Propulseur à effet Hall

Propulseur à effet Hall PPS-1350 de la Snecma utilisé pour les transferts d'orbite et le maintien à poste des satellites.

Un propulseur à effet Hall est un type de propulseur électrique qui utilise un champ électrique pour accélérer des ions. Il est dit à effet Hall car il utilise un champ magnétique pour piéger les électrons qui servent à ioniser un gaz. Il est parfois appelé Stationnary Plasma Thruster (SPT) ou Moteur à Plasma Stationnaire. Il entre dans la catégorie des propulseurs électrodynamiques.

Historique

Le concept est né dans les années soixante en URSS et aux É.-U.. Les principaux développements et optimisations ont été réalisés par des équipes de recherche russes conduites notamment par Alexander I. Morozov dans les années soixante-dix. Dès cette époque l’URSS, a commencé à en équiper certains satellites. Un certain regain d’intérêt sur ces propulseurs s’est développé depuis 1990. Des industriels comme la Snecma disposent d’une gamme de propulseurs parfaitement opérationnels.

Principe de fonctionnement

Le propulseur à effet Hall utilise une action combinée de champ électrique et magnétique qui permet d'agir sur les particules chargées en les propulsant à grande vitesse. Le gaz propulsif le plus couramment utilisé est le xénon. Le xénon est choisi car il représente un bon compromis entre une masse atomique élevée et une faible énergie d'ionisation (~12 eV).

Description géométrique

Un SPT est constitué de deux cylindres en céramique imbriqués. À l'intérieur du cylindre interne et à l'extérieur de l'externe on trouvera des bobinages. Ils servent à générer un champ magnétique radial particulièrement intense dans la zone de sortie du propulseur. Au fond de l'espace intra-cylindrique on trouvera une anode. Une cathode creuse se situe à l'extérieur des cylindres. Au niveau de l'anode se trouve le système d'injection du gaz.

La physique

Schéma de principe d'un propulseur à effet Hall

Les électrons issus de la cathode se dirigent vers l'anode sous l'influence du champ électrique, mais ils se retrouvent piégés par le champ magnétique.

$\mathbf{F} = q\mathbf{v}\wedge\mathbf{B} + q\mathbf{E}$ avec q = − e

Leurs trajectoires s'enroulent alors autour des lignes de champs radiales. Ils vont voyager entre les deux cylindres et notamment percuter les parois de céramique.

Pendant leur voyage entre les parois les électrons vont effectuer des collisions volumiques avec les atomes de xénon. Par contre les chocs avec les parois vont conduire à différents phénomènes (selon l'énergie de l'électron) comme par exemple l'émission secondaire électronique qui contribue à augmenter un peu plus la densité électronique au niveau du plan de sortie des cylindres.

Les électrons vont alors jouer deux rôles :

• permette l'ionisation des atomes de gaz via des chocs (les collisions volumiques) ;
• créer des lignes équipotentielles électriques qui vont permettre l'accélération des ions.

Les phénomènes mis en jeux dans les collisions volumiques sont de trois types :

• ionisations des atomes de xénon ;
• collisions élastiques ;
• excitation des atomes.

Pour les interactions avec la paroi on a :

• l'émission secondaire ;
• l'attachement ;
• la réflexion.

Le jet électronique émis par la cathode permet aussi de neutraliser le faisceau ionique de sortie pour éviter que le moteur et donc le satellite ne se charge négativement.

Les bobines constituant le propulseur servent à générer un champ magnétique radial qui augmente progressivement depuis l'anode pour atteindre son maximum à la sortie du propulseur et diminuer à l'extérieur. De plus, de par la configuration des bobines suivant les types de propulseurs, le champ magnétique a une composante longitudinale variable mais toujours non nulle. Cette dernière est quand même très inférieure à la composante radiale. Ce champ longitudinal, même faible, induit une déformation des lignes de champs magnétiques notamment au niveau du plan de sortie. Ces déformations conduisent à la création d'une sorte de lentille magnétique qui fait diverger le faisceau ionique. Ce phénomène dégrade les performances générales du propulseur. Il a deux effets :

• l'érosion des parois en céramique ;
• la diminution de la poussée (le faisceau d'ions est moins « concentré »).

Applications & Recherches actuelles

Ces propulseurs ont une faible poussée (quelques centaines de mN) mais une forte impulsion spécifique (> 1 000 s). Ils sont surtout utilisés pour  :

• le maintien en orbite de satellite ;
• les transferts d'orbites ;
• la propulsion des sondes spatiales.

Le SPT est intéressant par exemple pour les satellites de télécommunications. Il permet par rapport à un propulseur chimique d'économiser environ 20 % du poids sur un satellite de 3 500 kg et bénéficie d'une durée de vie de plus de 7 000 heures.

Actuellement les recherches continuent sur ce type de propulseur. En France, elles sont menées principalement par l'ONERA, le CNRS, le LPTP (Laboratoire de Physique et Technologie des plasmas, École Polytechnique) et le CNES. Elles visent principalement à améliorer le rendement de ce type de propulseur et à régler des problèmes d'optimisations. Ces recherches passent par la compréhension de la physique interne (phénomène de transport de particules, physique des plasmas) grâce à la simulation numérique et à l'expérimentation en caisson à vide.

Liens externes

• Snecma
• Onera
• Cnrs - Laboratoire Icare
• Cnes