Propulsion ionique - Définition

Un test de moteur ionique

Un moteur à ion est basé sur l'accélération de particules chargées (les ions) via un champ électrostatique

Principe physique

Une particule chargée dans un champ électrostatique subit une force proportionnelle au champ électrique et à sa charge.

Cette force permet d'accélérer la particule.

A côté de la simplicité de ce principe, la propulsion ionique soulève une complexité pour obtenir un moteur réellement efficace.

Description Technique

Un propulseur ionique se compose essentiellement de trois éléments :

• Une source d'ions : C'est-à-dire un dispositif d'ionisation permettant de séparer les ions des électrons. On cherche principalement à obtenir une production d'ions en grande quantité avec une charge uniforme grâce à différentes sources :
  • ionisation par contact;
  • arc électrique;
  • induction HF.

• Une partie accélératrice et focalisatrice : elle va accélérer et mettre en forme le faisceau d'ions produits.

• Un système de neutralisation : Des cathodes creuses qui permettent de recombiner électrons et ions pour éviter qu'une charge d'espace n'apparaisse sur le propulseur et le système spatial auquel il est associé (satellite, sonde, etc.).

Les principaux propulsifs utilisés sont : Césium, Sodium, Lithium, Platine, Xénon. C'est ce dernier qui est le plus souvent employé ; il émet une belle couleur bleutée.

Fonctionnement

Principe de fonctionnement d'une source d'ions au gaz, en rouge les cathodes et en bleu, l'anode

Deux principales méthodes de production d'ions :

• L'ionisation par contact : Le propulsif est vaporisé et circule dans une structure métallique portée à haute température. Le contact avec le métal, qui a une fonction de travail élevée, va arracher les électrons aux atomes de gaz.

• L'ionisation par génération d'un plasma : Soit par une source HF soit par un arc électrique.

Les ions vont ensuite être focalisés sous forme de faisceau grâce à une première série d'électrodes. Une autre série d'électrodes, ou grille, va alors les accélérer en dehors du propulseur. Enfin un système d'émission électronique se charge de neutraliser le faisceau.

Caractéristiques et applications

De par leur principe même, l'ionisation du gaz propulsif, ces moteurs ne fonctionnent que dans un environnement de vide (spatial ou caisson d'essai).

Leur faible poussée, de quelques dixièmes de newtons seulement, équivalente à un souffle humain sur une main distante de 20 cm, limite leur usage à des missions de maintien en orbite, ou plus généralement dans des zones de champs gravitationnels faibles.

Ces types de propulseurs ont de grandes impulsions spécifiques : 5000 à 25 000 s.

Les moteurs de ce type sont bien adaptés pour des missions d'exploration automatique (sonde), et sont envisagés très sérieusement pour des missions habitées lointaines comme celle de Mars dans un premier temps.

Le courant ionique de sortie est un paramètre important dans ce type de propulseur. Il peut être calculé en première approximation par la somme (l'intégrale sur la surface) des charges franchissant le plan de sortie par la vitesse moyenne des charges. La poussée du propulseur peut être calculée facilement à partir du courant ionique de sortie.

Exemples

Pour les missions lointaines :

• Deep Space 1
• Smart-1 (300 kg a consommé moins de 80 kg pour parvenir en treize jours à la Lune)

Nota SMART-1 a utilisé un moteur plasmique à effet hall (PPS1350) d'une technologie légèrement différente du moteur ionique à grille d'accélération décrit ci-dessus.