FR2788084A1 - Propulseur a plasma a derive fermee d'electrons a vecteur poussee orientable - Google Patents
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Abstract
Le propulseur comprend sur une même platine plusieurs canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération présentant des axes non parallèles (241A, 241B) qui convergent du côté de la sortie des canaux. Un circuit magnétique (131, 134, 136) assure la création d'un champ magnétique dans les canaux annulaires. Le propulseur comprend en outre une cathode creuse (140), des moyens pour réguler le débit d'alimentation en gaz ionisable de chaque canal annulaire et des moyens de contrôle du courant de décharge et d'accélération des ions dans les canaux. Le contrôle de l'ionisation du vecteur poussée du propulseur peut être effectué sans augmenter de façon sensible la masse du propulseur.
Description
Domaine de l'invention L'invention concerne un propulseur à plasma à
dérive fermée d'électrons à vecteur poussée orientable, comprenant au moins un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération équipé d'une anode et de moyens d'alimentation en gaz ionisable, un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal, et une cathode creuse associée à des moyens d'alimentation en gaz ionisable Art antérieur L'orientation du vecteur poussée des propulseurs ioniques ou des propulseurs à dérive fermée d'électrons permet d'effectuer des opérations de contrôle d'attitude en dépointant le vecteur poussée du centre de gravité du satellite ou au contraire d'éliminer les couples parasites en alignant le vecteur poussée de manière à suivre les déplacements du centre de gravité du satellite induits par les déformations thermiques et
l'épuisement des ergols.
Cette nécessité a été reconnue dés les années 1970. Les mécanismes de contrôle du vecteur poussée étant par nature assez complexes, de nombreuses tentatives ont été effectuées pour remplacer ce contrôle de poussée mécanique par un contrôle électrostatique ou électromagnétique. Dans le cas des propulseurs ioniques à bombardement, la déviation électrostatique a pu paraître la plus adaptée. La technique la plus couramment utilisée a consisté à diviser chaque trou de grille accélératrice en quatre secteurs dont le potentiel peut être contrôlé indépendamment, I'angle de déviation pouvant atteindre 3 . Toutefois, aucune réalisation industrielle n'a été effectuée avec ce type de
technique.
Les propulseurs ioniques à bombardement utilisent ainsi
généralement un dispositif d'orientation de poussée mécanique.
A titre d'exemple, on peut citer les propulseurs Hughes XIPS 13 sur le satellite HS 601 HP et les propulseurs RIT 10 et UK 10 sur le satellite
expérimental ARTEMIS.
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En ce qui concerne les propulseurs à dérive fermee d'électrons, la déviation électromagnétique a paru la plus adaptée. En effet, le champ électrique dans un propulseur à plasma est déterminé par le champ magnétique radial dans l'entrefer. Si on fait varier en azimut le champ magnétique radial on fait varier également le champ électrique. La déformation des équipotentielles provoque alors une déviation angulaire
du vecteur poussée.
Cette solution est présentée par exemple dans le document US-A-
359 258.
Dans un tel cas, la pièce polaire externe est divisée en quatre secteurs, chaque secteur étant monté sur un noyau magnétique avec une bobine coaxiale. L'alimentation différentielle des bobines permet de
modifier la répartition azimutale du champ magnétique.
Cette disposition n'a toutefois jamais été utilisée sur un propulseur
1 5 opérationnel.
On connaît aussi par le document EP 0 800 196 A1 un système d'orientation de poussée selon lequel quatre bobines montées sur quatre noyaux magnétiques en forme d'arc de cercle permettent de faire varier le
champ magnétique radial en azimut.
Si les différentes techniques de contrôle électromagnétique du vecteur poussée d'un propulseur à dérive fermée d'électrons permettent d'obtenir des angles de déviation jusqu'à 3 , elles présentent une série d'inconvénients dus à la physique même de ces propulseurs. En particulier, le fait d'augmenter localement le champ électrique change la position de la zone d'érosion. Le profil d'usure, au lieu d'être axisymétrique sera ainsi plus prononcé d'un côté (le déplacement du centre de gravité d'un satellite est déterministe). Dans la mesure o il faut changer la consigne de pointage du faisceau, I'interface entre le plasma et la paroi usée du canal ne sera pas symétrique. Il en résultera une usure plus prononcée du côté préalablement soumis à une usure modérée mais surtout un déplacement du seuil d'usure, ce qui peut fortement perturber
le fonctionnement.
