EP4038278A1 - Dispositif de propulsion ionique - Google Patents

Dispositif de propulsion ionique

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Publication number
EP4038278A1
EP4038278A1 EP20785685.7A EP20785685A EP4038278A1 EP 4038278 A1 EP4038278 A1 EP 4038278A1 EP 20785685 A EP20785685 A EP 20785685A EP 4038278 A1 EP4038278 A1 EP 4038278A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
emission
modules
electrode
electrodes
insulating support
Prior art date
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Pending
Application number
EP20785685.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jacques Gierak
Claude Boniface
Mathieu LEPESANT
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.)
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Saclay
Original Assignee
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Saclay
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 Centre National dEtudes Spatiales CNES, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Paris Saclay filed Critical Centre National dEtudes Spatiales CNES
Publication of EP4038278A1 publication Critical patent/EP4038278A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters
    • F03H1/0012—Means for supplying the propellant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/26—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field effect ion sources, thermionic ion sources
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/40—Arrangements or adaptations of propulsion systems
    • B64G1/411—Electric propulsion
    • B64G1/413—Ion or plasma engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters
    • F03H1/0025—Neutralisers, i.e. means for keeping electrical neutrality
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/005—Electrostatic ion thrusters using field emission, e.g. Field Emission Electric Propulsion [FEEP]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources
    • H01J2237/0802—Field ionization sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/317—Processing objects on a microscale

Definitions

  • the present invention relates to an ion propulsion device.
  • the field of the invention is, without limitation, that of the propulsion of spacecraft.
  • propulsion technologies such as chemical propulsion, cold gas propulsion, or electric propulsion.
  • Miniaturized satellites such as CubeSats, nano-satellites (1-50 kg) and micro-satellites (50-300 kg) are increasingly used for information transmission and space exploration.
  • miniaturized satellites can significantly reduce the cost associated with their deployment. These satellites also have the advantage of having greater maneuverability.
  • Thrusters based on electrosprays have been proposed.
  • Electrospray technology is a form of electric propulsion that generates thrust from an ionic liquid by ejecting and accelerating ions in an electrostatic field on the order of a billion volts per meter.
  • An example is that of thrusters using electric propulsion field emission.
  • This type of thruster is particularly suitable for applications requiring thrust values in the range of micro-Newton to a few milli-Newton to control the orientation and position of spacecraft having masses between 1 kg and 300 kg.
  • Ion thrusters essentially consist of an emission electrode comprising a set of emitters, an extraction electrode, a reservoir of propellant and, in some cases, an acceleration electrode.
  • the emission electrode has a plurality of aligned emitters in the form of porous tips infused with ionic liquid, as well as an extraction electrode and an accelerating electrode whose respective openings are aligned with the tips.
  • a potential difference V of the order of 1-10 kV is applied to generate a strong local electric field at the tip of the emitter.
  • This electric field deforms the film of liquid propellant into a conical structure called a Taylor cone located at the tip of the emitter and extracts charged particles at the top of the cone.
  • the charged particles are then accelerated to high speeds of the order of a few tens of kilometers per second by the applied electric field.
  • the thrust of an ion thruster is a function of the flux, or emission current I, and the speed of the ions ejected by it.
  • the operation of a thruster can be characterized by an I / V function.
  • I / V function For efficient operation of such a propellant, the flow and velocity of the ejected ions must be controlled.
  • the known electric propulsion techniques require control and power systems with complex and bulky electrical connections.
  • An aim of the present invention is to provide an ion propulsion device capable of adapting to a large variability of the thrusts required.
  • Another object of the present invention is to provide an ion propulsion device capable of adapting to a great variability of sizes and masses of spacecraft.
  • an ion propulsion device comprising: a plurality of emission modules arranged in an emission plane of the device, each emission module comprising an insulating support, an electrode of emission arranged on the insulating support, and a reservoir of conductive liquid with a microfluidic channel arranged to deposit conductive liquid on the emission electrode, an extraction electrode common to the plurality of emission modules and arranged in vis-à-vis the emission modules, and - at least one control unit, in which: each emission module is configured to emit an ion beam when an electric field is applied to the conductive liquid, the at least one control unit is configured to control an emission current of the ions emitted by the application of a potential difference between at least one emission electrode and the extraction electrode, the emission electrodes of the emission modules are spaced from each other by a linear distance / greater than a breakdown distance between two adjacent emission electrodes separated by an empty space, and a length L of the support insulation between the emission electrodes is greater than a propagation distance of an electric current
  • the ion propulsion device is a modular device produced with a plurality of separate or singular transmission modules, or elementary modules, arranged in a transmission plane of the device.
  • These emission modules can be, for example, in the form of flat elements, such as tiles. These slabs can have a square or rectangular shape to be easily stuck to each other.
  • Each emission module incorporates a reservoir of conductive liquid and a microfluidic system arranged to deposit conductive liquid on the emission electrode.
  • Each emission module is operational on its own, in association with the extraction electrode and the control module.
  • the device according to the invention has a parallelizable architecture in which each elementary module is individually controllable.
  • the device according to the invention has the advantage of having the ability to adapt to an order of magnitude change in demand in terms of size or power.
  • the useful surface or propulsion surface can be adapted to accommodate it to surfaces of spacecraft of varying size.
  • the device according to the invention has a very small size compared to its propulsion surface, and therefore the number of ion beams emitted.
  • the emission electrodes of the emission modules are spaced from each other by a linear distance / greater than a breakdown distance between two adjacent emission electrodes separated by an empty space.
  • This breakdown distance corresponds to a propagation distance of the electric arc (“breakdown”) between two adjacent emission electrodes separated by an empty space (with very low pressure conditions).
  • the length L of the insulating support between the emission electrodes is greater than a propagation distance of an electric current leaking by charge jumps (hopping conduction in English, or flashover surface) along the support. insulation between the emission electrodes.
  • the linear distance / and the length L of the insulating support are chosen or determined so as to maximize the number of transmission modules in the transmission plane.
  • the modules are arranged so as to avoid breakdowns and leakage currents between their respective emission electrodes, while maximizing the number of modules in the emission plane, making it possible to obtain a high-performance device with a bulk. minimized.
  • the control unit is configured to control an emission current of the emitted ions by applying a potential difference between at least one emission electrode and the extraction electrode.
  • a setpoint emission current is given and which is reached by adjusting the applied potential difference.
  • the value of the current emitted is measured by means of a device for measuring the intensity of the electric current delivered placed in the high voltage generator.
  • the device according to the invention comprises an extraction electrode common to the plurality of emission modules.
  • the extraction electrode is arranged opposite the emission modules so that part of the extraction electrode is located directly in front of each emission electrode.
  • the size of the ion propulsion device according to the invention is considerably reduced compared to devices of the state of the. art. Indeed, a single electrical connection is sufficient to apply the desired potential to the extraction electrode.
