EP3592648A1 - Assemblage électrodynamique pour la propulsion d'un engin spatial en orbite autour d'un astre possédant un champ magnétique - Google Patents

Assemblage électrodynamique pour la propulsion d'un engin spatial en orbite autour d'un astre possédant un champ magnétique

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Publication number
EP3592648A1
EP3592648A1 EP18713313.7A EP18713313A EP3592648A1 EP 3592648 A1 EP3592648 A1 EP 3592648A1 EP 18713313 A EP18713313 A EP 18713313A EP 3592648 A1 EP3592648 A1 EP 3592648A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coaxial cable
assembly
electrodynamic
return circuit
current return
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18713313.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédéric Raphaël Jean MARCHANDISE
Laurent Godard
Benjamin Laurent
Michaël OBERG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Aircraft Engines SAS filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
Publication of EP3592648A1 publication Critical patent/EP3592648A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/64—Systems for coupling or separating cosmonautic vehicles or parts thereof, e.g. docking arrangements
    • B64G1/648—Tethers
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/40—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation for high voltage, e.g. affording protection against corona discharges
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
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    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path

Definitions

  • the invention relates to a compact electrodynamic cable for the propulsion of satellites in orbit of planets having a magnetic field.
  • lanyards very strong electrodynamics, known as lanyards, and deployed over long lengths to be used here as engines by transforming the electrical energy of the cable into kinetic energy.
  • the displacement of the lanyards results from the expression of the Lorentz force exerted on this cable in the Earth's magnetic field, the displacement
  • the Lorentz force is the electromagnetic force then experienced by the charged cable in the Earth's electromagnetic field, this force causing the displacement of the cable.
  • the cable length of 1000 m traversed by a current of 1 A is 30 mN theoretically in terrestrial orbit, which is comparable to that which is done in electric propulsion ion or plasma.
  • the deployment in orbit of the lanyards is often delicate because they must be light despite the very long cable length.
  • the mechanical dynamics is critical because of the need for a current return by a cathode at the other end which is part of an equipment related to a second bound satellite and which uses the ambient plasma as a return current.
  • the return by the ambient plasma can furthermore generate other constraints in that strong currents which are not admissible by the wire can be generated as a function of the conduction of the ambient plasma and the charge of the satellite.
  • captive propulsion solutions using lanyards can provide assistance or a solution without chemical propulsion at the arrival of satellites near planets with a magnetic field.
  • the JUICE probe will have to provide a speed differential ⁇ of 900 m / s in the current all-chemical configuration.
  • Plasma propulsion alone generally requires a supply energy often not found on site due to the insufficient production efficiency of solar panels, the low power of thermionic radio generators (RTG). Electrodynamic lanyards both provide energy to a plasma engine while contributing to deceleration for orbiting.
  • the invention aims to overcome the drawbacks mentioned above by providing a coaxial cable and an electrodynamic assembly configured to be on board a spacecraft and allowing a current return protected from ambient electrical disturbances.
  • An object of the invention proposes a coaxial cable for an electrodynamic assembly for the propulsion of a spacecraft in orbit around a star having a magnetic field, the cable comprising an electrically conductive core surrounded by a first electrically insulating sheath.
  • the coaxial cable further comprises a current return circuit of electrically conductive and magnetically conducting material mounted outside the first electrically insulating sheath, the current return circuit comprising a first end electrically connected to a first end of said cable core.
  • the coaxial cable according to the invention makes it possible to have a current return that is not subject to the electromagnetic variations of the ambient plasma since the current return is achieved through the solid electrical conductor of the current return circuit and not via the ambient plasma in the room. coaxial cable environment.
  • the coaxial cable may further comprise a coating of magnetically conductive material surrounding said first electrically insulating sheath.
  • the coating of magnetically conductive material makes it possible to carry out an external magnetic shielding reducing the electromagnetic disturbances perceived by the core of the coaxial cable.
  • the electrically conductive and magnetically conductive material of the return circuit may be ⁇ or soft iron.
  • the current return circuit comprises an electrically conductive wire.
  • the current return circuit may be formed by said coating of magnetically conductive material surrounding said first electrically insulating sheath.
  • the current return circuit may comprise a layer of copper or gold disposed on the coating of magnetically conductive material.
  • the realization of the return circuit with a coating, for example iron or mu-metal, and a copper layer covering the iron improves electrical conduction of the return circuit while reducing the thickness of the return circuit, and thus have a return circuit having a sufficiently small thickness to limit the weight while allowing the presence of a sufficient magnetic braking field.
  • the additional coating can be deposited chemically or electrolytically.
  • the cable may further comprise a second electrically insulating sheath surrounding the current return circuit.
  • the second electrically insulating sheath makes it possible to protect the current return circuit from any possible electrical disturbance.
  • Another object of the invention proposes an electrodynamic assembly for the propulsion of a spacecraft in orbit around a star having a magnetic field.
  • the electrodynamic assembly comprises at least one coaxial cable as defined above.