Il faut aussi noter qu'un essai de durée de vie est difficile à spécifier avec un dispositif de contrôle électromagnétique. En effet, dès lors que la durée de vie risque d'être fonction de la loi de commande du vecteur poussée, il devient quasiment impossible de démontrer que la loi de
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commande du vecteur poussée utilisée en essai de durée de vie est plus
sévère qu'une loi aléatoire rencontrée en fonctionnement réel.
Un autre inconvénient est lié à la chute de rendement importante
lorsque le faisceau d'ions (le vecteur poussée) est dévié.
En effet, dans un propulseur axisymétrique, rien ne s'oppose au mouvement de dérive des électrons dans le canal annulaire sous l'effet des champs croisés électrique et magnétique (d'o le nom de propulseurs
à dérive fermée d'électrons).
Si l'on décale les parois du canal vis-à-vis des pièces polaires, on constate une diminution du rendement qui est due à l'augmentation des
collisions électrons-parois.
Le même effet se produit si l'on augmente localement le champ
magnétique. Il sera aggravé par une usure asymétrique.
Un moyen simple de contrôler le vecteur poussée peut consister à
utiliser plusieurs propulseurs dont on contrôle individuellement la poussée.
Il est alors très facile de fixer la direction et l'amplitude du vecteur poussée résultant et la durée de vie devient indépendante de la loi d'orientation de poussée. Un tel procédé présente cependant l'inconvénient d'être très coûteux dès lors qu'il faut au moins trois
propulseurs et trois alimentations électriques.
Objet et description succincte de l'invention
L'invention vise à remédier aux inconvénients précités et notamment à permettre un contrôle du vecteur poussée à l'aide d'un système qui n'augmente pas exagérément la masse de l'ensemble embarqué et son coût, et par suite ne comprenne pas un ensemble complet de propulseurs multiples, tout en permettant d'assurer une commande aisée et efficace de l'orientation du vecteur poussée, avec des angles dée déviation suffisamment importants, et sans qu'il soit créé de
dissymétries non contrôlables.
Ces but sont atteints grâce à un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons à vecteur poussée orientable, comprenant au moins un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération équipé d'une anode et de moyens d'alimentation en gaz ionisable, un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal, et une cathode creuse associée à des moyens d'alimentation en gaz
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ionisable, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération présentant des axes non parallèles qui convergent du côté de la sortie aval desdits canaux annulaires principaux, en ce que le circuit magnétique de création d'un champ magnétique comprend une première pièce polaire aval externe commune à tous les canaux annulaires, une deuxième pièce polaire externe commune à tous les canaux annulaires et disposée en amont de la première pièce polaire aval externe, une pluralité de pièces polaires internes en nombre égal au nombre de canaux annulaires principaux et montées sur des premiers noyaux disposés autour des axes des canaux annulaires principaux, une pluralité de premières bobines disposées respectivement autour de la pluralité de premiers noyaux, une pluralité de deuxièmes bobines montées sur des deuxièmes noyaux disposés dans des espaces libres ménagés entre les canaux annulaires principaux, lesdits deuxièmes noyaux des deuxièmes bobines étant reliés entre eux dans leur partie amont par des barres ferromagnétiques et étant reliés dans leur partie aval à ladite première pièce polaire aval externe, et en ce qu'il comprend des moyens pour réguler le débit de l'alimentation en gaz ionisable de chaque canal annulaire principal et des moyens de contrôle du courant de décharge et d'accélération des ions dans les canaux
annulaires principaux.
Les axes des canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération convergent sur l'axe géométrique du propulseur et peuvent former avec l'axe géométrique du propulseur des angles compris entre 5
et 20 .
Chaque canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération comprend une anode associée à un distributeur alimenté en gaz ionisable au moyen d'une canalisation reliée par un isolateur à un régulateur de débit. La cathode creuse est alimentée par une canalisation reliée par un
isolateur à un organe de perte de charge.