  • the device does not require a plurality of extraction electrodes with their electrical connections and the necessary distances and insulation thicknesses of these connections.
  • the device according to the invention can be easily assembled.
  • the extraction electrode does not need to be arranged specifically with respect to the emission electrodes.
  • a control unit can be provided for one or more transmission modules.
  • the control unit thus makes it possible to control one or more transmission modules. It thus controls the power supply and the management of the thrust. It may also have diagnostic functionality (for example, to monitor the chemical state of the conductive liquid) and communication.
  • the linear distance / may be less than the propagation distance of an electric leakage current by charge jumps along the insulating support between the emission electrodes.
  • the modules are spaced so as to avoid breakdowns between their respective emission electrodes, but the linear distance between the electrodes is less than the extent of the surface of the insulating support between two adjacent electrodes.
  • the emission modules can be configured to be juxtaposed in order to form a propulsion surface of variable size. Thanks to the scaling capability of the device, propulsion areas considerably larger than the areas according to the state of the art can be obtained.
  • the size of the propulsion surface formed by the juxtaposed emission modules can be between 100 mm 2 (for example 10 mm ⁇ 10 mm) and several m 2 .
  • the juxtaposed transmission modules can form an integrated or integral block.
  • An ion propulsion device according to the invention can thus be produced with one or more of these integrated units.
  • At least one emission module when the device is in operation, at least one emission module can emit an ion beam and at least one emission module does not emit a beam.
  • the modules which do not work can be reserved for the case where the required thrust request can be satisfied by the activation of a limited number of modules, or even in the case where another module can no longer function, by example when the local reserve of conductive liquid is degraded. Modules can then be stopped and others can be started without the propulsion device having a dead time during its operation.
  • the ion source can comprise a conductive liquid reservoir secured to the emission electrode. The implementation of an ion propulsion device with a given propulsion surface is then particularly facilitated.
  • Each emission electrode can include a planar substrate including a plurality of emitters.
  • the substrate can be formed, for example, by a silicon wafer.
  • each emitter can be formed by at least one nanowire, the nanowires extending essentially towards the extraction electrode.
  • the nanowires can be deposited over the entire upper surface of the substrate, covering the entire upper surface of the emission electrode.
  • an emitter can be constituted by a plurality of nanowires forming a bundle.
  • These bundles can form spontaneously when the nanowires are infused or immersed in the conductive liquid.
  • the bundles allow good circulation of the conductive liquid through the nanowires by capillary action. There is therefore no phenomenon of accumulation of counterions at the emitters, allowing prolonged emission of a beam of ions of the same polarity.
  • the extraction electrode may comprise either a grid of braided metal wires, or a metal plate comprising openings.
  • extraction electrodes can be made easily by braiding, stamping or spark erosion respectively, in varying sizes and shapes and at low cost.
  • the openings of the extraction electrode do not need to be aligned with the emitters of the emitting electrodes.
  • part of the transmission modules can be configured. to emit an ion beam of opposite polarity with respect to the polarity of the ion beam emitted by another part of the emission modules.
  • the device according to the invention can be configured to emit positively charged ions and negatively charged ions so that there is the same quantity of positive charges as of negative charges.
  • the ion pen emitted by the propulsion device resulting from all the emitted ion beams, is electrically neutral. This prevents charged particles from returning to the device and the device in which it is installed, which could contaminate or damage the device or the device.
  • the device according to the invention can be implemented in a satellite, in particular of the CubeSat type, a nano-satellite (1-50 kg) or a micro-satellite (50-300 kg).
  • the device according to the invention makes it possible to free up space for the payload of the satellites thanks to its reduced bulk.
  • FIG. la is a schematic representation of a non-limiting exemplary embodiment of a transmission module of a device according to the invention.
  • FIG. 2a shows an exemplary embodiment of an emission electrode of a device according to the invention
  • - Figure 2b shows an enlargement of the emission electrode of Figure 2a
  • FIG. 3 is a schematic representation of a propulsion device according to one embodiment.
  • Figure la is a schematic representation of an example of an ion propulsion device, seen in section, according to one embodiment of the invention.
  • the view of the device 1, as illustrated in Figure 1a, shows seven transmit modules 10. This may be, for example, an example of a device 1 having 7 x 7 transmit modules 10. Well of course, the device 1 can include a different number of transmission modules.
  • Each emission module 10 comprises an emission electrode 11 comprising emitters in the form of spikes (not shown).
  • the emission electrode comprises a planar substrate or a plate.
  • An exemplary embodiment of an emission electrode is shown in Figure 2a. According to this example, the emission electrode comprises a substrate 110 or a plate comprising a plurality of emitters 111.
  • the substrate of the emission electrode 11 is made of an electrically insulating or semiconducting material. It is, for example, a plate containing crystalline silicon. Of course, other materials favorable to the growth of nanowires, such as silica glasses, borosilicate glasses or combinations of layers of these materials, can be used for the substrate.
  • the device 1 according to the invention also comprises an extraction electrode 14.
  • the extraction electrode 14 is common to all the transmission modules 10 of the device 1 according to the invention.
  • Each module 10 also comprises a reservoir 12 of conductive liquid on which the emission electrode 11 is arranged.
  • the reservoir 12 of conductive liquid constitutes a source of ions. It can contain a determined quantity of conductive liquid.
  • the conductive liquid can be, for example, an ionic liquid, a liquid made conductive or a liquid or molten metal. The liquid is diffused on the emission electrode 11 passively, for example through openings in the substrate 110, and this even when there is no potential applied between the electrodes 11, 14.
  • the reservoir 12 is made of a dielectric material, for example, of an epoxy polymer material, optionally reinforced with a glass fabric, or of polyetheretherketone (PEEK).
  • the set of reservoirs 12 of a device 1 may consist of a dielectric plate in which cavities are provided. Alternatively, as illustrated for the embodiment of Figure la, the singular reservoirs 12 can be juxtaposed in the device 1.
  • the reservoir 12 thus constitutes an insulating support 17 for the emission electrode 11.
  • the reservoir 12 is secured to the emission electrode 11.
  • the assembly between the reservoir 12 and the emission electrode 11 can, for example, be made by gluing, screwing or welding.
  • the extraction electrode 14 is made of an electrically conductive material. This material can be, for example, a metal such as tungsten, stainless steel, molybdenum or tantalum.
  • the extraction electrode 14 is formed by a grid of braided metal wires.
  • the grid may have a mesh consisting of wires of about 50 to 80 ⁇ m in diameter, spaced about 100 ⁇ m apart.
  • the extraction electrode can be a metal plate having openings.
  • the conductive liquid forms a sheet of liquid on the upper surface of the transmitting electrode 11.
  • a submerged polarization electrode 18 can be provided in each reservoir, as illustrated in FIG.
  • a very strong local electric field (of the order of 10 9 V / m) is generated at the emitters , which causes the conductive liquid to form a Taylor cone located on a plurality of tips of the emission electrode 11. Ions are then emitted at the top of each cone, forming an ion beam 15 for each module 10 in operation.
