Moteur de propulsion plasma - Plasma propulsion engine

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Un propulseur pendant le tir d'essai
Représentation artistique du moteur plasma VASIMR

Un moteur à propulsion à plasma est un type de propulsion électrique qui génère une poussée à partir d'un plasma quasi-neutre . Ceci contraste avec les moteurs à propulseurs ioniques , qui génèrent une poussée en extrayant un courant ionique de la source de plasma , qui est ensuite accéléré à des vitesses élevées à l'aide de grilles/ anodes . Celles-ci existent sous de nombreuses formes (voir propulsion électrique ). Cependant, dans la littérature scientifique, le terme « propulseur à plasma » englobe parfois des propulseurs habituellement désignés sous le nom de « moteurs ioniques ».

Les propulseurs à plasma n'utilisent généralement pas de grilles à haute tension ou d'anodes/ cathodes pour accélérer les particules chargées dans le plasma, mais utilisent plutôt des courants et des potentiels générés en interne pour accélérer les ions, ce qui entraîne une vitesse d'échappement plus faible compte tenu du manque de tensions d'accélération élevées .

Ce type de propulseur présente de nombreux avantages. L'absence de grilles d'anodes haute tension supprime un éventuel élément limitant résultant de l'érosion ionique des grilles. L'échappement du plasma est «quasi neutre», ce qui signifie que les ions positifs et les électrons existent en nombre égal, ce qui permet une simple recombinaison ion-électron dans l'échappement pour neutraliser le panache d'échappement, éliminant ainsi le besoin d'un canon à électrons (cathode creuse). Un tel propulseur génère souvent le plasma source à l'aide d' énergie radiofréquence ou micro - onde , à l'aide d'une antenne externe . Ce fait, combiné à l'absence de cathodes creuses (qui sont sensibles à tout sauf aux gaz rares ), permet d'utiliser ce propulseur sur une variété de propulseurs, de l' argon aux mélanges d'air de dioxyde de carbone en passant par l' urine d' astronaute .

Les moteurs à plasma sont mieux adaptés aux missions interplanétaires .

De nombreuses agences spatiales ont développé des systèmes de propulsion à plasma, y compris l' Agence spatiale européenne , l' Agence spatiale iranienne et l' Université nationale australienne , qui a co-développé un double - propulseur de couche .

Histoire

Certains moteurs à plasma ont connu un temps de vol actif et ont été utilisés lors de missions. En 2011, la NASA s'est associée à Busek pour lancer le premier propulseur à effet hall à bord du satellite Tacsat-2 . Le propulseur était le principal système de propulsion du satellite. La société a lancé un autre propulseur à effet hall cette année-là. En 2020, des recherches sur un jet de plasma ont été publiées par l'Université de Wuhan .

Ad Astra Rocket Company développe le VASIMR. La société canadienne Nautel produit les générateurs RF de 200 kW nécessaires pour ioniser le propulseur. Certains tests de composants et expériences « Plasma Shoot » sont effectués dans un laboratoire du Libéria, au Costa Rica . Ce projet est dirigé par l'ancien astronaute de la NASA, le Dr Franklin Chang-Díaz (CRC-USA).

L'Alliance aérospatiale du Costa Rica a annoncé le développement d'un support extérieur pour le VASIMR qui sera installé à l'extérieur de la Station spatiale internationale . Cette phase du plan de test du VASIMR dans l'espace devait être menée en 2016.

Avantages

Les moteurs à plasma ont une valeur d' impulsion spécifique ( I sp ) beaucoup plus élevée que la plupart des autres types de technologie de fusée. Le propulseur VASIMR peut être étranglé pour une impulsion supérieure à 12 000 s, et les propulseurs à effet hall ont atteint ~ 2000 s. Il s'agit d'une amélioration significative par rapport aux carburants bipropulseurs des fusées chimiques conventionnelles, qui présentent des impulsions spécifiques d'environ 450 s. Avec une impulsion élevée, les propulseurs à plasma sont capables d'atteindre des vitesses relativement élevées sur de longues périodes d'accélération. L'ex-astronaute Franklin Chang-Diaz affirme que le propulseur VASIMR pourrait envoyer une charge utile sur Mars en aussi peu que 39 jours, tout en atteignant une vitesse maximale de 34 miles par seconde (55 km/s).

Certains propulseurs à plasma, comme le mini-hélicon, sont salués pour leur simplicité et leur efficacité. Leur théorie de fonctionnement est relativement simple et peut utiliser une variété de gaz ou de combinaisons.

Ces qualités suggèrent que les propulseurs à plasma ont de la valeur pour de nombreux profils de mission.

Désavantages

Le défi le plus important pour la viabilité des propulseurs à plasma est peut-être le besoin en énergie. Le moteur VX-200, par exemple, nécessite 200 kW de puissance électrique pour produire 5 N de poussée, soit 40 kW/N. Ce besoin de puissance peut être satisfait par les réacteurs à fission, mais la masse du réacteur (y compris les systèmes de rejet de chaleur) peut s'avérer prohibitive.

Un autre défi est l'érosion par plasma. Pendant son fonctionnement, le plasma peut procéder à une ablation thermique des parois de la cavité du propulseur et de la structure de support, ce qui peut éventuellement conduire à une défaillance du système.