  • the insensitivity to the ambient plasma magnetic field of the current return of the coaxial cable makes it possible to improve the efficiency of the assembly and thus to reduce the length of the assembly. Reducing the length required for operation avoids using a lanyard and thus to overcome the problems associated with the use of an electrodynamic lanyard, including problems relating to its deployment or kinematics.
  • the assembly may comprise a series coupling of the coaxial cables.
  • the series coupling of the coaxial cables of the sheath thus makes it possible to put the cores and the return circuits of the cables in series so that, if a current flows, the return circuits all see the same direction of current and the souls all see the same direction of current which is the direction opposite to the direction of circulation in the return circuits.
  • the coaxial cables can be grouped together to form at least one bundle to increase the interaction area with the magnetic field on the same length of electrodynamic assembly.
  • the bundle configuration makes it possible to increase the current generated by the magnetic field for the same assembly length, and thus reduce all the more the useful assembly length for the desired power of current.
  • each coaxial cable may have a length corresponding to the length of the electrodynamic assembly.
  • the electrodynamic assembly comprises a plurality of bundles successively aligned to form the length of the electrodynamic assembly.
  • the assembly may comprise an input terminal formed by a second free end of the core of a coaxial cable and an output terminal formed by a second free end of the return circuit. another coaxial cable.
  • the input terminal and the output terminal are intended to be coupled to the terminals of an electric alternator configured to, in a first mode, deliver an electric current into the assembly when the space assembly to which the assembly is associated must be desorbed, and, in a second mode, transfer the current delivered by the electrodynamic assembly in response to the interaction of the magnetic field of the star with the magnetically conductive surfaces of the electrodynamic assembly in energy storage means, such as a battery.
  • an electric alternator configured to, in a first mode, deliver an electric current into the assembly when the space assembly to which the assembly is associated must be desorbed, and, in a second mode, transfer the current delivered by the electrodynamic assembly in response to the interaction of the magnetic field of the star with the magnetically conductive surfaces of the electrodynamic assembly in energy storage means, such as a battery.
  • Yet another object of the invention proposes a spacecraft adapted to be placed in orbit around a star having a magnetic field, the spacecraft comprising an electrodynamic assembly as defined above.
  • FIGS. 2A, 2B, 2C and 2D each have a perspective view of an electrodynamic assembly according to a first and a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 illustrates an electrical diagram for coupling the coaxial cables of the electrodynamic assembly according to the first and second embodiments of the invention.
  • FIG. 4 illustrates a circuit diagram for coupling the coaxial cables of the electrodynamic assembly according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 1 presents a schematic representation of a spacecraft 1 equipped with an electrodynamic assembly according to the invention.
  • the spacecraft 1 comprises an artificial satellite 2 comprising an electric generator and may comprise means of chemical directional propulsion or other, the artificial satellite 2 further comprising an electrodynamic assembly 3 with a length of 1000 m and extending between a first free end 5 of the electrodynamic assembly 3 and a second end 6 attached to the artificial satellite
  • the electrodynamic assembly 3 comprises a plurality of coaxial cables 7 assembled in a bundle, each coaxial cable 7 having a length corresponding to the length of the electrodynamic assembly 3.
  • each coaxial cable 7 comprises an electrically conductive central core 8 surrounded by a first electrically insulating sheath 9.
  • the core 8 is copper or another electrically conductive metal such as gold or silver for example.
  • the first sheath 9 is covered on its outer face by a coating 10 of magnetically conductive material, such as melamine or soft iron for example.
  • the coating 10 of magnetically conductive material makes it possible to make the inner part of the cable coaxial 7 where the inner conductor, that is to say the core 8, is located, insensitive to the surrounding magnetic fields.
  • each coaxial cable 7 further comprises an electrically conductive current return circuit 11.
  • the current return circuit 11 has a first and a second end respectively denoted 111 and 112, and the core 8 has a first and a second end respectively denoted 81 and 82.
  • the first ends 81 and 111 of the core 8 and of the current return circuit 11 are at the same end of the bundle, and the second ends 82 and 112 of the core 8 and the current return circuit 11 are at the same second end of the bundle.
  • the second end 82 of its core 8 is electrically connected to the second end 112 of its current return circuit 11.
  • the coaxial cables 7 of the electrodynamic assembly 3 thus make it possible to achieve a return not by the ambient plasma but by the coaxial cable 7 itself by using a design where only the external element, that is to say the current return circuit 10, is subject to the earth's magnetic field since only the axis 8 inserted in the first sheath 9 is inside the magnetically conductive coating 10 forming a magnetic shielding.
  • each coaxial cable 7 further comprises a second electrically insulating sheath 13 covering the current return circuit 11.
  • the second electrically insulating sheath 13 makes it possible to electrically isolate each of the coaxial cables 7 from the bundle. other coaxial cables 7 of the bundle, and more particularly to isolate the current return circuit 11 of a coaxial cable 7 of the current return circuit 11 of another coaxial cable 7.