  • the charged particles are then accelerated to high speeds of the order of a few tens of kilometers per second by the applied electric field.
  • the polarity of the ion beam is determined by the sign of the electric field created between the electrodes 11, 14. In Figure 1a, two ion beams 15 of opposite polarity are shown.
  • the operation of a propulsion device can be characterized by a function I (V), where I is the emission current of the emitted ions and V is the potential difference applied between the electrodes. On this curve, the stable operating point is reached after a certain stabilization time.
  • the ion propulsion device 1 also comprises a control unit 13.
  • the control unit 13 can be common to several modules 10 or even to all the modules 10 of the device 1. Alternatively, each emission module 10 can have its own.
  • the control unit 13 is configured to apply the potential difference between the emission electrodes 11 and the extraction electrode 14.
  • the control unit 13 comprises in particular a high voltage electric generator, represented by a electrical diagram for two of the modules in Figure la. The electric generator is configured to generate the voltage necessary for the potential difference and to allow a reverse polarity between its terminals.
  • the control unit 13 also includes an electronic module configured to control the emission of ions such as the flow and velocity of the emitted particles and to monitor the chemical characteristics of the conductive liquid.
  • the electronic module can comprise, for example, an on-board platform, such as a microcomputer, a digital electronic circuit and / or software means.
  • the electronic module can further include a means of communication.
  • One or more emission modules 10 can be attached to a control unit 13 by epoxy bonding, or by any other suitable means.
  • the control unit 13 is represented by an integrated block.
  • the device 1 comprises an outer casing 16 (or a housing) in which the emission modules 10, the extraction electrode 14 and, optionally, the control unit 13 are arranged.
  • Envelope 16 is at chassis potential (0 V).
  • Figure lb shows an enlargement of part of the device 1 shown in Figure la.
  • Figure lb shows the distances between two emission electrodes, which will be described below.
  • the emission electrodes 11 of the emission modules 10 are arranged with respect to each other so that the length L of their insulating support 17 between two adjacent emission electrodes is greater than the propagation path of a leakage electric current between these adjacent electrodes.
  • the modules are spaced so as to avoid breakdowns and leakage currents between their respective emission electrodes.
  • the linear distance / between two emission electrodes 11 can thus be chosen to be less than the distance traveled on the dielectric material by electrons through the jump conduction mechanism, and therefore less than the extent L of the surface insulation between two adjacent modules.
  • the length of the path to be traveled by the electrons in the dielectric material can be increased by increasing the depth of the hollow between two emission modules.
  • Figure 2b shows an enlargement of the surface of an emission electrode, like that of Figure 2a, comprising a plurality of nanowires 113. In this photograph taken with an electron microscope, there is no conductive liquid.
  • the nanowires 113 extend essentially towards the extraction electrode and cover the entire microstructured substrate.
  • the nanowires 113 are made of an electrically insulating or semiconductor material.
  • This material can be, for example, crystalline gallium nitride (GaN), or any other suitable material.
  • Nanowires can be made by molecular epitaxy on the substrate. For a given process, the diameters of the nanowires vary only very slightly. The diameter of the nanowires can be, for example, between 40 and 80 nm. A manufacturing process by adding material such as epitaxy makes it possible to obtain nanowire densities of the order of 10 9 / cm 2 .
  • An emitter site can be constituted by a plurality of nanowires, for example by 5 to 10 nanowires, this number varying according to the aspect ratio (diameter / length of the threads), the density of the threads and the Young's modulus (mechanical stiffness). of the material composing the nanowires.
  • the nanowires form groups in the form of bundles 20. These groupings can be formed when the sheet of ionic liquid is deposited on the emission electrode or when a potential difference is applied. between the emission electrode and the extraction electrode.
  • Each bundle 20 can constitute an emitter.
  • Each bundle 20 can contain a few nanowires 113 or a few tens of nanowires 113, as shown in photo of Figure 2c.
  • the bundles 20 allow the conductive liquid to be renewed at the level of the ends of the nanowires 113.
  • the conductive liquid circulates by capillary action between the nanowires.
  • the device 1 comprises a plurality of transmission modules 10.
  • the device 1 also comprises an extraction electrode 14 common to all the transmission modules 10 as well as one or more. control units 13.
  • the transmission modules 10 are configured to be juxtaposed one beside the other.
  • the emission modules 10 can, for example, have a square section in the plane of the extraction electrode 14. Of course, the section can also be rectangular.
  • the emission modules 10 are preferably arranged so as to form flat elements, such as tiles. These tiles can be easily associated with an extraction electrode as well as one or more control units. Such an assembled device has a very small footprint.
  • FIG. 3 An example of a propulsion device according to the invention is illustrated in FIG. 3.
  • the device comprises an assembly of 7 x 7 transmission modules 10, arranged on a control unit 13 and arranged opposite each other. with respect to a single extraction electrode 14.
  • the size of the propulsion surface formed by the juxtaposed emission modules can be between 100 mm 2 and several m 2 .
  • the device can be integrated into spacecraft of all sizes.
  • the juxtaposed transmission modules can form an integrated or integral block.
  • the transmission modules can be independent modules.
  • At least one emission module emits an ion beam and at least one emission module does not emit a beam.
  • the module or modules which are not functioning can thus be reserved for the case where another module can no longer function, for example when the local reserve of conductive liquid is degraded. Modules can then be stopped and others can be started without the propulsion device having a dead time during its operation. This allows ions to be emitted for an extended period.
  • part of the emission modules can be configured to emit an ion beam of opposite polarity with respect to the polarity of the ion beam emitted by another part of the modules. resignation.
  • the device can be configured to emit positively charged ions and negatively charged ions at the same time so that the ion plume emitted by the thruster resulting from all the ion beams emitted is electrically neutral.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (1) de propulsion ionique, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une pluralité de modules d'émission (10) agencés dans un plan d'émission du dispositif, chaque module d'émission comprenant un support isolant (17), une électrode d'émission (11) agencée sur le support isolant (17), et un réservoir de liquide conducteur (12) avec un canal micro-fluidique agencé pour déposer du liquide conducteur sur l'électrode d'émission (11), - une électrode d'extraction (14) commune à la pluralité de modules d'émission (10) et agencée en vis-à-vis des modules d'émission (10), et - au moins une unité de contrôle (13), dans lequel : - chaque module d'émission (10) est configuré pour émettre un faisceau d'ions lorsqu'un champ électrique est appliqué au liquide conducteur, - l'au moins une unité de contrôle (13) est configurée pour contrôler un courant d'émission des ions émis par l'application d'une différence de potentiel entre au moins une électrode d'émission (11) et l'électrode d'extraction (14), - les électrodes d'émission (11) des modules d'émission (10) sont espacées l'une de l'autre d'une distance linéaire l supérieure à une distance de claquage entre deux électrodes d'émission (11) adjacentes séparées par un espace vide, et - une longueur L du support isolant (17) entre les électrodes d'émission (11) est supérieure à une distance de propagation d'un courant électrique de fuite par sauts de charges le long du support isolant (17) entre les électrodes d'émission (11), la distance linéaire l et la longueur L du support isolant (17) étant choisies de sorte à maximiser le nombre de modules d'émission (10) dans le plan d'émission.

