Un propulseur à effet Hall à propulsion solaire électrique testé dans des conditions de vide à la NASA. Crédit : NASA
La fusée à plasma conçue pour l’exploration de l’espace lointain dure plus longtemps et génère une puissance élevée.
L’intérêt croissant pour les voyages dans l’espace lointain a nécessité le développement de systèmes de fusée puissants et durables pour propulser les vaisseaux spatiaux dans le cosmos. Des scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton du ministère américain de l’énergie (DOE) (PPPL) ont créé une petite version modifiée d’un plasma-Le système de propulsion à base de plasma, connu sous le nom de propulseur de Hall, améliore la durée de vie de la fusée et produit une grande puissance.
Le dispositif miniature alimenté par plasma mesure moins d’un pouce de diamètre et supprime les parois entourant le propulseur à plasma pour créer des configurations de propulseur innovantes. Le plasma est un état de la matière composé d’électrons flottant librement et de noyaux atomiques, ou ions. Parmi ces innovations, on trouve le propulseur de Hall cylindrique, qui a été initialement conçu et étudié au PPPL, et un propulseur de Hall totalement dépourvu de parois. Les deux configurations réduisent l’érosion des canaux générée par les interactions plasma-paroi, qui limite la durée de vie du propulseur – un problème majeur pour les propulseurs de Hall typiques de forme annulaire ou annulaire et en particulier pour les propulseurs miniaturisés de faible puissance utilisés sur les petits satellites.
Largement étudié
Les propulseurs de Hall cylindriques ont été inventés par les physiciens du PPPL Yevgeny Raitses et Nat Fisch en 1999 et sont étudiés depuis lors avec des étudiants dans le cadre de l’Expérience sur les propulseurs de Hall (HTX) du Laboratoire. Les dispositifs du PPPL ont également été étudiés dans des pays comme la Corée, le Japon, la Chine, Singapour et l’Union européenne. La Corée et Singapour envisagent de les faire voler.
Bien que les propulseurs de Hall sans paroi puissent minimiser l’érosion des canaux, ils sont confrontés au problème de l’élargissement important, ou de la divergence, du panache de poussée du plasma, qui dégrade les performances du système. Pour réduire ce problème, PPPL a installé une innovation clé sur son nouveau système sans paroi sous la forme d’une électrode segmentée, un porteur de courant joint de manière concentrique. Selon M. Raitses, cette innovation permet non seulement de réduire la divergence et d’intensifier la poussée de la fusée, mais aussi de supprimer les hoquets des plasmas des propulseurs à effet Hall de petite taille qui interrompent la distribution régulière de la puissance.
Jacob Simmonds, étudiant diplômé, au centre, avec ses conseillers Masaaki Yamada, à gauche, et Yevgeny Raitses, avec la figure du propulseur de Hall sans paroi derrière eux. Crédit : photos de Yamada et Raitses par Elle Starkman/Bureau des communications ; photo de Simmonds par Tyler Boothe. Collage par Kiran Sudarsanan.
Les nouvelles découvertes viennent couronner une série d’articles que Jacob Simmonds, un étudiant diplômé de l’Institut de recherche en sciences naturelles et en génie (IRIS), a rédigé. Université de Princeton Le physicien du PPPL Masaaki Yamada est l’autre co-directeur. “Au cours des deux dernières années, nous avons publié trois articles sur la nouvelle physique des propulseurs à plasma qui ont conduit au propulseur dynamique décrit dans celui-ci”, a déclaré Raitses, qui dirige les recherches du PPPL sur la physique des plasmas à basse température et le HTX. “Il décrit un effet inédit qui promet de nouveaux développements dans ce domaine”.
L’application d’électrodes segmentées aux propulseurs à effet Hall n’est pas nouvelle. Raitses et Fisch avaient déjà utilisé de telles électrodes pour contrôler le flux de plasma dans des propulseurs de Hall annulaires classiques. Mais l’effet que Simmonds a mesuré et décrit dans l’article récent de Applied Physics Letters est beaucoup plus fort et a un impact plus important sur le fonctionnement et les performances globales du propulseur.
Concentrer le panache
Le nouveau dispositif aide à surmonter le problème des propulseurs de Hall sans paroi qui permet au plasma propulsif d’être projeté hors de la fusée à des angles larges, contribuant peu à la poussée de la fusée. “En bref, les propulseurs de Hall sans paroi, bien que prometteurs, ont un panache non focalisé en raison de l’absence de parois de canal”, a déclaré M. Simmonds. “Nous devions donc trouver un moyen de concentrer le panache pour augmenter la poussée et l’efficacité et en faire un meilleur propulseur global pour les engins spatiaux.”
L’électrode segmentée détourne une partie du courant électrique de l’électrode standard haute tension du propulseur afin de façonner le plasma et de réduire et améliorer la concentration du panache. L’électrode crée cet effet en changeant les directions des forces au sein du plasma, en particulier celles du plasma de xénon ionisé que le système accélère pour propulser la fusée. L’ionisation transforme le gaz xénon utilisé par le procédé en électrons libres et en atomes.des noyaux ou des ions.
Ces développements ont permis d’augmenter la densité de la poussée en en façonnant davantage dans un volume réduit, un objectif clé pour les propulseurs à effet Hall. Un avantage supplémentaire de l’électrode segmentée a été la réduction des instabilités du plasma appelées oscillations en mode de respiration, “où la quantité de plasma augmente et diminue périodiquement à mesure que le taux d’ionisation change avec le temps”, a déclaré Simmonds. De manière surprenante, a-t-il ajouté, l’électrode segmentée a fait disparaître ces oscillations. “Les électrodes segmentées sont très utiles pour les propulseurs à effet Hall pour ces raisons”, a-t-il ajouté.
La nouvelle fusée à haute densité de poussée peut être particulièrement bénéfique pour les minuscules satellites cubiques, ou CubeSats. Masaaki Yamada, le co-directeur de Simmonds, qui dirige l’expérience de reconnexion magnétique (MRX), laquelle étudie le processus à l’origine des éruptions solaires, des aurores boréales et d’autres phénomènes spatiaux, a proposé l’utilisation d’un système d’électrodes segmentées sans paroi pour alimenter un CubeSat. Simmonds et son équipe d’étudiants de premier cycle travaillant sous la direction du professeur Daniel Marlow, titulaire de la chaire Evans Crawford 1911 de physique à Princeton, ont repris cette proposition pour développer un CubeSat et une telle fusée – un projet qui a été interrompu en cours d’achèvement par la Commission européenne. COVID-19 pandémie et qui pourrait être repris à l’avenir.
Référence : “Mitigation of breathing oscillations and focusing of the plume in a segmented electrode wall-less Hall thruster” par J. Simmonds et Y. Raitses, 22 novembre 2021, Applied Physics Letters.
DOI : 10.1063/5.0070307
Le soutien à ce travail provient du DOE Office of Science.
Le PPPL, situé sur le campus Forrestal de l’Université de Princeton à Plainsboro, dans le New Jersey, se consacre à la création de nouvelles connaissances sur la physique des plasmas – des gaz chargés ultra chauds – et au développement de solutions pratiques pour la création d’énergie de fusion.