  • the coaxial cables 7 of a bundle are electrically isolated except for the electrical connections made between the current return circuit 11 of a coaxial cable 7 and the core 8 of another coaxial cable, as illustrated in FIGS. 2A to 2D, 3 and 4 .
  • the second embodiment illustrated in FIG. 2B differs from the first embodiment illustrated in FIG. 2A in that the electrical insulation of the current return circuits 11 of each coaxial cable 7 is carried out not with the aid of FIG. a second sheath 13 for each coaxial cable 7, but with a single sheath 130 in which each coaxial cable 7 is embedded in the mass.
  • the third embodiment illustrated in FIG. 2C differs from the first embodiment illustrated in FIG. 2A in that the current return circuit 110 is formed by the coating 10, the material of the coating 10 being magnetically conductive and electrically conductive.
  • the coating 10 may be for example soft iron. Since the soft iron is a less good electrical conductor than copper, for the current return circuit 110 to have an electrical conduction comparable to that of the current return circuit 11 of the first embodiment, the thickness of the coating 10 in the third embodiment is greater than that of the coating in the first embodiment.
  • the fourth embodiment illustrated in FIG. 2D differs from the first embodiment illustrated in FIG. 2A in that the current return circuit 1100 comprises an electrically conductive wire 14 covered with an electrical insulator 15 instead of the electrically insulating layer.
  • copper 12 the second electrically insulating sheath 13 being mounted directly on the magnetically conductive coating.
  • the electrical wire 14 is held outside the magnetic shield and preferably on the outside of the bundle to remain in the space sensitive to the surrounding magnetic field.
  • FIG. 3 shows an electrical diagram for coupling the coaxial cables 7 of the electrodynamic assembly 3 according to the first, second and third embodiments of the invention.
  • the coaxial cables 7 of the electrodynamic assembly 3 are electrically coupled in series to form a circuit in series with an input terminal 16 connected to a first end 81 of the core 8 of a first coaxial cable 71 and an output terminal 17 connected to a first end 111 of the current return circuit 11 of a second coaxial cable 72.
  • Each coaxial cable 73 between the first coaxial cable 71 and the second coaxial cable 72 comprises a second end 82 of its core 8 electrically coupled to a second end 112 of its current return circuit 11, the first end 111 of the coaxial cable 73.
  • current 11 of a coaxial cable 73 being electrically coupled to the first end 81 of the core 8 of a next coaxial cable and the first end 81 of the core 8 of a coaxial cable 73 being electrically coupled to the first end 111 of the current return circuit 11 of a previous coaxial cable.
  • the cores 8 and the current return circuits 11 of the coaxial cables 7 are thus electrically coupled in series so that if a current flows, the current return circuits 11 all see the same direction of current and the souls 8 all see the opposite direction of the current return circuits 11.
  • the current return circuit 11 of a coaxial cable 7 comprises a layer 12 of electrically conductive coating covering the coating 10 made of magnetically conductive material which covers the first sheath insulating 9 of the coaxial cable 7.
  • the return circuit 110 of a coaxial cable 7 is formed directly by the coating 10 which is formed at least partially by an electrically conductive and magnetically conductive material.
  • FIG. 4 shows an electrical diagram for coupling the coaxial cables 7 of the electrodynamic assembly 3 according to the fourth embodiment of the invention illustrated in FIG. 2D.
  • the current return circuit 1100 of the coaxial cables 7 is through the unprotected wire 14 connected to the ambient magnetic field.
  • the diameter of the core 8 of the coaxial cables varies between 0.08 mm and 11.7 mm depending on the current to be passed through the core 8, and the thickness of the first and second sheaths 9 and 13 electrically insulating is of the order of 0.1 mm for a voltage of 1000 V.
  • the coating 10 forming the magnetic barrier has a thickness of the order of 0.1 mm for a terrestrial application, that is to say for an electrodynamic assembly 3 to be mounted on a satellite 2 for use in the Earth's magnetic field, and the copper layer 12 has a thickness varying between less than 0.01 mm and 2.3 mm.
  • the artificial satellite 2 being mobile in the Earth's magnetic field, its speed v combined with the presence of a magnetic field B will create on the return circuits 10 a voltage proportional to their length.
  • the return current through the cores 8 is limited by the voltage on the electrical resistance of the core 8.
  • the coaxial cables 7 being in number, this creates a continuous current which is also a Laplace force generator opposing the speed v of the artificial satellite 2. This is a good way to create a force of the order of 1 to 100 mN continuously which can be used for the deorbitation.
  • the invention thus provides an electrodynamic assembly configured to be embarked aboard a spacecraft and allowing a current return protected from ambient electrical disturbances.

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Abstract

Un assemblage électrodynamique (3) pour la propulsion d'un engin spatial (1) en orbite autour d'un astre possédant un champ magnétique, comprenant au moins un câble coaxial (7) comprenant une âme (8) électriquement conductrice entourée d'une première gaine (9) électriquement isolante. Ledit au moins un câble coaxial (7) comprend en outre un circuit de retour de courant (11, 110, 1100) électriquement conducteur monté à l'extérieur de la première gaine (9) électriquement isolante, le circuit de retour de courant (11, 110, 1100) comportant une première extrémité (112) électriquement raccordée à une première extrémité (82) de ladite âme (8) du câble coaxial (7).