Description

Dispositif de propulsion ionique
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de propulsion ionique.
Le domaine de l'invention est, de manière non limitative, celui de la propulsion des engins spatiaux.
État de la technique
Pour les engins spatiaux, tels que des satellites, différentes technologies de propulsion sont connues, telles que la propulsion chimique, la propulsion à gaz froid, ou la propulsion électrique.
Les satellites miniaturisés, tels que les CubeSats, les nano-satellites (1-50 kg) et les micro-satellites (50-300 kg) sont de plus en plus utilisés pour la transmission d'informations et l'exploration spatiale.
Contrairement aux satellites conventionnels, les satellites miniaturisés permettent de considérablement réduire le coût associé à leur déploiement. Ces satellites ont également l'avantage de présenter une plus grande maniabilité.
Pour ces petits satellites, des systèmes de propulsion et de contrôle appropriés sont nécessaires. Les technologies de propulsion connues ont cependant l'inconvénient qu'elles ne s'adaptent pas facilement à des satellites de petite taille pour des raisons techniques ou d'efficacité. Par exemple, la vitesse d'échappement de ces propulseurs chimiques est limitée par l'énergie spécifique inhérente libérée par la combustion. De plus, les réservoirs de combustible et les systèmes d'alimentation pour les propulseurs chimiques ou ceux à base de gaz ionisés sont volumineux et lourds, ce qui les rend incompatibles avec la propulsion des satellites miniaturisés et les petits engins spatiaux.
Des propulseurs basés sur des électrosprays, appelés propulseurs ioniques, ont été proposés. La technologie de l'électrospray est une forme de propulsion électrique qui génère de la poussée à partir d'un liquide ionique en éjectant et en accélérant des ions dans un champ électrostatique de l'ordre du milliard de Volts par mètre. Un exemple est celui des propulseurs utilisant la propulsion électrique à émission de champ. Ce type de propulseur est notamment adapté pour les applications nécessitant des valeurs de poussée dans le domaine du micro-Newton à quelques milli-Newton pour contrôler l'orientation et la position d'engins spatiaux ayant des masses comprises entre 1 kg et 300 kg.
Les propulseurs ioniques consistent essentiellement en une électrode d'émission comprenant un ensemble d'émetteurs, une électrode d'extraction, un réservoir d'agent propulseur et, dans certains cas, une électrode d'accélération.
Un exemple d'un tel système est décrit dans P. C. Lozano, « Less in Space », American Scientist, Volume 104, Page 270 (2016). L'électrode d'émission présente une pluralité d'émetteurs alignés en forme de pointes poreuses infusées de liquide ionique, ainsi qu'une électrode d'extraction et une électrode d'accélération dont les ouvertures respectives sont alignées avec les pointes.
Un autre exemple d'un système de propulsion ionique est décrit dans S. Dandavino et al., « Microfabricated electrospray emitter arrays with integrated extractor and accelerator électrodes for the propulsion of small spacecraft », J. Micromech. Microeng., 24, 075011 (2014), dans lequel les émetteurs comprennent un micro-tube capillaire pour amener le liquide propulseur à son extrémité d'où il est ionisé.
Une différence de potentiel V de l'ordre de 1-10 kV est appliquée pour générer un fort champ électrique local à la pointe de l'émetteur. Ce champ électrique déforme le film de propulseur liquide en une structure conique dite cône de Taylor situé à la pointe de l'émetteur et extrait des particules chargées au sommet du cône. Les particules chargées sont ensuite accélérées à des vitesses élevées de l'ordre de quelques dizaines de kilomètres par seconde par le champ électrique appliqué.
La poussée d'un propulseur ionique est une fonction du flux, ou courant d'émission I, et de la vitesse des ions éjectés par celui-ci. Le fonctionnement d'un propulseur peut être caractérisé par une fonction I/V. Pour un fonctionnement efficace d'un tel propulseur, le flux et la vitesse des ions éjectés doivent être contrôlés. Cependant, les techniques de propulsion électrique connus nécessitent des systèmes de contrôle et d'alimentation avec des connexions électriques complexes et encombrants.
Exposé de l'invention
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de propulsion ionique pouvant s'adapter à une grande variabilité de poussées requises.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif de propulsion ionique pouvant s'adapter à une grande variabilité de tailles et de masses d'engins spatiaux.
Il est encore un but de la présente invention de proposer un dispositif de propulsion ionique permettant une opération prolongée de celui-ci sans déplétion des espèces ioniques émises et donc une accumulation de contre-ions dans le dispositif.
Au moins un de ces buts est atteint avec un dispositif de propulsion ionique, le dispositif comprenant : une pluralité de modules d'émission agencés dans un plan d'émission du dispositif, chaque module d'émission comprenant un support isolant, une électrode d'émission agencée sur le support isolant, et un réservoir de liquide conducteur avec un canal micro-fluidique agencé pour déposer du liquide conducteur sur l'électrode d'émission, une électrode d'extraction commune à la pluralité de modules d'émission et agencée en vis-à-vis des modules d'émission, et - au moins une unité de contrôle, dans lequel : chaque module d'émission est configuré pour émettre un faisceau d'ions lorsqu'un champ électrique est appliqué au liquide conducteur, l'au moins une unité de contrôle est configurée pour contrôler un courant d'émission des ions émis par l'application d'une différence de potentiel entre au moins une électrode d'émission et l'électrode d'extraction, les électrodes d'émission des modules d'émission sont espacées l'une de l'autre d'une distance linéaire / supérieure à une distance de claquage entre deux électrodes d'émission adjacents séparés par un espace vide, et une longueur L du support isolant entre les électrodes d'émission est supérieure à une distance de propagation d'un courant électrique de fuite par sauts de charges le long du support isolant entre les électrodes d'émission, la distance linéaire / et la longueur L du support isolant étant choisies de sorte à maximiser le nombre de modules d'émission dans le plan d'émission.
Le dispositif de propulsion ionique selon l'invention est un dispositif modulaire réalisé avec une pluralité de modules d'émission séparés ou singuliers, ou modules élémentaires, agencés dans un plan d'émission du dispositif. Ces modules d'émission peuvent se présenter, par exemple, sous la forme d'éléments plats, tels que des dalles. Ces dalles peuvent avoir une forme carrée ou rectangulaire pour être facilement accolées les unes aux autres. Chaque module d'émission intègre un réservoir de liquide conducteur et un système micro-fluidique agencé pour déposer du liquide conducteur sur l'électrode d'émission. Chaque module d'émission est opérationnel seul, en association avec l'électrode d'extraction et le module de contrôle. Ainsi, le dispositif selon l'invention présente une architecture parallélisable dans laquelle chaque module élémentaire est contrôlable individuellement.
