Les torches à plasma inductives
dans la recherche aérospatiale
Un défi passionnant
Un des plus intéressants problèmes de la physique des plasmas hors d'équilibre trouve une importance vitale dans une des plus
passionnantes aventures humaines du siècle en cours.
Ce défi consiste à comprendre quels sont les principaux phénomènes physiques et chimiques intervenant
lors de l'entrée d'un engin hypersonique dans une atmosphère planétaire.
Plus précisément, il s'agit de savoir comment le plasma crée derrière l'onde de choc interagit avec la paroi de l'engin spatial.
L'objectif fascinant est d'être capable de permettre à des cosmonautes de marcher sur Mars et de revenir saisn et saufs sur Terre.
Les installations existantes
Afin d'étudier l'interaction de matériaux avec des écoulements à haute enthalpie, 3 sortes d'installation au sol sont communément utilisées :
les tubes à choc, les plasmas d'arc et les plasmas inductifs (ICP).
Les souffleries à choc peuvent fidèlement reproduire les conditions rencontrées dans une couche de choc d'entrée atmosphérique.
Le rayonnement et la cinétique chimique derrière l'onde choc peuvent être étudiés dans le tube à choc.
Des écoulements hypersoniques peuvent être obtenus en adaptant une tuyère convenable à l'extrémité du tube à choc :
les conditions de choc réfléchi sont alors les conditions génératrices.
Néanmoins, de très hautes enthalpie ne peuvent être obtenues qu'en utilisant de très grosses souffleries telles que HIEST au Japon (25 MJ/kg)
Un tube à choc n'est pas nécessaire pour créer des écoulements hypersonique puisque les conditions génératrices peuvent être obtenues
par un arc électrique de forte puissance tel que dans la soufflerie française F4 de l'ONERA (16,5 MJ/kg)
Ces installations sont particulièrement adaptées pour étudier l'aérodynamique et les flux d'énergie pour un point particulier de la trajectoire d'entrée d'un engin.
Néanmoins, deux handicaps limitent l'utilisation de telles installations : leur coût élevé et la faible durée des essais empêchant d'étudier
les interactions plasma-surface.
De plus, les études de cinétique chimique requièrent des gaz très purs et pas de pollution externe, conditions difficiles à réaliser dans les grosses installations de taille industrielle.
Le problème de la pureté des gaz est aussi présent dans les plasmas d'arc à cause de l'oxydation des électrodes par des gaz et mélanges de gaz contenant de l'oxygène
tels que N2/O2 et CO2/N2 utilisés pour simuler les atmosphères terrestres et martiennes respectivement.
Un plasma propre, c'est à dire sans atome métallique, peut être obtenu uniquement à des pressions inférieures à 100 Pa c'est à dire 2 ou 3 ordres de grandeur inférieurs
aux pressions rencontrées dans une couche de choc.
Dans les grosses installations, il est généralement possible de limiter l'oxydation des électrodes grâce à un refroidissement efficace, un arc tournant
une injection de gaz tournante. Cependant, les plasmas générés dans de telles torches sont proches de l'équilibre thermodynamique et
ne conviennent plus pour reproduire les conditions d'entrée atmosphérique.
Pour les applications non liées à la cinétique chimique, les plasmas d'arc présentent de notables avantages :
les torches à plasma d'arc sont simples et fiables, leurs rendements sont élevées ce qui permet d'obtenir
des enthalpies élevées dans des installations de taille réduite.
De plus, il est possible d'obtenir aisément des jets supersoniques en équipant la sortie de la chambre d'une tuyère convenable.
La plus grosse installation en Europe s'appelle Scirocco et est située au CIRA en Italie. Son arc segmenté atteint une puissance de 70 MW.
Les plasmas d'arc sont également capables de fonctionner plusieurs heures à l'état stationnaire.
Les torches à plasma à couplage inductif
La stabilité est aussi une caractéristique des réacteurs électromagnétiques tels que les décharges micro-onde ou capacitives utilisées pour
ioniser de faible débit dans de petits volumes. Ils partagent cette propriété avec les torches à plasma à couplage inductif dans lesquelles
le plasma n'est pas en contact avec les électrodes évitant ainsi toute pollution. La plus puissante installation de ce
type en Europe est détenue par l'Institut von Kármán de Bruxelles avec une puissance de 1.2 MW.
Quel que soit le type de réacteur (cage métallique froide, double tube refroidi, simple tube non refroidi),
the gaz test est injecté dans un tube de quartz entouré de spires de cuivres au nombre de 2 à 7 refroidies
par eau déminéralisée. En raison de la faible conductivité électrique des gaz, de forte puissance (qui
dépendent du débit massique de gaz) sont nécessaires pour créer un plasma initié par un processus de
pré-ionisation.
Il est possible de l'obtenir à l'aide d'une électrode haute tension externe appliquée sur le tube de quartz ou par
une électrode de masse placée dans la zone de création et retirée lorsque le plasma est allumée (le même
effet peut être obtenu avec un barreau de graphite chauffé).
Néanmoins, dan sle cas d'études à basse pression comme celles menées pour les problèmes d'entrées atmosphériques,
le champ électrique appliqué est la source des électrons-germes.
Lorsque le courant haute fréquence parcoure le solénoïde, un champ magnétique oscillant et un champ électrique induit
également oscillant prennent place dans le tube de quartz.
Les deux champs sont reliés par la loi de Maxwell-Faraday and sont utilisés pour accélérer les premiers
électrons du plasma.
Les collisions de ces électrons rapides avec les particules lourdes génèrent de nouveaux électrons par ionisation et ainsi de suite.
Le plasma est auto-entretenu si le taux d'ionisation demeure plus élevé que le taux de recombinaison.
A l'intérieur du tube, le champ électromagnétique n'est pas homogène : une épaisseur de peau
d
prend place à proximité du tube de quartz.
Cette grandeur apparaît dans les calculs lors de la résolution de l'équation de Maxwell-Faraday.
Le champ est maximum à cette distance des spires. L'épaisseur de cette couche est de quelques millimètres et dépend de la conductivité électrique
du gaz s et de la fréquence d'oscillation f selon l'expression suivante :
où µ est la perméabilité magnétique.
La part principale de la puissance injectée l'est dans cette couche proche du tube de quartz.
La région centrale est chauffée par conduction, convection et rayonnement.
Une fréquence plus basse répartirait mieux l'énergie dans tout le volume mais cependant l'épaisseur de pénétration ne doit pas
être plus grande que le rayon du tube au risque d'annuler le champ électromagnétique.
De plus la densité de puissance est plus élevée avec des hautes fréquences.
En effet, la puissance injectée peut s'écrire comme suit :
où I est le courant injecté, a et l le rayon et la longueur du milieu respectivement et n le nombre de spires du solénoïde.
Un compromis doit donc être trouvé et les fréquences utilisées sont comprises entre 0,4 et 2,7 MHz.
D'autre part comme la conductivité thermique des gaz polyatomiques est plus grande que celle des gaz monoatomiques,
l'air et le dioxyde de carbone réclame plus de puissance que l'argon pour générer un plasma.
Les gaz monoatomiques sont donc souvent utiliser pour l'allumage. Cependant, cette phase peut être thermiquement critique car l'épaisseur de
peau est par conséquent si petite que le plasma se retrouve très près du tube de quartz.
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