Description

ASSEMBLAGE ÉLECTRODYNAMIQUE POUR LA PROPULSION D'UN ENGIN SPATIAL EN ORBITE AUTOUR D'UN ASTRE POSSÉDANT UN CHAMP MAGNÉTIQUE
Arrière-plan de l'invention
5 L'invention concerne un câble électrodynamique compact pour la propulsion de satellite en orbite de planètes possédant un champ magnétique.
Suite à la Loi française sur les Opérations Spatiales, il faut assurer, pour les satellites en orbite autour de la Terre, la désorbitation en
10 moins de 25 ans des satellites dans les tranches d'orbites « protégées », en particulier dans la zone orbite basse en dessous de 2000 km.
Pour réaliser une désorbitation des satellites, il est connu diverses solutions dont des solutions dites de propulsion captive, ou « space tether » en anglais. La propulsion captive utilise des câbles
15 électrodynamiques très résistants, connus sous le nom de longes, et déployés sur de grandes longueurs pour être utilisés ici comme moteurs en transformant l'énergie électrique du câble en énergie cinétique. Le déplacement des longes résulte de l'expression de la force de Lorentz exercée sur ce câble dans le champ magnétique terrestre, le déplacement
20 de la longe étant généré par l'alimentation de la longe avec un courant continu. La force de Lorentz est la force électromagnétique alors subie par le câble chargé dans le champ électromagnétique terrestre, cette force entraînant le déplacement du câble.
L'ordre de grandeur du maximum de la force de Lorentz sur un
25 câble d'une longueur de 1000 m parcouru par un courant de 1 A est de 30 mN théoriquement en orbite terrestre, ce qui est comparable à ce qui se fait en propulsion électrique à ion ou plasma.
Ces câbles peuvent aussi être utilisés comme générateur de courant sous l'effet naturel de leur tension dans le champ
30 électromagnétique terrestre qui peut être élevée et proportionnelle à leur longueur.
L'intégration de ces longes électrodynamiques à un satellite nécessite une infrastructure sur satellite complexe à mettre en oeuvre notamment du fait du mécanisme de déploiement, de la grande longueur 35 des câbles à enrouler/dérouler, du bout de câble constituant un mini satellite avec émetteur d'électrons (cathode), de la dynamique mécanique des deux satellites et du fil les reliant en orbite complexe et dangereuse parfois, ainsi que de la conductivité aléatoire du plasma ambiant dépendant aussi de la météorologie spatiale solaire.
Le déploiement en orbite des longes est souvent délicat car ils se doit d'être léger malgré la très grande longueur de câble. La dynamique mécanique est critique du fait de la nécessité de réaliser un retour de courant par une cathode à l'autre bout qui fait partie d'un équipement apparenté à un second satellite lié et qui utilise le plasma ambiant comme retour de courant. Le retour par le plasma ambiant peut en outre générer d'autres contraintes en ce que des courants forts non admissibles par le fil peuvent être générés en fonction de la conduction du plasma ambiant et de la charge du satellite.
Par ailleurs, les solutions de propulsion captive utilisant des longes permettent d'apporter une aide ou une solution sans propulsion chimique lors de l'arrivée des satellites près des planètes possédant un champ magnétique. Pour Jupiter, la sonde JUICE devra fournir un différentiel de vitesse Δν de 900 m/s dans la configuration actuelle tout chimique.
La propulsion plasmique seule nécessite généralement une énergie d'alimentation souvent introuvable sur place du fait de l'insuffisance d'efficacité de production des panneaux solaires, de la faible puissance des générateurs radio thermoïonique (RTG). Les longes électrodynamiques permettent à la fois de fournir une énergie à un moteur à plasma tout en contribuant à la décélération pour mise en orbite.
II a notamment été montré dans l'article IEPC-2015-065
« Electric Propulsion for deep space : a study case « Jupiter Icy Moon » with EP » que la propulsion électrique à effet Hall pourrait réduire la masse du satellite initial de 5000 kg à 2500 kg et que le besoin en Δν à l'arrivée près de Jupiter pouvait être réduit à 520 m/s.
Objet et résumé de l'invention
L'invention vise à pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus en fournissant un câble coaxial et un assemblage électrodynamique configuré pour être embarqué à bord d'un engin spatial et permettant un retour de courant protégé des perturbations électriques ambiantes. Un objet de l'invention propose un câble coaxial pour un assemblage électrodynamique pour la propulsion d'un engin spatial en orbite autour d'un astre possédant un champ magnétique, le câble comprenant une âme électriquement conductrice entourée d'une première gaine électriquement isolante.
Selon une caractéristique générale de l'invention, le câble coaxial comprend en outre un circuit de retour de courant en matériau électriquement conducteur et magnétiquement conducteur monté à l'extérieur de la première gaine électriquement isolante, le circuit de retour de courant comportant une première extrémité électriquement raccordée à une première extrémité de ladite âme du câble.
