure 6 représente en perspective et en coupe transversale l'anode du propulseur plasmique à effet Hall selon l'invention,

- la figure 7 est une vue agrandie en coupe de la section radiale de l'anode de la figure 4,

- les figures 8 à 11 illustrent l'anode de la figure 7, en coupe transversale respectivement selon les directions VIII-VIII, IX-IX, X-X et XI- XI de la figure 7,

- la figure 12 est une vue analogue à celle de la figure 7 pour une première variante de réalisation de l'anode, et

- la figure 13 est une vue analogue à celle de la figure 7 pour une deuxième variante de réalisation de l'anode.

On décrit maintenant en relation avec les figures 5 à 11 un mode de réalisation préférentiel. L'anode 50 de l'invention constitue également le distributeur et à cet effet, délimite, avec la paroi interne 16 et la paroi externe 18 de la pièce en céramique 19, d'aval en amont, une chambre de décharge annulaire 52 débouchant dans la zone d'ionisation 28 du canal 20 et une chambre intermédiaire annulaire 54 dont un tronçon au moins est disposé de façon concentrique par rapport à la chambre de décharge 52. Des orifices d'échappement 53 relient ladite chambre intermédiaire 54 à ladite chambre de décharge 52.

Ces orifices d'échappement 53 sont de préférence rectilignes. De par le premier angle β non nul formé (voir la figure 9) entre la direction radiale et la projection transversale de ces orifices d'échappement 53, on engendre à la sortie de l'anode un mouvement tourbillonnaire.

De préférence, l'anode 50 formant le distributeur comporte au moins quatre orifices d'échappement 53 répartis angulairement de façon régulière autour de l'axe principal A.

Dans le cas du mode de réalisation illustré, on utilise seize orifices d'échappement 53 répartis de manière régulière autour de l'axe principal A selon une symétrie circulaire (voir la figure 9). Cette injection non purement radiale du gaz à la sortie de l'anode génère un couple mécanique qui va s'ajouter à ou compenser (cas de la figure 9) le couple mécanique engendré à l'extrémité aval du canal de décharge par les ions subissant la déviation angulaire induite par le champ magnétique radial B.

Les orifices d'échappement 53 du mode de réalisation illustré (voir les figures 7 et 9) sont rectilignes et parallèle à un plan transversal orthogonal avec l'axe principal A, en formant dans ce plan transversal, un premier angle β de 45° avec la direction radiale. D'autres variantes sont bien entendu possibles, que ce soit au niveau de la valeur du premier angle β (compris entre 0 et 90°), que sur l'inclinaison éventuelle par rapport à un plan transversal (dans certains cas, le plan d'injection est non orthogonal à l'axe de poussée ou axe principal A).

A la sortie des orifices d'échappement 53, la circulation de gaz dans la chambre de décharge 52 située juste en amont de la zone d'ionisation 28, se fait normalement en moléculaire libre.

L'anode 50 formant le distributeur délimite en outre (voir les figures 5, 6 et 7) , avec les parois interne 16 et externe 18 de la pièce en céramique 19, en amont de la chambre intermédiaire 54, une chambre de répartition annulaire 56 reliée d'une part à la canalisation 24 et d'autre part à la chambre intermédiaire 54 par une série d'orifices d'écoulement 55.

Comme on le voit sur les figures 7 et 10, les orifices d'écoulement 55 forment, à leur sortie, en projection dans un plan transversal audit axe principal A, un deuxième angle γ non nul avec la direction radiale de façon à orienter l'écoulement du gaz selon un mouvement tourbillonnaire.

De préférence, le deuxième angle γ, formé entre la projection dans un plan transversal audit axe principal A de la sortie des orifices d'écoulement 55 et la direction radiale, est compris entre 20 et 70°, avantageusement entre 35 et 55° et il est notamment égal à 45°.

De préférence, ce deuxième angle γ est orienté à l'opposé du premier angle β par rapport à la direction radiale (sur les figures 7, 9 et 10, le premier angle β est de +45° tandis que le deuxième angle γ est de -45°).

Ces orifices d'écoulement 55 sont de préférence rectilignes.

De par le deuxième angle γ non nul formé (voir la figure 10) entre la direction radiale et la projection transversale de ces orifices d'écoulement 55, on engendre dans la chambre intermédiaire 54 un écoulement tourbillonnaire favorisant l'écoulement moléculaire dans les orifices d'échappement 53 vers la chambre de décharge 52 et la sortie de l'anode 50.

De préférence, l'anode 50 formant le distributeur comporte au moins deux orifices d'écoulement 55 répartis angulairement de façon régulière autour de l'axe principal A.

Dans le cas du mode de réalisation illustré, on utilise quatre orifices d'écoulement 55 répartis de manière régulière autour de l'axe principal A selon une symétrie circulaire (voir la figure 10).