Grâce à son caractère modulaire, le dispositif selon l'invention présente l'avantage d'avoir la capacité de s'adapter à un changement d'ordre de grandeur de la demande en termes de taille ou de puissance. La surface utile ou surface de propulsion peut être adaptée pour l'accommoder à des surfaces d'engins spatiaux de taille variable. Aussi, le dispositif selon l'invention a un très faible encombrement par rapport à sa surface de propulsion, et donc le nombre de faisceaux ioniques émis.
Lorsque des électrodes d'émission adjacents sont soumises à une différence de potentiel électrique, des claquages et/ou des courants de fuite peuvent survenir.
De manière avantageuse, d'une part, les électrodes d'émission des modules d'émission sont espacées l'une de l'autre d'une distance linéaire / supérieure à une distance de claquage entre deux électrodes d'émission adjacentes séparées par un espace vide. Cette distance de claquage correspond à une distance propagation de l'arc électrique (« claquage ») entre deux électrodes d'émission adjacents séparés par un espace vide (avec des conditions de pression très basse).
D'autre part, la longueur L du support isolant entre les électrodes d'émission est supérieure à une distance de propagation d'un courant électrique de fuite par sauts de charges ( hopping conduction en Anglais, ou encore surface flashover ) le long du support isolant entre les électrodes d'émission.
La distance linéaire / et la longueur L du support isolant sont choisies ou déterminées de sorte à maximiser le nombre de modules d'émission dans le plan d'émission.
Autrement dit, les modules sont agencés de manière à éviter des claquages et des courants de fuite entre leurs électrodes d'émission respectives, tout en maximisant le nombre de modules dans le plan d'émission, permettant d'obtenir un dispositif performant avec un encombrement minimisé.
En effet, il est nécessaire de prévoir une distance linéaire minimum pour séparer deux électrodes soumises à une différence de potentiel afin d'éviter des claquages entre ces électrodes. Cette distance minimum dépend de la différence de potentiel entre les électrodes d'émission de deux modules d'émission adjacents. Les modules sont mécaniquement et électriquement séparés (i) par leurs supports isolants et également (ii) par un espace vide ou gap entre les électrodes d'émission.
Pour estimer (i) la longueur du support isolant à prévoir entre deux modules pour éviter une fuite de courant à la surface du support, on applique une règle de conception spécifiant de prévoir une longueur d'isolant de 1 mm par kilovolts de différence de tension appliquée entre deux modules d'émission adjacents (voir l'article A. A. Avdienko et al., "Flashover in a vacuum", Vacuum, volume 27, numéro 12, 1977).
Pour estimer (ii) la longueur de l'espace vide ou du gap séparant deux modules contigus afin d'éviter le phénomène de "claquage", on applique une seconde règle de conception spécifiant de prévoir une largeur du gap égale à 1 mm pour 10 kilovolts de différence de tension appliquée entre deux modules d'émission adjacents (voir l'article C. Germain et al., "High voltage breakdown in vacuum", Vacuum, volume 18, numéro 7, 1968).
L'unité de contrôle est configurée pour contrôler un courant d'émission des ions émis par l'application d'une différence de potentiel entre au moins une électrode d'émission et l'électrode d'extraction. Ainsi, pour chaque module d'émission, un courant d'émission de consigne est donné et lequel est atteint en ajustant la différence de potentiel appliquée. La valeur du courant émis est mesurée au moyen d'un dispositif de mesure de l'intensité du courant électrique délivré placé dans le générateur de haute tension.
Le dispositif selon l'invention comprend une électrode d'extraction commune à la pluralité des modules d'émission. L'électrode d'extraction est agencée en vis- à-vis des modules d'émission de sorte à ce qu'une partie de l'électrode d'extraction se trouve directement en face de chaque électrode d'émission.
Grâce au fait qu'il n'y ait qu'une électrode d'extraction commune pour tous les modules, l'encombrement du dispositif de propulsion ionique selon l'invention est considérablement réduit par rapport à des dispositifs de l'état de l'art. En effet, une seule connexion électrique suffit pour appliquer le potentiel souhaité à l'électrode d'extraction. Le dispositif ne nécessite pas une pluralité d'électrodes d'extraction avec leurs connexions électriques et les distances et épaisseurs d'isolement nécessaires de ces connexions.
Aussi, les coûts d'intégration d'un tel dispositif sont réduits par rapport à des propulseurs de l'état de l'art requérant des interconnexions individuelles.
De plus, le dispositif selon l'invention peut être facilement assemblé. L'électrode d'extraction n'a pas besoin d'être agencée spécifiquement par rapport aux électrodes d'émission.
Une unité de contrôle peut être prévue pour un ou plusieurs modules d'émission. L'unité de contrôle permet ainsi de contrôler un ou plusieurs modules d'émission. Elle contrôle ainsi l'alimentation et la gestion de la poussée. Elle peut également avoir une fonctionnalité de diagnostic (par exemple, pour surveiller l'état chimique du liquide conducteur) et de communication. Selon un mode de réalisation avantageux, la distance linéaire / peut être inférieure à la distance de propagation d'un courant électrique de fuite par sauts de charges le long du support isolant entre les électrodes d'émission.
Autrement dit, les modules sont espacés de manière à éviter des claquages entre leurs électrodes d'émission respectives, mais la distance linéaire entre les électrodes est inférieure à l'étendu de la surface du support isolant entre deux électrodes adjacentes. Ainsi, même pour des modules d'émission agencés de manière très rapprochée, il n'y a pas de risque de surface flashover entre des modules adjacents.
Selon un mode de réalisation, les modules d'émission peuvent être configurés pour être juxtaposés afin de former une surface de propulsion de taille variable. Grâce à la capacité de mise à l'échelle du dispositif, des surfaces de propulsion considérablement plus grandes que les surfaces selon l'état de la technique peuvent être obtenues.
Selon un exemple, la taille de la surface de propulsion formée par les modules d'émission juxtaposés peut être comprise entre 100 mm2 (par exemple 10 mm x 10 mm) et plusieurs m2.
De manière particulièrement avantageuse, les modules d'émission juxtaposés peuvent former un bloc intégré ou solidarisé. Un dispositif de propulsion ionique selon l'invention peut ainsi être réalisé avec un ou plusieurs de ces blocs intégrés.
Selon un mode de réalisation, lorsque le dispositif est en opération, au moins un module d'émission peut émettre un faisceau d'ions et au moins un module d'émission n'émet pas de faisceau.