Le câble coaxial selon l'invention permet d'avoir un retour de courant non soumis aux variations électromagnétiques du plasma ambiant puisque le retour de courant est réalisé au travers du conducteur électrique solide du circuit de retour de courant et non via le plasma ambiant dans l'environnement du câble coaxial.
Selon un premier aspect du câble coaxial, le câble coaxial peut comprendre en outre un revêtement en matériau magnétiquement conducteur entourant ladite première gaine électriquement isolante.
Le revêtement en matériau magnétiquement conducteur permet de réaliser un blindage magnétique externe réduisant les perturbations électromagnétiques perçues par l'âme du câble coaxial.
Le matériau électriquement conducteur et magnétiquement conducteur du circuit de retour peut être du μητιέίΒΐ ou du fer doux.
Selon un deuxième aspect du câble coaxial, le circuit de retour de courant comprend un fil électriquement conducteur.
Dans une première variante du deuxième aspect du câble coaxial, le circuit de retour de courant peut être formé par ledit revêtement en matériau magnétiquement conducteur entourant ladite première gaine électriquement isolante.
L'utilisation d'un revêtement plutôt qu'un fil permet de réduire la masse totale du câble.
Selon une seconde variante du deuxième aspect du câble coaxial, le circuit de retour de courant peut comprendre une couche de cuivre ou d'or disposée sur le revêtement en matériau magnétiquement conducteur. Le fer pur étant moins conducteur que le cuivre, la réalisation du circuit de retour à l'aide d'un revêtement, par exemple en fer ou en mu-métal, et d'une couche de cuivre recouvrant le fer, permet d'améliorer la conduction électrique du circuit de retour tout en réduisant l'épaisseur du circuit de retour, et ainsi avoir un circuit de retour présentant une épaisseur suffisamment faible pour limiter le poids tout en permettant la présence d'un champ magnétique de freinage suffisant. Le revêtement supplémentaire peut être déposé de façon chimique ou électrolytique.
Selon un troisième aspect du câble coaxial, le câble peut comprendre en outre une seconde gaine électriquement isolante entourant le circuit de retour de courant.
La seconde gaine électriquement isolante permet de protéger le circuit de retour de courant de toute éventuelle perturbation électrique.
Un autre objet de l'invention propose un assemblage électrodynamique pour la propulsion d'un engin spatial en orbite autour d'un astre possédant un champ magnétique.
Selon une caractéristique générale de l'assemblage électrodynamique selon l'invention, celui-ci comprend au moins un câble coaxial tel que défini ci-dessus.
L'insensibilité au champ magnétique du plasma ambiant du retour de courant du câble coaxial permet d'améliorer le rendement de l'assemblage et ainsi de réduire la longueur de l'assemblage. La réduction de la longueur nécessaire pour le fonctionnement permet d'éviter d'utiliser une longe et ainsi de s'affranchir des problèmes associés à l'utilisation d'une longe électrodynamique, notamment les problèmes relatifs à son déploiement ou à sa cinématique.
Selon un premier aspect de l'assemblage électrodynamique, l'assemblage peut comprendre un couplage en série des câbles coaxiaux.
Le couplage en série des câbles coaxiaux de la gaine permet ainsi une mise en série des âmes et des circuits de retour des câbles de telle sorte que si un courant circule, les circuits de retour voient tous le même sens de courant et les âmes voient toutes le même sens de courant qui est le sens opposé au sens de circulation dans les circuits de retour.
Selon un deuxième aspect de l'assemblage électrodynamique, les câbles coaxiaux peuvent être regroupés pour former au moins un fagot pour augmenter la surface d'interaction avec le champ magnétique sur une même longueur d'assemblage électrodynamique.
La configuration en fagot permet d'augmenter le courant généré par le champ magnétique pour une même longueur d'assemblage, et ainsi réduire d'autant plus la longueur d'assemblage utile pour la puissance de courant souhaitée.
Dans un premier mode de réalisation, chaque câble coaxial peut présenter une longueur correspondant à la longueur de l'assemblage électrodynamique. Dans un second mode de réalisation, l'assemblage électrodynamique comprend une pluralité de fagots alignés successivement pour former la longueur de l'assemblage électrodynamique.
Selon un troisième aspect de l'assemblage électrodynamique, l'assemblage peut comprendre une borne d'entrée formée par une seconde extrémité libre de l'âme d'un câble coaxial et une borne de sortie formée par une seconde extrémité libre du circuit de retour d'un autre câble coaxial.
La borne d'entrée et la borne de sortie sont destinées à être couplées aux bornes d'un alternateur électrique configuré pour, dans un premier mode, délivrer un courant électrique dans l'assemblage lorsqu'engin spatial auquel est associé l'assemblage doit être désorbité, et, dans un second mode, transférer le courant délivré par l'assemblage électrodynamique en réaction à l'interaction du champ magnétique de l'astre avec les surfaces magnétiquement conductrices de l'assemblage électrodynamique dans des moyens de stockage d'énergie, tels qu'une batterie.