Les orifices d'écoulement 55 du mode de réalisation illustré (voir les figures 7 et 10) sont rectilignes et parallèle à un plan transversal, en formant dans ce plan transversal, un deuxième angle γ de 45° avec la direction radiale. D'autres variantes sont bien entendu possibles, que ce soit au niveau de la valeur du deuxième angle γ (compris entre 0 et 90°), que sur l'inclinaison éventuelle par rapport à un plan transversal des orifices d'écoulement 55.

Sur le mode de réalisation des figures 5 à 11 et sur la première variante de la figure 12, les orifices d'échappement 53 sont orientés de telle sorte qu'ils permettent la sortie du gaz ionisable en direction de la paroi interne 16 (voir la figure 9).

Une telle configuration permet de compenser en tout ou partie la déflection angulaire des ions due au champ magnétique radial B et qui est visible sur les figures 2 à 4. Si l'orientation du champ magnétique radial B est opposée à celle des figures 1 à 4, la situation serait modifiée et il y aurait une accentuation de la déflection angulaire des ions due à ce champ magnétique.

Dans ce cas, en outre, à la sortie de l'anode, les impacts sur la paroi externe 18 des molécules ou ions de gaz présentent une spécularité suffisante pour que le gaz arrivant dans la zone d'ionisation 28 présente une vitesse tourbillonnaire résiduelle significative de l'ordre de celle fournie par la différence de température entre la paroi interne 16 et la paroi externe 18 en céramique.

En effet, on rappelle que les chocs des électrons, des ions et des molécules sur la paroi interne 16 et sur la paroi externe 18 provoquent réchauffement de ces parois 16 et 18 également chauffées par le rayonnement du plasma, et que du fait de la surface plus petite de la paroi interne 16, celle-ci présente une température plus élevée que la paroi externe 18 (écart de température de plus de 100°C, de l'ordre de 160°C).

En conséquence, selon l'invention, la vitesse tourbillonnaire résiduelle mentionnée ci-dessus peut également s'ajouter ou compenser la vitesse tourbillonnaire due à l'écart de température entre la paroi interne 16 et la paroi externe 18. Bien entendu, cet effet physique résultant de la différence de température ne représente qu'un phénomène du second ordre par rapport au phénomène principal relatif à la compensation de la déviation circonférentielle des ions et des molécules par le champ magnétique.

En conséquence, selon le mode de réalisation des figures 5 à 11 , le propulseur 10 comporte dans la partie amont du canal de décharge 20, d'amont en aval, une chambre de répartition 56 annulaire reliée à la canalisation 24 et délimitée entre l'anode 50 formant le distributeur et la paroi interne 16, une chambre intermédiaire 54 annulaire délimitée entre l'anode 50 formant le distributeur et la paroi externe 18, et une chambre de décharge 52 annulaire délimitée entre l'anode 50 formant le distributeur et la paroi interne 18 et débouchant dans la zone d'ionisation 28 du canal 20. Par ailleurs, ladite chambre de décharge 52 et la chambre de répartition 56 sont superposées, la chambre intermédiaire 54 entoure la chambre de répartition 56 et la chambre de décharge 52. En outre, une série d'orifices d'écoulement 55 relient la chambre de répartition 56 à la chambre intermédiaire 54 une série d'orifices d'échappement 53 relient ladite chambre intermédiaire 54 à ladite chambre de décharge 52 en formant, en projection dans un plan transversal audit axe principal A, un premier angle β non nul avec la direction radiale de façon à orienter l'écoulement du gaz selon ledit mouvement tourbillonnaire.

Ainsi, la chambre de répartition 56 et la chambre de décharge

52 forment des chambres internes et la chambre intermédiaire 54 constitue une chambre externe.

Quand on indique que deux chambres sont superposées, cela signifie une position amont et aval dans le sens de l'axe principal A.

II est à noter que la chambre de répartition 56 n'étant alimentée que par un seul orifice (le trou d'alimentation 25), les pressions et les vitesses n'y sont pas uniformes. Ainsi, par son volume et par le fait qu'elle est alimentée par une pluralité d'orifices d'écoulement 55 (quatre orifices d'écoulement 55 sur le mode de réalisation représenté), la chambre intermédiaire 54 voit la pression et la vitesse circonférentielle du gaz répartis plus uniformément et sert ainsi de chambre de tranquilisation.

Dans le cas de la première variante de la figure 12, l'anode 50 présente une forme modifiée. Dans ce cas, le propulseur 10 comporte dans la partie amont du canal de décharge 20, d'amont en aval, une chambre de répartition 56 annulaire reliée à la canalisation 24 et délimitée entre l'anode 50 formant le distributeur et la paroi interne 16, une chambre intermédiaire 54 annulaire délimitée entre l'anode 50 formant le distributeur et la paroi externe 18, et une chambre de décharge 52 annulaire délimitée entre l'anode 50 formant le distributeur et la paroi interne 16 et débouchant dans la zone d'ionisation 28 du canal 20. Par ailleurs, la chambre intermédiaire 54 entoure la chambre de décharge 52, ladite chambre de décharge 52 et la chambre de répartition 56 sont superposées, ladite chambre intermédiaire 54 et la chambre de répartition 56 sont superposées. De plus, une série d'orifices d'écoulement 55 relient la chambre de répartition 56 à la chambre intermédiaire 54 et une série d'orifices d'échappement 53 relient ladite chambre intermédiaire 54 à ladite chambre de décharge 52 en formant, en projection dans un plan transversal audit axe principal A, un premier angle β non nul avec la direction radiale de façon à orienter l'écoulement du gaz selon ledit mouvement tourbillonnaire.

