Propulseur magnétoplasmadynamique - Définition

Introduction

Un propulseur magnétoplasmadynamique (MPD ou MPDT pour magnetoplasmadynamic thruster), appelé aussi LFA (Lorentz Force Accelerator), est l'une des technologies de propulsion électrique s'inscrivant dans le futur proche de l'exploration spatiale au XXIe siècle. Cette propulsion de nature électromagnétique, conceptualisée dès 1964, utilise la force de Lorentz (force électromagnétique résultant de l'interaction entre un courant électrique et un champ magnétique) pour accélérer un gaz ionisé appelé plasma, qui procure une poussée par réaction. C'est un type d'accélérateur MHD (magnétohydrodynamique) spatial dont le fluide propulsif est un plasma.

Description

Propulseur MPD à champ induit (SF-MPDT)

Le propulseur magnétoplasmadynamique se compose d’une tuyère divergente munie d'électrodes. Au centre de la tuyère se situe la cathode sous forme d'une tige métallique axiale. Sur le pourtour du « coquetier » est placée l’anode circulaire.

De l'hydrazine, ou plus souvent un gaz rare (généralement de l'argon ou du xénon) est injecté à la base de la tige centrale. Un très fort arc électrique (intensité de plusieurs milliers d'ampères) est émis axialement depuis la cathode, ce qui ionise le gaz (le transformant en plasma). Ce fort courant électrique axial induit autour de lui un puissant champ magnétique azimutal, d'intensité maximale à cet endroit de plus forte densité de courant. Le courant électrique s'épanouit ensuite radialement en corolle vers l'anode en sortie de tuyère ; c'est là que ce courant d'allure radiale interagit avec le champ magnétique azimutal, en produisant des forces de Lorentz propulsives, dirigées selon l'axe du système. Le plasma est accéléré électromagnétiquement à travers la sortie divergente, assurant une poussée par réaction. À l'inverse de la propulsion spatiale classique, la propulsion n'est donc pas issue d'une combustion.

Modes de fonctionnement

L'énergie injectée et la poussée résultante sont le plus souvent appliquées de manière continue. Il existe cependant deux modes de fonctionnement en propulsion MPD :

• Le SF-MPDT (Self-Field MagnetoPlasmaDynamic Thruster) : propulseur MPD « à champ induit », où le fort courant électrique émis par la cathode induit le champ magnétique azimutal. Le MPD à champ induit est alors très similaire à un propulseur électrothermique Arcjet, et est parfois à ce titre dénommé « MPD Arcjet ».
• Le AF-MPDT (Applied-Field MagnetoPlasmaDynamic Thruster) : un solénoïde additionnel entoure le propulseur et procure un champ magnétique additionnel, améliorant le confinement et l'expulsion du plasma.

Au chapitre des inconvénients, on peut noter une érosion importante des électrodes, et un fonctionnement nécessitant des puissances électriques se chiffrant en centaines de kilowatts, loin de ce que peut proposer une source d'énergie embarquée dans un engin spatial habituel.

Le LFA ou MPDT amélioré

Une amélioration récente des propulseurs MPD est le LFA (Lorentz Force Accelerator). Par rapport à un propulseur MPD « classique », un LFA utilise plusieurs tiges cathodiques à l'intérieur d'un tube isolant. Le propulsif, fluide, circule à l'intérieur du tube, entre les tiges. C'est uniquement à la sortie du tube que le gaz est ionisé, protégeant les cathodes de l'érosion. Il existe divers modèles de LFA, dont deux principaux :

• LiLFA (Lithium-Lorentz Force Accelerator) : le propulsif est du lithium, substance à bas potentiel d'ionisation, vaporisé à la sortie du tube. Des propulseurs de ce type ont été testés en Russie durant 500 heures en continu sans érosion notable des électrodes. Un LiLFA « typique » fonctionnant avec une puissance de 200 kWe offre une poussée continue de 12 newtons, une vitesse d'éjection de 45 km/s (impulsion spécifique de 4500 secondes) et un rendement propulsif de 50 %. Ce rendement atteint 30 % dès 30 kWe.
• ALFA² (Advanced Lithium-Fed/Applied-field Lorentz Force Accelerator) : version haute puissance des AF-LiLFA (équipée d'un solénoïde) à haut rendement (plus de 60 %) capable d'assurer des poussées de 200 newtons par propulseur dans la classe multi-megawatts, pour de futurs vaisseaux interplanétaires habités.