Encore un autre objet de l'invention propose un engin spatial apte à être mis en orbite autour d'un astre possédant un champ magnétique, l'engin spatial comprenant un assemblage électrodynamique telle que défini ci-dessus.
Brève description des dessins.
L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 présente une représentation schématique d'un engin spatial muni d'un assemblage électrodynamique selon l'invention ;
- les figures 2A, 2B, 2C et 2D présentent chacun une vue en perspective d'un assemblage électrodynamique selon un premier et un deuxième modes de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 illustre un schéma électrique de couplage des câbles coaxiaux de l'assemblage électrodynamique selon les premier et deuxième modes de réalisation de l'invention ; et
- la figure 4 illustre un schéma électrique de couplage des câbles coaxiaux de l'assemblage électrodynamique selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
La figure 1 présente une représentation schématique d'un engin spatial 1 muni d'un assemblage électrodynamique selon l'invention.
L'engin spatial 1 comprend un satellite artificiel 2 comportant un générateur électrique et pouvant comporter des moyens de propulsion directionnelle chimique ou autre, le satellite artificiel 2 comprenant en outre un assemblage électrodynamique 3 d'une longueur de 1000 m et s'étendant entre une première extrémité libre 5 de l'assemblage électrodynamique 3 et une seconde extrémité 6 fixée au satellite artificiel
2.
Comme cela est illustré sur les figures 2A, 2B, 2C et 2D qui présentent chacun une vue en perspective d'un assemblage électrodynamique 3 respectivement selon un premier, un deuxième, un troisième et un quatrième modes de réalisation de l'invention, l'assemblage électrodynamique 3 comprend plusieurs câbles coaxiaux 7 assemblés en fagot, chaque câble coaxial 7 présentant une longueur correspondant à la longueur de l'assemblage électrodynamique 3.
Dans les quatre modes de réalisation illustrés sur les figures 2A à 2D, chaque câble coaxial 7 comprend une âme 8 centrale électriquement conductrice entourée d'une première gaine 9 électriquement isolante. L'âme 8 est en cuivre ou dans un autre métal électriquement conducteur comme l'or ou l'argent par exemple. La première gaine 9 est recouverte sur sa face externe par un revêtement 10 en matériau magnétiquement conducteur, comme du pmétal ou du fer doux par exemple. Le revêtement 10 en matériau magnétiquement conducteur permet de rendre la partie interne du câble coaxial 7 où se trouve le conducteur interne, c'est-à-dire dire l'âme 8, peu sensible aux champs magnétiques environnants.
Dans les quatre modes de réalisation illustrés sur les figures 2A à 2D, chaque câble coaxial 7 comprend en outre un circuit de retour de courant 11 électriquement conducteur. Le circuit de retour de courant 11 présente une première et une seconde extrémités notées respectivement 111 et 112, et l'âme 8 présente une première et une seconde extrémités notées respectivement 81 et 82. Les premières extrémités 81 et 111 de l'âme 8 et du circuit de retour de courant 11 sont à une même première extrémité du fagot, et les secondes extrémités 82 et 112 de l'âme 8 et du circuit de retour de courant 11 sont à une même seconde extrémité du fagot. Pour chaque câble coaxial 7 du fagot, la seconde extrémité 82 de son âme 8 est électriquement raccordée à la seconde extrémité 112 de son circuit de retour de courant 11.
Les câbles coaxiaux 7 de l'assemblage électrodynamique 3 permettent ainsi de réaliser un retour non pas par le plasma ambiant mais par le câble coaxial 7 lui-même en utilisant une conception où seul l'élément externe, c'est-à-dire le circuit de retour de courant 10, est soumis au champ magnétique terrestre puisque seule l'axe 8 insérée dans la première gaine 9 est à l'intérieur du revêtement 10 magnétiquement conducteur formant un blindage magnétique.
Dans le premier mode de réalisation illustré sur la figure 2A, le circuit de retour de courant 11 est formé par une couche 12 de matériau électriquement conducteur, telle qu'une couche de cuivre, disposée, par dépôt chimique, sur le revêtement 10 de manière à recouvrer le revêtement 10. De plus, chaque câble coaxial 7 comprend en outre une seconde gaine 13 électriquement isolante recouvrant le circuit de retour de courant 11. La seconde gaine 13 électriquement isolante permet d'isoler électriquement chacun des câbles coaxiaux 7 du fagot des autres câbles coaxiaux 7 du fagot, et plus particulièrement d'isoler le circuit de retour de courant 11 d'un câble coaxial 7 du circuit de retour de courant 11 d'un autre câble coaxial 7. Les câbles coaxiaux 7 d'un fagot sont électriquement isolés à l'exception des connexions électriques réalisées entre le circuit de retour de courant 11 d'un câble coaxial 7 et l'âme 8 d'un autre câble coaxial, comme cela est illustré dans les figures 2A à 2D, 3 et 4.