Dans cette première variante de la figure 12, la chambre de décharge 52 et la chambre de répartition 56 sont superposées.

Ainsi, la chambre de décharge 52 est une chambre interne et la chambre intermédiaire 54 constitue une chambre externe, tandis que la chambre de répartition 56 forme une chambre s'étendant sensiblement sur toute la section du canal de décharge 20.

Selon la deuxième variante de la figure 13, l'anode 50 présente une autre forme modifiée. Dans ce cas, le propulseur 10 comporte dans la partie amont du canal de décharge 20, d'amont en aval, une chambre de répartition 56 annulaire reliée à la canalisation 24 et délimitée entre l'anode 50 formant le distributeur et la paroi externe 18, une chambre intermédiaire 54 annulaire délimitée entre l'anode 50 formant le distributeur et la paroi interne 16, et une chambre de décharge 52 annulaire délimitée entre l'anode 50 formant le distributeur et la paroi externe 18 et débouchant dans la zone d'ionisation 28 du canal 20. En outre, ladite chambre de répartition 56 et la chambre de décharge 52 sont superposées, la chambre intermédiaire 54 entoure la chambre de répartition 56 et la chambre de décharge 52. Egalement, une série d'orifices d'écoulement 55 relient la chambre de répartition 56 à la chambre intermédiaire 54 et en une série d'orifices d'échappement 53 relient ladite chambre intermédiaire 54 à ladite chambre de décharge 52 en formant, en projection dans un plan transversal audit axe principal A, un premier angle β non nul avec la direction radiale de façon à orienter l'écoulement du gaz selon ledit mouvement tourbillonnaire.

Ainsi, la chambre de répartition 56 et la chambre de décharge 52 forment des chambres internes et la chambre intermédiaire 54 constitue une chambre externe. Il faut relever que dans le cas de la deuxième variante de la figure 13, les orifices d'échappement 53 permettent la sortie du gaz ionisable en direction de la paroi externe 18, avec un mouvement tourbillonnaire.

Une telle configuration vient alors, dans le cas de l'orientation du champ magnétique radial B visible sur les figures 2 à 4, accentuer la déflection angulaire des ions due à ce champ magnétique radial . Si l'orientation du champ magnétique radial B est opposée à celle des figures 1 à 4, la situation serait modifiée et il y alors aurait une compensation (totale ou partielle) de la déflection angulaire des ions due à ce champ magnétique.

Dans tous les cas, on prévoit qu'une paroi de l'anode 50 s'étende radialement au dessus de la sortie des orifices d'échappement 53 afin de former une paroi de protection 58 qui empêche, ou tout au moins limite, la présence d'ions et/ou d'électrons à proximité de la sortie des orifices d'échappement 53. De cette façon, les orifices d'échappement 53 sont protégés d'un colmatage par la matière (la céramique) érodée provenant de la paroi interne 16 et de la paroi externe 18.

De préférence, l'anode 50 et le distributeur sont confondus. Ces deux fonctions sont alors remplies par la même pièce ou le même groupe de pièces.

De préférence, l'anode 50 est monobloc est essentiellement réalisée en carbone, ce qui facilite son montage au fond du canal de décharge 20. On peut également réaliser l'anode 50en plusieurs pièces assemblées entre elle.

Par ailleurs, de préférence, la paroi interne 16 et la paroi externe 18 sont réalisées en céramique et sont reliées de façon étanche avec I'anode50.

Par exemple, la pièce en céramique 19 est réalisée en nitrure de bore et de silice (BNSiO ₂ ).

Ainsi, en utilisant pour l'anode 50 et pour la pièce en céramique 19 des matériaux présentant un coefficient de dilatation thermique proche, on assure le maintien d'une liaison étanche entre l'anode 50 et les parois interne 16 et externe 18, et ce faisant au niveau des chambres 52, 54 et 56. Ainsi, on réalise par exemple par brasage quatre zones de fixation annulaires 60 entre l'anode 50et les parois interne 16 et externe 18 (voir les figures 7, 12 et 13).

Dans les exemples illustrant l'art antérieur et la présente invention, l'anode et le distributeur ont été illustrés comme formant une seule et même pièce (sous le signe de référence 26 sur les figures 1 à 4 et sous le signe de référence 50 sur les figures 5 à 13) : il faut cependant relever que l'on pourrait dissocier les deux fonctions par deux pièces ou deux ensembles indépendants sans sortir du cadre de la présente invention. Dans ce cas l'anode et le distributeur sont placés au fond du canal de décharge, le distributeur étant relié à la canalisation d'amenée du gaz et l'anode étant reliée à une source de courant.