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Propulsion ionique

Principe physique

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

Cette force permet d'accélérer la particule.

A coté de cette simplicité de principe la propulsion ionique soulève une complexité pour obtenir un moteur réellement efficace.

Description Technique

Un propulseur ionique ce compose essentielement de trois éléments :

• Une source d'ion 

  Cet à dire un dispositif d'ionisation permettant de séparer les ions des électrons.

On cherche principalement à obtenir une production d'ion en grande quantité avec une charge uniforme grace 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 creuse qui permettent de recombiner électrons et ions pour éviter qu'une charge d'espace apparaisse sur le propulseur et le système spatial auquel il est associé (satellite, sonde, etc.).

Les principaux propulsif utilisé sont : Césium, Sodium, Lithium, Platine, Xénon. C'est ce dernier qui est le plus souvant employé qui émet une belle couleur bleutée comparable à celle des phares d'automobile performant.

Fonctionnement

• Deux principales méthodes de production d'ion :

  L'ionisation par contact 

Le propulsif est vaporisé et circule dans une structure métallique portée à haute température. Le contact avec le métal qui à une fonction de travail élevé va arracher les électrons aux atome 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 sytème d'émission électronique se charge de neutraliser le faisceau.

Caractéristiques & 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 dizaines 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 calculé facilement à partir du courant ionique de sortie.

Exemples

pour les missions lointaines :

• Deep Space 1.
• Smart-1 (300 kg a consommé moins de 85 kg pour parvenir en treize mois à la lune).