Le second mode de réalisation illustré sur la figure 2B diffère du premier mode de réalisation illustré sur la figure 2A en ce que l'isolation électrique des circuits de retour de courant 11 de chaque câble coaxial 7 est réalisée non pas à l'aide d'une seconde gaine 13 pour chaque câble coaxial 7, mais à l'aide d'une unique gaine 130 dans laquelle chaque câble coaxial 7 est noyé dans la masse.
Le troisième mode de réalisation illustré sur la figure 2C diffère du premier mode de réalisation illustré sur la figure 2A en ce que le circuit de retour de courant 110 est formé par le revêtement 10, le matériau du revêtement 10 étant magnétiquement conducteur et électriquement conducteur. Le revêtement 10 peut être par exemple en fer doux. Le fer doux étant un moins bon conducteur électrique que le cuivre, pour que le circuit de retour de courant 110 présente une conduction électrique comparable à celle du circuit de retour de courant 11 du premier mode de réalisation, l'épaisseur du revêtement 10 dans le troisième mode de réalisation est supérieure à celle du revêtement dans le premier mode de réalisation.
Le quatrième mode de réalisation illustré sur la figure 2D diffère du premier mode de réalisation illustré sur la figure 2A en ce que le circuit de retour de courant 1100 comprend un fil 14 électriquement conducteur recouvert d'un isolant électrique 15 au lieu de la couche de cuivre 12, la seconde gaine 13 électriquement isolant étant montée directement sur le revêtement 10 magnétiquement conducteur. Le fil électrique 14 est maintenu à l'extérieur du blindage magnétique et de préférence sur l'extérieur du fagot pour rester dans l'espace sensible au champ magnétique environnant.
Sur la figure 3 est représenté un schéma électrique de couplage des câbles coaxiaux 7 de l'assemblage électrodynamique 3 selon les premier, deuxième et troisième modes de réalisation de l'invention. Comme cela est représenté, les câbles coaxiaux 7 de l'assemblage électrodynamique 3 sont électriquement couplés en série pour former un circuit en série avec une borne d'entrée 16 raccordée à une première extrémité 81 de l'âme 8 d'un premier câble coaxial 71 et une borne de sortie 17 raccordée à une première extrémité 111 du circuit de retour de courant 11 d'un deuxième câble coaxial 72.
Chaque câble coaxial 73 entre le premier câble coaxial 71 et le deuxième câble coaxial 72 comprend une seconde extrémité 82 de son âme 8 électriquement couplée à une seconde extrémité 112 de son circuit de retour de courant 11, la première extrémité 111 du circuit de retour de courant 11 d'un câble coaxial 73 étant électriquement couplée à la première extrémité 81 de l'âme 8 d'un câble coaxial suivant et la première extrémité 81 de l'âme 8 d'un câble coaxial 73 étant électriquement couplée à la première extrémité 111 du circuit de retour de courant 11 d'un câble coaxial précédent.
Les âmes 8 et les circuits de retour de courant 11 des câbles coaxiaux 7 sont ainsi électriquement couplés en série de telle sorte que si un courant circule, les circuits de retour de courant 11 voient tous le même sens de courant et les âmes 8 voient toutes le sens inverse des circuits de retour de courant 11.
Dans les premier et deuxième modes de réalisation illustrés sur les figures 2A et 2B, le circuit de retour de courant 11 d'un câble coaxial 7 comprend une couche 12 de revêtement électriquement conducteur recouvrant le revêtement 10 en matériau magnétiquement conducteur qui recouvre la première gaine isolante 9 du câble coaxial 7.
Dans le troisième mode de réalisation, le circuit de retour 110 d'un câble coaxial 7 est formé directement par le revêtement 10 qui est formé au moins partiellement par un matériau électriquement conducteur et magnétiquement conducteur.
Sur la figure 4 est présenté un schéma électrique de couplage des câbles coaxiaux 7 de l'assemblage électrodynamique 3 selon le quatrième mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 2D. Dans ce quatrième mode de réalisation, le circuit de retour de courant 1100 des câbles coaxiaux 7 se fait par le fil 14 connecté non protégé du champ magnétique ambiant.
Dans les quatre modes de réalisation, le diamètre de l'âme 8 des câbles coaxiaux varie entre 0,08 mm et 11,7 mm en fonction du courant à passer dans l'âme 8, et l'épaisseur des premières et seconde gaines 9 et 13 électriquement isolante est de l'ordre de 0,1 mm pour une tension de 1000 V.
Dans le premier et le second modes de réalisation, le revêtement 10 formant la barrière magnétique présente une épaisseur de l'ordre de 0,1 mm pour une application terrestre, c'est-à-dire pour un assemblage électrodynamique 3 destiné à être monté sur un satellite 2 destiné à être utilisé dans le champ magnétique terrestre, et la couche de cuivre 12 présente une épaisseur variant entre moins de 0,01 mm et 2,3 mm.
