Concepts avec chambre d’ionisation dans le canal

Tandis que les prototypes présentés ci-dessus possèdent une chambre d’ionisation dédiée, les trois propulseurs qui seront abordés dans cette section ont une région d’ionisation plus compacte, intégrée directement dans le canal d’accélération.

II.1.2.1 Propulseur de Hall CAMILA

Le propulseur CAMILA [Kronhaus 2012] visible sur la Figure II.6-a consiste en une variante du propulseur de Hall classique possédant un canal rallongé (trois centimètres). L’anode est formée de deux cylindres concentriques et constitue la paroi sur les deux premiers centimètres du canal.

Figure II.6 - Vue schématique du propulseur CAMILA avec : (a) la configuration double étage et (b) la configuration simplifiée (simple étage) [Kronhaus 2012].

Au fond du canal, un champ magnétique axial est appliqué de sorte à piéger les électrons provenant de la cathode externe. Un champ F radial apparait entre le centre du canal et l’anode, et cela induit un courant de Hall F × G azimutal. Le temps de résidence des électrons est ainsi augmenté afin de favoriser l’ionisation au fond du canal. Une version de ce propulseur dans une configuration simple étage a également été construite pour évaluer l’apport du champ magnétique additionnel sur les performances (Figure II.6-b). Des essais ont été réalisés avec un débit de xénon de 0.87 mg/s, une tension de 300 V, et une puissance de 240 W. Des mesures par sonde de Langmuir ont permis d’établir une cartographie 2D de la densité électronique (Figure II.7).

Figure II.7 - Cartographie 2D de la densité de plasma mesurée par sonde de Langmuir dans le canal du : (a) propulseur CAMILA double étage et (b) propulseur CAMILA simplifié [Kronhaus 2012].

Dans les deux configurations testées, la plupart des ions sont créés dans les 10 derniers millimètres du canal. Dans la version double étage du propulseur, seulement 18% des atomes sont ionisés au fond du canal. Le système ne fonctionne donc pas en double étage. Ce système pâtit probablement de l’absence de cathode intermédiaire émettrice entre les deux étages.

II.1.2.2 Concept de DSHT proposé par Alcatel Alenia Space Italia

La géométrie de ce propulseur double étage, illustrée sur la Figure II.8-a, est très similaire à celle rencontrée dans un simple étage [Alta 2003]. Il se compose d’un canal au fond duquel se trouvent l’anode et l’injection des gaz, et d’une cathode externe.

Figure II.8 - (a) Schéma du DSHT présentant un double maximum de champ magnétique dans le canal ; (b) cartographie magnétique simulée par le logiciel FEMM [Alta 2003].

(a) (b)

Une cathode intermédiaire (appelée CI), située au milieu du canal et constituée de deux anneaux équipotentiels, est placée sur les parois internes et externes du canal. L’utilisation de quatre bobines permet de générer une configuration magnétique présentant deux pics répartis en amont et en aval de la CI et séparés par un zéro de champ magnétique (Figure II.8-b). La CI, émissive, joue ici un rôle similaire à celle du concept SPT-MAG. Dans ce prototype, l’ionisation est contrôlée par la tension appliquée entre la CI et l’anode tandis que l’accélération des ions est contrôlée par le potentiel appliqué entre la cathode et la CI.

Des résultats expérimentaux [Rossetti 2006] montrent une légère augmentation de l’efficacité anodique ainsi qu’une augmentation de l’ISP en fonctionnement double étage. Cependant, il a été observé une absence d’émission électronique de la CI. Les atomes sont donc ionisés par les électrons en provenance de la cathode externe et il n’y a pas de découplage possible entre ionisation et accélération des ions. En outre, des simulations [Perez-Luna 2006] ont montré que si l’ionisation est efficace dans le premier étage (densité supérieure à 4×1012 cm-3), les ions se recombinent aux parois avant d’atteindre le plan de sortie et sont de nouveau ionisés dans l’étage d’accélération.

II.1.2.3 Propulseur de Hall micro-onde

Ce propulseur, proposé par la JAXA [Kuwano 2007] et représenté sur la Figure II.9, est le concept le plus prometteur réalisé à ce jour. Un champ micro-onde de 5.8 GHz est injecté dans une cavité résonante cylindrique à l’arrière du canal. Les ondes entrent dans le canal d’accélération au travers d’une fenêtre diélectrique en quartz. Il en résulte une onde surfacique se situant à l’interface entre le diélectrique et le plasma et chauffant les électrons. Ce type de décharge permet de créer un plasma atteignant des densités supérieures à la densité critique qui avait limité les performances du propulseur de Hall ECR. En comparaison avec les deux propulseurs cités précédemment, le canal d’extraction est beaucoup plus court, de l’ordre du centimètre.

Figure II.9 - Plan en coupe du Microwave Discharge Hall Thruster. Deux longueurs de canal sont représentées [Kuwano 2007].

Une caractéristique intéressante de ce concept est que l’ionisation a lieu dans une région très proche de la zone d’accélération. Les ions générés dans le plasma sont alors extraits

efficacement et guidés vers la région d’accélération avant qu’ils ne soient perdus sur les parois du canal. Ainsi, il est possible d’extraire des ions du propulseur y compris pour des tensions très faibles entre la cathode et l’anode, c’est-à-dire sans qu’il y ait une ionisation significative du gaz par les électrons émis par la cathode externe. Cependant, on note que le courant extrait dans ces conditions est dix fois inférieur à celui correspondant à une ionisation totale du gaz injecté.

Figure II.10 - Poussées et ISP en fonction du potentiel appliqué mesurées en mode simple et double étage pour une longueur de canal de (a) 13 mm et (b) 8 mm. La puissance micro-onde est de 200 W [Kuwano 2007].

Des études de performance ont été réalisées pour deux longueurs de canal différentes : 8 et 13 mm (Figure II.10). Pour une puissance micro-onde de 200 W et un débit de xénon de 2.05 mg/s, on constate une augmentation modérée des performances, de 10 % environ. Toutefois, aucune étude n’a été réalisée pour tester la versatilité du système, c’est-à-dire, le découplage entre l’ISP et la poussée.