En raison de leur poussée extrêmement faible, les moteurs à plasma ne sont pas adaptés au lancement en orbite terrestre. En moyenne, ces fusées fournissent environ 2 livres de poussée maximum. Les propulseurs à plasma sont très efficaces dans l'espace ouvert, mais ne font rien pour compenser les dépenses en orbite des fusées chimiques.

Types de moteurs

Propulseurs à plasma hélicon

Article principal: propulseur double couche Helicon

Les propulseurs à plasma Helicon utilisent des ondes électromagnétiques à basse fréquence (ondes Helicon) qui existent à l'intérieur du plasma lorsqu'elles sont exposées à un champ magnétique statique. Une antenne RF qui s'enroule autour d'une chambre à gaz crée des ondes et excite le gaz, créant du plasma. Le plasma est expulsé à grande vitesse pour produire une poussée via des stratégies d'accélération qui nécessitent diverses combinaisons de champs électriques et magnétiques de topologie idéale . Ils appartiennent à la catégorie des propulseurs sans électrodes. Ces propulseurs prennent en charge plusieurs propulseurs, ce qui les rend utiles pour les missions plus longues. Ils peuvent être fabriqués à partir de matériaux simples, notamment une bouteille de soda en verre.

Propulseurs magnétoplasmadynamiques

Article principal: propulseur magnétoplasmadynamique

Les propulseurs magnétoplasmadynamiques (MPD) utilisent la force de Lorentz (une force résultant de l'interaction entre un champ magnétique et un courant électrique ) pour générer une poussée. La charge électrique circulant dans le plasma en présence d'un champ magnétique provoque l' accélération du plasma . La force de Lorentz est également cruciale pour le fonctionnement de la plupart des propulseurs à plasma pulsé .

Propulseurs inductifs pulsés

Article principal: propulseur inductif pulsé

Les propulseurs inductifs pulsés (PIT) utilisent également la force de Lorentz pour générer une poussée, mais ils n'utilisent pas d'électrodes, ce qui résout le problème de l'érosion. L'ionisation et les courants électriques dans le plasma sont induits par un champ magnétique variant rapidement.

Propulseurs à plasma sans électrodes

Article principal: Propulseur à plasma sans électrode

Les propulseurs à plasma sans électrodes utilisent la force pondéromotrice qui agit sur tout plasma ou particule chargée lorsqu'ils sont sous l'influence d'un fort gradient de densité d' énergie électromagnétique pour accélérer les électrons et les ions du plasma dans la même direction, fonctionnant ainsi sans neutraliseur.

VASIMR

VASIMR

Article principal: Fusée à magnétoplasme à impulsion spécifique variable

VASIMR, abréviation de Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, utilise des ondes radio pour ioniser un propulseur dans un plasma. Un champ magnétique accélère alors le plasma hors du moteur, générant une poussée . Un moteur VASIMR de 200 mégawatts pourrait réduire le temps de trajet de la Terre à Jupiter ou Saturne de six ans à quatorze mois, et de la Terre à Mars de 6 mois à 39 jours.

Voir également

Les références

  1. ^ Mazouffre, Stéphane (2016-06-01). « Propulsion électrique pour satellites et engins spatiaux : technologies établies et nouvelles approches ». Science et technologie des sources de plasma . 25 (3) : 033002. doi : 10.1088/0963-0252/25/3/033002 .
  2. ^ "L'Université nationale australienne développe un propulseur à plasma hélicon" . Dvice. janvier 2010 . Consulté le 8 juin 2012 .
  3. ^ "La société NS aide à construire une fusée à plasma" . cbcnews. janvier 2010 . Consulté le 24 juillet 2012 .
  4. ^ "Le moteur à plasma réussit le test initial" . Nouvelles de la BBC . 14 décembre 2005.
  5. ^ a b "Les moteurs à réaction à plasma qui pourraient vous emmener du sol à l'espace" . Nouveau scientifique . Récupéré le 2017-07-29 .
  6. ^ un b "TacSat-2" . www.busek.com . Récupéré le 2017-07-29 .
  7. ^ « Ce lecteur plasma chinois pourrait-il faire du voyage aérien vert une réalité ? » . Poste du matin du sud de la Chine . 8 mai 2020.
  8. ^ un b "Le voyage spatial aidé par les propulseurs de plasma : Passé, présent et futur | DSIAC" . www.dsiac.org . Archivé de l'original le 2017-08-08 . Récupéré le 2017-07-29 .
  9. ^ "L'antimatière aux lecteurs d'ions : les plans de la NASA pour la propulsion dans l'espace lointain" . Revue Cosmos . Récupéré le 2017-07-29 .
  10. ^ un b "La fusée vise des coups de pouce moins chers dans l'espace; le propulseur à plasma est petit, fonctionne avec des gaz peu coûteux" . ScienceDaily . Récupéré le 2017-07-29 .
  11. ^ "Informations techniques | Annonce Astra Rocket" . www.adastrarocket.com . Récupéré le 01/06/2020 .
  12. ^ "Le moteur à plasma de 123 000 MPH qui pourrait enfin emmener les astronautes sur Mars" . Science populaire . Récupéré le 2017-07-29 .
  13. ^ "Voyager vers Mars avec des fusées à plasma immortelles" . Récupéré le 2017-07-29 .

Liens externes