Le satellite artificiel 2 étant mobile dans le champ magnétique terrestre, sa vitesse v combinée à la présence d'un champ magnétique B va créer sur les circuits de retour 10 une tension proportionnelle à leur longueur.
En effet, sur les porteurs de charges de charge q, en particulier les électrons, l'équation de Laplace s'applique : F = q (E + v x B), avec F la force de Lorentz exercée par un champ magnétique B sur un conducteur parcouru par des charges q générant un courant produisant un champ électrique E, et v la vitesse du satellite artificiel 2.
Si le conducteur est non connecté des deux côtés, on a à l'équilibre : F = 0 et E = - v x B.
On a aussi E = - grad V = - 9V/9x.
Il existe donc une tension aux bornes du conducteur dépendant de la longueur et de norme maximale correspondant au produit de la norme du champ magnétique avec la vitesse v du satellite artificiel 2 et la longueur de l'assemblage électrodynamique 3, soit B*v*L La tension dépend du positionnement relatif des directions de déplacement du satellite artificiel 2, du champ magnétique B, et de la direction des câbles coaxiaux 7. Par exemple, elle sera nulle si B est colinéaire à v et sera maximale si v et B sont orthogonaux.
Cette tension sera génératrice de courant dès que l'on ferme le circuit : les âmes 8 assurent un retour de courant vers le câble coaxial 7 suivant qui n'est que très partiellement soumis au champ magnétique B et donc ne crée pas de force contre-électromotrice significative.
Le courant de retour par les âmes 8 est limité par la tension sur la résistance électrique de l'âme 8. Les câbles coaxiaux 7 étant en nombre, ceci crée un courant continu qui est aussi générateur de force de Laplace s'opposant à la vitesse v du satellite artificiel 2. C'est un bon moyen de créer une force de l'ordre de 1 à 100 mN en continu qui pourra servir à la désorbitation.
Lorsque le circuit est ouvert, nous avons une tension qui se crée. Sa mesure permet de connaître le champ magnétique local dans la direction orthogonale au plan câbles-vitesse satellite.
Il est alors possible en regroupant 3 jeux de câbles orthogonaux de réaliser un propulseur de freinage que l'on peut moduler en fonction de la mesure (en jouant sur des interrupteurs judicieusement positionnés) et en tenant compte de la vitesse relative.
L'invention fournit ainsi un assemblage électrodynamique configurée pour être embarquée à bord d'un engin spatial et permettant un retour de courant protégé des perturbations électriques ambiantes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Assemblage électrodynamique (3) pour la propulsion d'un engin spatial (1) en orbite autour d'un astre possédant un champ magnétique, l'assemblage (3) comprenant une pluralité de câble coaxiaux (7) pour un assemblage électrodynamique (3) pour la propulsion d'un engin spatial (1) en orbite autour d'un astre possédant un champ magnétique, chaque câble coaxial (7) comprenant une âme (8) électriquement conductrice entourée d'une première gaine (9) électriquement isolante,
caractérisé en ce que chaque câble coaxial (7) comprend en outre un circuit de retour de courant (11, 110, 1100) électriquement conducteur monté à l'extérieur de la première gaine (9) électriquement isolante, le circuit de retour de courant (11, 110, 1100) comportant une première extrémité (112) électriquement raccordée à une première extrémité (82) de ladite âme (8) du câble coaxial (7), et
en ce que l'assemblage (3) comprend un couplage en série des câbles coaxiaux (7).
2. Assemblage électrodynamique (3) selon la revendication 1, dans lequel chaque câble coaxial (7) comprend en outre un revêtement (10) en matériau magnétiquement conducteur entourant ladite première gaine (9) électriquement isolante.
3. Assemblage électrodynamique (3) selon la revendication 2, dans lequel le circuit de retour de courant (11) comprend une couche (12) de cuivre ou d'argent disposée sur le revêtement (10) en matériau magnétiquement conducteur.
4. Assemblage électrodynamique (3) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le circuit de retour de courant (1100) de chaque câble coaxial (7) comprend un fil électriquement conducteur (15).
5. Assemblage électrodynamique (3) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le circuit de retour de courant (110) de chaque câble coaxial (7) est formé par ledit revêtement (10) en matériau magnétiquement conducteur entourant ladite première gaine (9) électriquement isolante.
6. Assemblage électrodynamique (3) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel chaque câble coaxial (7) comprend en outre une deuxième gaine (13, 130) électriquement isolante entourant le circuit de retour de courant (11, 110, 1100).
7. Assemblage électrodynamique (3) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les câbles coaxiaux (7) sont placés en fagots.
8. Assemblage électrodynamique (3) selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant une borne d'entrée (16) formée par une seconde extrémité (81) de l'âme (8) d'un câble coaxial (7) et une borne de sortie (17) formée par une seconde extrémité (111) du circuit de retour de courant (11, 110, 1100) d'un autre câble coaxial.
9. Engin spatial (1) apte à être mis en orbite autour d'un astre possédant un champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend un assemblage électrodynamique (3) selon l'une des revendications 1 à 8.
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