En effet, il peut être utile de ne pas faire fonctionner simultanément la totalité des modules lors de l'opération du dispositif. Ainsi, les modules qui ne fonctionnent pas peuvent être réservés pour le cas où la demande de poussée requise peut être satisfaite par l'activation d'un nombre restreint de modules, ou encore dans le cas où un autre module ne peut plus fonctionner, par exemple lorsque la réserve locale de liquide conducteur est dégradée. Des modules peuvent alors être arrêtés et d'autres peuvent être mis en marche sans que le dispositif de propulsion ait un temps mort pendant son opération. De manière avantageuse, la source d'ions peut comprendre un réservoir à liquide conducteur solidarisé avec l'électrode d'émission. La mise en œuvre d'un dispositif de propulsion ionique d'une surface de propulsion donnée est alors particulièrement facilitée.
Chaque électrode d'émission peut comprendre un substrat plan comprenant une pluralité d'émetteurs.
Le substrat peut être constitué, par exemple, par une plaque de silicium.
Selon un exemple, chaque émetteur peut être constitué par au moins un nanofil, les nanofils s'étendant essentiellement vers l'électrode d'extraction.
Les nanofils peuvent être déposés sur toute la surface supérieure du substrat, recouvrant la totalité de la surface supérieure de l'électrode d'émission.
De manière avantageuse, un émetteur peut être constitué par une pluralité de nanofils formant un fagot.
Ces fagots peuvent se former spontanément lorsque les nanofils sont infusés ou immergés dans le liquide conducteur.
Les fagots permettent une bonne circulation du liquide conducteur à travers les nanofils par capillarité. Il n'y a donc pas de phénomène d'accumulation de contre-ions au niveau des émetteurs, permettant une émission prolongée de faisceau d'ions d'une même polarité.
Selon un mode de réalisation, l'électrode d'extraction peut comprendre soit une grille de fils métalliques tressés, soit une plaque métallique comprenant des ouvertures.
Ces types d'électrodes d'extraction peuvent être réalisées facilement par tressage, estampage ou électroérosion respectivement, dans des tailles et formes variables et à moindre coût. Les ouvertures de l'électrode d'extraction n'ont pas besoin d'être alignées avec les émetteurs des électrodes d'émission.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, lorsque le dispositif est en opération, une partie des modules d'émission peut être configurée pour émettre un faisceau d'ions de polarité opposée par rapport à la polarité du faisceau d'ions émis par une autre partie des modules d'émission.
Selon un premier exemple, le dispositif selon l'invention peut être configuré pour émettre d'ions chargés positivement et d'ions chargés négativement de sorte à ce qu'il y a la même quantité de charges positives que de charges négatives. Ainsi, la plume d'ions émise par le dispositif de propulsion, résultant de tous les faisceaux d'ions émis, est électriquement neutre. Ceci permet d'éviter que des particules chargées ne reviennent sur le dispositif et l'engin dans lequel il est installé, ce qui pourrait contaminer ou abîmer le dispositif ou l'engin.
Selon un deuxième exemple, en faisant fonctionner des modules d'émission avec des polarités opposées en même temps, il est possible de réaliser la neutralité de charge de l'engin avec lequel le dispositif est mis en œuvre, en assurant que le total des courants émis et collectés par l'engin est égal à zéro. Cette neutralité contribue à protéger l'engin d'une accumulation de charge qui pourrait conduire à des décharges ou compromettre d'autres mesures physiques réalisés à bord.
De manière avantageuse, le dispositif selon l'invention peut être mis en œuvre dans un satellite, notamment du type CubeSat, un nano-satellite (1-50 kg) ou un micro-satellite (50-300 kg).
En effet, le dispositif selon l'invention permet de libérer de l'espace pour la charge utile des satellites grâce à son encombrement réduit.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'exemples nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
- la Figure la est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non-limitatif d'un module d'émission d'un dispositif selon l'invention ;
- la Figure lb est un agrandissement de détails de la Figure la ;
- la Figure 2a montre un exemple de réalisation d'une électrode d'émission d'un dispositif selon l'invention ; - la Figure 2b montre un agrandissement de l'électrode d'émission de la Figure 2a ; et
- la Figure 3 est une représentation schématique d'un dispositif de propulsion selon un mode de réalisation.
Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
La Figure la est une représentation schématique d'un exemple d'un dispositif de propulsion ionique, vu en coupe, selon un mode de réalisation de l'invention.
La vue du dispositif 1, tel qu'illustré sur la Figure la, montre sept modules d'émission 10. Il peut s'agir, par exemple, d'un exemple de dispositif 1 ayant 7 x 7 modules d'émission 10. Bien entendu, le dispositif 1 peut comprendre un nombre différent de modules d'émission.
Chaque module d'émission 10 comprend une électrode d'émission 11 comprenant des émetteurs en forme de pointes (non représentées). De manière avantageuse, l'électrode d'émission comprend un substrat plan ou une plaque. Un exemple de réalisation d'une électrode d'émission est représenté sur la Figure 2a. Selon cet exemple, l'électrode d'émission comprend un substrat 110 ou une plaque comprenant une pluralité d'émetteurs 111.
Le substrat de l'électrode d'émission 11 est en un matériau électriquement isolant ou semi-conducteur. Il s'agit, par exemple, d'une plaque contenant du silicium cristallin. Bien entendu, d'autres matériaux propices à la croissance de nanofils, tels que les verres de silice, les verres borosilicates ou des combinaisons de couches de ces matériaux, peuvent être utilisés pour le substrat.
Le dispositif 1 selon l'invention comprend également une électrode d'extraction 14. L'électrode d'extraction 14 est commune à tous les modules d'émission 10 du dispositif 1 selon l'invention.
Chaque module 10 comprend également un réservoir 12 de liquide conducteur sur lequel l'électrode d'émission 11 est agencée. Le réservoir 12 de liquide conducteur constitue une source d'ions. Il peut contenir une quantité de liquide conducteur déterminée. Le liquide conducteur peut être, par exemple, un liquide ionique, un liquide rendu conducteur ou un métal liquide ou fondu. Le liquide est diffusé sur l'électrode d'émission 11 de manière passive, par exemple à travers des ouvertures dans le substrat 110, et ce même quand il n'y a aucun potentiel appliqué entre les électrodes 11, 14.
Le réservoir 12 est en matériau diélectrique, par exemple, en un matériau de polymère époxyde, éventuellement renforcé par un tissu de verre, ou en polyétheréthercétone (PEEK). L'ensemble des réservoirs 12 d'un dispositif 1 peut être constitué par une plaque diélectrique dans laquelle des cavités sont prévues. Alternativement, comme illustré pour le mode de réalisation de la Figure la, les réservoirs 12 singuliers peuvent être juxtaposés dans le dispositif 1.
Le réservoir 12 constitue ainsi un support isolant 17 pour l'électrode d'émission 11.
Pour chaque module d'émission 10, le réservoir 12 est solidarisé avec l'électrode d'émission 11. L'assemblage entre le réservoir 12 et l'électrode d'émission 11 peut, par exemple, être réalisé par collage, vissage ou soudure. L'électrode d'extraction 14 est en un matériau électriquement conducteur. Ce matériau peut être, par exemple, un métal comme le tungstène, l'acier inoxydable, le molybdène ou le tantale.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur la Figure la, l'électrode d'extraction 14 est formée par une grille de fils métalliques tressés. La grille peut avoir un maillage constitué par des fils d'environ 50 à 80 pm de diamètre, espacés d'environ 100 pm. Alternativement, l'électrode d'extraction peut être une plaque métallique ayant des ouvertures.
