Propulseur PPS-Flex en tir avec du Xénon : configuration magnétique classique (gauche) et configuration de type Magnetic Shielding (droite).
Le point faible majeur des propulseurs de Hall est aujourd’hui leur relativement courte durée de vie. Des essais réalisés avec le PPS®1350 par Snecma ont montré que la durée de vie pour des puissances de l’ordre de 1,5 kW se situe autour de 10000 heures, c’est à dire près de 400 jours, contre environ 4000 jours de tir validés pour le moteur ionique à grilles NSTAR de la NASA. Cet obstacle limite l’usage des PH pour les missions où la consommation de carburant, donc la masse embarquée, est critique, en particulier les voyages interplanétaires vers des planètes et des astéroïdes.
Il y a 5 ans, une approche originale a été développée aux Etats-Unis par mes collègues de la NASA, notamment I. Mikellides, R. Hofer, I. Katz et D. Goebel, pour remédier à cet inconvénient [1-3]. Il s’agit de l’écrantage magnétique ou Magnetic Shielding en anglais. La durée de vie d’un PH est conditionnée par les interactions entre le plasma et les parois diélectriques. Ces dernières s’érodent dans la zone d’accélération sous l’impact du bombardement ionique. Pour résumer, le MS consiste à modifier la topologie magnétique pour i) rendre les lignes de champ magnétique parallèles à la paroi en sortie du canal et ii) minimiser le gradient radial du potentiel pour limiter le flux de particules chargées. Les parois sont ainsi protégées grâce à un effet d’écran. Les nombreuses expériences conduites par les équipes de la NASA avec des propulseurs de différentes puissances nominales montrent un allongement potentiel de la durée de vie d’un facteur 100 à 1000 !
Grâce à la très grande flexibilité magnétique de notre propulseur PPS-Flex, nous avons pu vérifier, de manière visuelle, lors de la campagne d’essais 2013 conduite par Julien Vaudolon dans le banc PIVOINE-2G du laboratoire, l’effet d’une topologie de type MS sur la structure de la décharge. Les résultats vont apparaître prochainement dans la revue IEEE Transaction on Plasma Science. Les photographies de la Figure ci-dessus montrent le PPS-Flex en configuration magnétique standard et en configuration MS. Dans le premier cas, le plasma est confiné à l’intérieur du canal (zone de luminosité intense) et interagit fortement avec les surfaces en céramiques. Dans le second cas, le plasma forme un tore nettement détaché des parois, ce qui laisse supposer une diminution du flux d’ions vers les parois. Naturellement, les travaux sur le MS vont se poursuivre avec le PPS-Flex mais aussi avec la construction d’un propulseur dédié afin d’évaluer le réel potentiel de cette variante.
[1] Magnetic shielding of walls from the unmagnetized ion beam in a Hall thruster
I. Mikellides, I. Katz, R. Hofer and D. Goebel
Appl. Phys. Lett. 102, 023509 (2013)
[2] Magnetic shielding of a laboratory Hall thruster. I. Theory and validation
I. Mikellides, I. Katz, R. Hofer and D. Goebel
J. Appl. Phys. 115, 043303 (2014)
[3] Magnetic shielding of a laboratory Hall thruster. II. Experiments
R. Hofer, D. Goebel, I. Mikellides and I. Katz
J. Appl. Phys. 115, 043304 (2014)
Avec le shielding, la decharge est beaucoup plus a l’exterieur du canal,donc la question est ce que tu gardes de bonnes performances en terme de poussee en ayant une plus grande divergence de la plume?
Le décharge est en effet en partie à l’extérieur mais moins qu’avec la version Wall-Less que j’ai proposé où la on a vraiment décalé les zones d’ionisation et d’accélération en dehors du canal.
Les travaux des américains montrent que les performances (poussée et divergence) ne se dégradent pas, ou très peu, en MS. C’est ce que l’on souhaite vérifier avec aussi le fonctionnement à HT. De plus il reste encore des points à éclaircir. Quid de l’érosion des pôles et de la face avant ? Pourquoi les parois sont-elles encore assez chaudes ?