Propulseur magnétoplasmadynamique - Définition et Explications

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Introduction

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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 (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) proche de l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) spatiale au XXIe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...). Cette propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant....) de nature électromagnétique, conceptualisée dès 1964, utilise la force de Lorentz (En physique, la force de Lorentz désigne :) (force électromagnétique résultant de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) entre un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) et un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique) pour accélérer un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) ionisé appelé plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...), qui procure une poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...) par réaction. C'est un type d'accélérateur MHD (Un accélérateur MHD (magnétohydrodynamique) est un convertisseur MHD qui met en...) (magnétohydrodynamique) spatial dont le fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) propulsif est un plasma.

Description

Propulseur MPD à champ induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) (SF-MPDT)

Le propulseur magnétoplasmadynamique (Un propulseur magnétoplasmadynamique (MPD ou MPDT pour magnetoplasmadynamic thruster),...) se compose d’une tuyère (Une tuyère ou tuyère propulsive, dans le domaine de l'astronautique, est un conduit (appelé...) divergente munie d'électrodes. Au centre de la tuyère se situe la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction...) sous forme d'une tige (La tige est chez les plantes, l'axe généralement aérien, qui prolonge la racine et...) métallique axiale. Sur le pourtour du « coquetier » est placée l’anode circulaire.

De l'hydrazine (L’hydrazine (ou Diazène), de formule chimique N2H4 et de formule...), ou plus souvent un gaz rare (généralement de l'argon (L’argon est un élément chimique, de symbole Ar et de numéro atomique 18.) ou du xénon) est injecté à la base de la tige centrale. Un très fort arc électrique (Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La...) (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 (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de lui un puissant champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) azimutal, d'intensité maximale à cet endroit de plus forte densité de courant (La densité de courant électrique est définie comme le courant électrique par unité de surface...). Le courant électrique s'épanouit ensuite radialement en corolle vers l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la...) 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 (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) de la propulsion spatiale (Cet article présente le concept de propulsion spatiale, c'est-à-dire tout système permettant de...) classique, la propulsion n'est donc pas issue d'une combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...).

Modes de fonctionnement

L'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) 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 (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....). 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 (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.), substance à bas potentiel d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...), vaporisé à la sortie du tube. Des propulseurs de ce type ont été testés en Russie durant 500 heures (L'heure est une unité de mesure  :) en continu sans érosion notable des électrodes. Un LiLFA « typique » fonctionnant avec une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de 200 kWe offre une poussée continue de 12 newtons, une vitesse (On distingue :) 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.
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