Dans les deux cas, il n'est pas nécessaire qu'une ouverture de l'électrode d'extraction soit exactement positionnée en face d'un émetteur de l'électrode d'émission.
Le liquide conducteur forme une nappe de liquide sur la surface supérieure de l'électrode d'émission 11. Pour polariser cette nappe, une électrode de polarisation 18 immergée peut être prévue dans chaque réservoir, comme illustré sur la Figure la. Lorsqu'un champ électrique est généré entre les deux électrodes 11, 14 par l'application d'une différence de potentiel électrique, un champ électrique local très fort (de l'ordre de 109 V/m) est généré au niveau des émetteurs, ce qui entraîne le liquide conducteur à former un cône de Taylor situé sur une pluralité de pointes de l'électrode d'émission 11. Des ions sont alors émis au sommet de chaque cône, formant un faisceau d'ions 15 pour chaque module 10 en opération. Les particules chargées sont ensuite accélérées à des vitesses élevées de l'ordre de quelques dizaines de kilomètres par seconde par le champ électrique appliqué. La polarité du faisceau d'ions est déterminée par le signe du champ électrique crée entre les électrodes 11, 14. Dans la Figure la, deux faisceaux d'ions 15 de polarité opposée sont illustrés.
Le fonctionnement d'un dispositif de propulsion peut être caractérisé par une fonction I(V), où I est le courant d'émission des ions émis et V est la différence de potentiel appliquée entre les électrodes. Sur cette courbe, le point de fonctionnement stable est atteint après un certain temps de stabilisation.
Le dispositif 1 de propulsion ionique comprend également une unité de contrôle 13. L'unité de contrôle 13 peut être commune à plusieurs modules 10 ou même à tous les modules 10 du dispositif 1. Alternativement, chaque module d'émission 10 peut avoir sa propre unité de contrôle 13. L'unité de contrôle 13 est configurée pour appliquer la différence de potentiel entre les électrodes d'émission 11 et l'électrode d'extraction 14. Pour cela, l'unité de contrôle 13 comprend notamment un générateur électrique haute tension, représenté par un schéma électrique pour deux des modules sur la Figure la. Le générateur électrique est configuré pour générer la tension nécessaire à la différence de potentiel et pour permettre une inversion de polarité entre ses bornes.
L'unité de contrôle 13 comprend également un module électronique configuré pour contrôler l'émission d'ions comme le flux et la vitesse des particules émis et pour surveiller les caractéristiques chimiques du liquide conducteur. Le module électronique peut comprendre, par exemple, une plateforme embarquée, telle qu'un micro-ordinateur, un circuit électronique numérique et/ou des moyens logiciels. Le module électronique peut en outre comprendre un moyen de communication.
Un ou plusieurs modules d'émission 10 peuvent être fixés sur une unité de contrôle 13 par collage époxy, ou par tout autre moyen adapté. Dans le mode de réalisation montré sur la Figure la, l'unité de contrôle 13 est représenté par un bloc intégré.
Le dispositif 1 comprend une enveloppe extérieure 16 (ou un boîtier) dans laquelle les modules d'émission 10, l'électrode d'extraction 14 et, éventuellement, l'unité de contrôle 13 sont agencés. L'enveloppe 16 est au potentiel châssis (0 V).
La Figure lb montre un agrandissement d'une partie du dispositif 1 représenté sur la Figure la. La Figure lb met en évidence les distances entre deux électrodes d'émission, qui seront décrites par la suite.
Les électrodes d'émission 11 des modules d'émission 10 sont agencés l'un par rapport à l'autre de la sorte que la longueur L de leur support isolant 17 entre deux électrodes d'émission adjacentes soit supérieure au chemin de propagation d'un courant électrique de fuite entre ces électrodes adjacentes. Autrement dit, les modules sont espacés de manière à éviter des claquages et des courants de fuite entre leurs électrodes d'émission respectives.
Ceci peut être réalisé, par exemple, en prévoyant un creux ou encore une série d'ondulations de la surface d'isolant entre deux modules d'émission adjacents, comme il est illustré pour le mode de réalisation représenté sur la Figure la. La distance linéaire / entre deux électrodes d'émission 11 peut ainsi être choisie d'être inférieure à la distance parcourue sur le matériau diélectrique par des électrons à travers le mécanisme de conduction par sauts, et donc inférieure à l'étendu L de la surface d'isolant entre deux modules adjacents. La longueur du trajet à parcourir par les électrons dans le matériau diélectrique peut être augmentée en augmentant la profondeur du creux entre deux modules d'émission.
La Figure 2b montre un agrandissement de la surface d'une électrode d'émission, comme celle de la Figure 2a, comportant une pluralité de nanofils 113. Sur cette photographie prise au microscope électronique, il n'y a pas de liquide conducteur.
Les nanofils 113 s'étendent essentiellement vers l'électrode d'extraction et recouvrent l'ensemble du substrat microstructuré.
Comme le substrat 110, les nanofils 113 sont en un matériau électriquement isolant ou semi-conducteur. Ce matériau peut être, par exemple, du nitrure de gallium (GaN) cristallin, ou tout autre matériau adapté.
Les nanofils peuvent être fabriqués par épitaxie moléculaire sur le substrat. Pour un procédé donné, les diamètres des nanofils ne varient que très faiblement. Le diamètre des nanofils peut être, par exemple, entre 40 et 80 nm. Un procédé de fabrication par apport de matière comme l'épitaxie permet d'obtenir des densités de nanofils de l'ordre de 109/cm2.
Un site émetteur peut être constitué par une pluralité de nanofils, par exemple par 5 à 10 nanofils, ce nombre variant suivant le rapport d'aspect (diamètre/longueur des fils), la densité des fils et le module de Young (raideur mécanique) du matériau composant les nanofils.
Dans l'exemple représenté sur la Figure 2b, les nanofils forment des regroupements en forme de fagots 20. Ces regroupements peuvent se former lorsque la nappe de liquide ionique est déposée sur l'électrode d'émission ou lorsqu'une différence de potentiel est appliquée entre l'électrode d'émission et l'électrode d'extraction.
Chaque fagot 20 peut constituer un émetteur. Chaque fagot 20 peut contenir quelques nanofils 113 ou quelques dizaines de nanofils 113, comme le montre la photo de la Figure 2c. Les fagots 20 permettent un renouvellement du liquide conducteur au niveau des extrémités des nanofils 113. Le liquide conducteur circule par capillarité entre les nanofils. Ainsi, il n'y a pas de phénomène d'accumulation de contre-ions au niveau des cônes de Taylor, ce qui favorise un fonctionnement prolongé, par exemple sur plusieurs heures, sans nécessité d'inverser la polarité du module d'émission et sans dégradation du liquide conducteur.
Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif 1 selon l'invention comprend une pluralité de modules d'émission 10. Le dispositif 1 comprend également une électrode d'extraction 14 commune à tous les modules d'émission 10 ainsi qu'une ou plusieurs unités de contrôle 13. Les modules d'émission 10 sont configurés pour être juxtaposés les uns à côté des autres. Les modules d'émission 10 peuvent, par exemple, avoir une section carrée dans le plan de l'électrode d'extraction 14. Bien entendu, la section peut également être rectangulaire.
Les modules d'émission 10 sont, de préférence, agencés de sorte à former des éléments plats, tels que des dalles. Ces dalles peuvent être facilement associées avec une électrode d'extraction ainsi qu'une ou plusieurs unités de contrôle. Un tel dispositif assemblé présente un très faible encombrement.
Un exemple d'un dispositif de propulsion selon l'invention est illustré sur la Figure 3. Dans cet exemple, le dispositif comprend un assemblage de 7 x 7 modules d'émission 10, agencés sur une unité de contrôle 13 et disposés en vis- à-vis d'une unique électrode d'extraction 14.
Selon un exemple, la taille de la surface de propulsion formée par les modules d'émission juxtaposés peut être comprise entre 100 mm2 et plusieurs m2. Le dispositif peut être intégré dans des engins spatiaux de toutes les tailles.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les modules d'émission juxtaposés peuvent former un bloc intégré ou solidarisé. Pour cela, il est par exemple possible de les associer avec une seule unité de contrôle commune, ou de former des unités d'émission avec un seul substrat. Alternativement, les modules d'émission peuvent être des modules indépendants. Ainsi, il est possible d'extraire facilement un ou plusieurs modules du dispositif, par exemple pour leur remplacement en cas de défaillance.
Lorsque le dispositif de propulsion ionique est en opération, au moins un module d'émission émet un faisceau d'ions et au moins un module d'émission n'émet pas de faisceau. Le ou les modules qui ne fonctionnent pas peuvent ainsi être réservés pour le cas où un autre module ne peut plus fonctionner, par exemple lorsque la réserve locale de liquide conducteur est dégradée. Des modules peuvent alors être arrêtés et d'autres peuvent être mis en marche sans que le dispositif de propulsion ait un temps mort pendant son opération. Ceci permet d'émettre des ions pendant une période étendue.
De même, lorsque le dispositif de propulsion ionique est en opération, une partie des modules d'émission peut être configuré pour émettre un faisceau d'ions de polarité opposée par rapport à la polarité du faisceau d'ions émis par une autre partie de modules d'émission.
Selon un premier exemple, le dispositif peut être configuré pour émettre d'ions chargés positivement et d'ions chargés négativement en même temps de sorte à ce que la plume d'ions émise par le propulseur résultant de tous les faisceaux d'ions émis soit électriquement neutre.
Selon un deuxième exemple, en faisant fonctionner des modules d'émission avec des polarités opposées en même temps, il est également possible de réaliser la neutralité de charge de l'engin portant le dispositif de propulsion. Pour cela, le total des courants émis et collectés par l'engin doit être égal à zéro.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) de propulsion ionique, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- une pluralité de modules d'émission (10) agencés dans un plan d'émission du dispositif, chaque module d'émission comprenant un support isolant (17), une électrode d'émission (11) agencée sur le support isolant (17), et un réservoir de liquide conducteur (12) avec un canal micro-fluidique agencé pour déposer du liquide conducteur sur l'électrode d'émission (11),
- une électrode d'extraction (14) commune à la pluralité de modules d'émission (10) et agencée en vis-à-vis des modules d'émission (10), et
- au moins une unité de contrôle (13), dans lequel :
- chaque module d'émission (10) est configuré pour émettre un faisceau d'ions lorsqu'un champ électrique est appliqué au liquide conducteur,
- l'au moins une unité de contrôle (13) est configurée pour contrôler un courant d'émission des ions émis par l'application d'une différence de potentiel entre au moins une électrode d'émission (11) et l'électrode d'extraction (14),
- les électrodes d'émission (11) des modules d'émission (10) sont espacées l'une de l'autre d'une distance linéaire / supérieure à une distance de claquage entre deux électrodes d'émission (11) adjacentes séparées par un espace vide, et
- une longueur L du support isolant (17) entre les électrodes d'émission (11) est supérieure à une distance de propagation d'un courant électrique de fuite par sauts de charges le long du support isolant (17) entre les électrodes d'émission (11), la distance linéaire / et la longueur L du support isolant (17) étant choisies de sorte à maximiser le nombre de modules d'émission (10) dans le plan d'émission.
2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel la distance linéaire / est inférieure à la distance de propagation d'un courant électrique de fuite par sauts de charges le long du support isolant (17) entre les électrodes d'émission (11).
3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les modules d'émission sont configurés pour être juxtaposés afin de former une surface de propulsion de taille variable.
4. Dispositif (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les modules d'émission juxtaposés forment un bloc intégré ou solidarisé.
5. Dispositif (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la taille de la surface de propulsion est comprise entre 100 mm2 et plusieurs m2.
6. Dispositif (1) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que lorsque le dispositif (1) est en opération, au moins un module d'émission émet un faisceau d'ions et au moins un module d'émission n'émet pas de faisceau.
7. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source d'ions comprend un réservoir à liquide conducteur solidarisé avec l'électrode d'émission.
8. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque électrode d'émission comprend un substrat plan comprenant une pluralité d'émetteurs.
9. Dispositif (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le substrat est en silicium cristallin, en verre ou en une alternance de couches de ces matériaux.
10. Dispositif (1) selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que chaque émetteur est constitué par une pluralité de nanofils, les nanofils s'étendant essentiellement vers l'électrode d'extraction et recouvrant l'ensemble de la surface supérieure du substrat.
11. Dispositif (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'un émetteur est constitué par une pluralité de nanofils formant un fagot.
12. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrode d'extraction comprend
- une grille de fils métalliques tressés, ou
- une plaque métallique comprenant des ouvertures.
13. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lorsque le dispositif (1) est en opération, une partie des modules d'émission est configurée pour émettre un faisceau d'ions de polarité opposée par rapport à la polarité du faisceau d'ions émis par une autre partie de modules d'émission.
14. Dispositif (1) selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif (1) est configuré pour émettre d'ions chargés positivement et d'ions chargés négativement de sorte à ce qu'il y a la même quantité de charges positives que de charges négatives.
15. Dispositif (1) selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif (1) est configuré pour émettre d'ions chargés positivement et d'ions chargés négativement de sorte à ce que le total des courants émis et collectés par un engin dans lequel le dispositif (1) est mis en œuvre est égal à zéro.
16. Satellite, notamment du type CubeSat, comprenant un dispositif (1) de propulsion ionique selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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