Les régulateurs de débit et l'organe de perte de charge sont
alimentés par une canalisation commune contrôlée par une électrovanne.
Le propulseur comprend un circuit d'alimentation électrique pour établir la décharge entre la cathode creuse et les anodes et les
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oscillateurs de décharge des canaux annulaires principaux sont découplés
par des filtres placés entre la cathode et les anodes.
Pour contrôler les courants de décharge des anodes, le propulseur comprend des boucles d'asservissement comprenant des capteurs de courant et un régulateur de courant agissant sur les régulateurs de débit et recevant une consigne de courant de décharge total et au moins une consigne de déviation de vecteur poussée pour un contrôle selon au moins un axe, le courant de décharge et d'accélération des ions étant contrôlé par une distribution de champ magnétique déterminée par ledit circuit magnétique dans lequel la pluralité de premières bobines et la pluralité de deuxièmes bobines sont montées en série entre la cathode et
la borne négative du circuit d'alimentation électrique.
Les régulateurs de débit peuvent être constitués par des thermocapillaires contrôlés par des boucles d'asservissement des courants de décharge ou encore par des microélectrovannes de dosage à
actuateur thermique, piézoélectrique ou magnétostrictif.
Les capteurs de courant peuvent être à isolation galvanique pour mesurer le courant de chacune des anodes à un potentiel de plusieurs
centaines de volts.
Avantageusement, la plage de débit dans chaque canal annulaire
principal est comprise entre 50 % et 120% du débit nominal.
Le nombre de deuxièmes bobines peut être compris entre 4 et 10.
Selon divers modes de réalisation possibles, le propulseur peut comprendre deux canaux annulaires principaux, ou trois canaux annulaires principaux répartis en triangle autour de l'axe du propulseur ou encore quatre canaux annulaires principaux répartis en carré autour de
l'axe du propulseur.
Selon un mode particulier de réalisation, le nombre des deuxièmes bobines est un multiple du nombre de canaux annulaires principaux, les bobines de chaque sous ensemble de deuxièmes bobines attribué à chaque canal sont montées en série et les différents sous-ensembles de deuxièmes bobines sont montés en parallèles, les impédances des
bobines montées en série étant égales.
Selon un autre mode particulier de réalisation, le nombre des deuxièmes bobines est un multiple du nombre de canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération et les bobines de chacun des
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sous-ensembles de deuxièmes bobines attribués aux différents canaux
sont alimentées par un vernier de courant.
Selon un mode particulier de réalisation, le propulseur comprend une boucle numérique d'asservissement de l'orientation du vecteur poussée, les consignes de poussée totale et de déviation du vecteur poussée étant données sous forme numérique, et la consigne de déviation du vecteur poussée ayant priorité sur la consigne de poussée
totale en cas d'incompatibilité entre les deux consignes.
Avantageusement, le propulseur comprend une embase commune jouant le rôle de radiateur et de logement pour les connexions électriques
et fluidiques.
Selon un mode de réalisation, les moyens pour réguler le débit de l'alimentation en gaz ionisable reçoivent deux consignes de déviation de
vecteur poussée pour un contrôle selon deux axes.
Selon un mode de réalisation particulier, le propulseur comprend deux canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération permettant d'effectuer un contrôle selon un premier axe à l'aide des moyens pour réguler le débit de l'alimentation en gaz ionisable, et il comprend en outre des moyens mécaniques d'articulation de l'embase du
propulseur autour d'un autre axe.
Dans ce cas, l'embase du propulseur est articulée autour du
second axe avec un angle maximum de 50 .
Selon un aspect particulier, I'embase du propulseur est articulée autour dudit second axe sur deux roulements précontraints par au moins une membrane souple montée sur une plate-forme fixe et directement fixés à l'embase, le centre de gravité de l'ensemble mobile étant situé au voisinage de l'axe de rotation et l'angle de rotation étant contrôlé par un
moteur électrique et un réducteur assurant le verrouillage angulaire.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de
la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre
d'exemples, en référence aux dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique de côté montrant un premier exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à deux canaux annulaires principaux,
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- la figure 2 est une vue de face prise de l'aval montrant le propulseur à plasma de la figure 1, - la figure 3 est une vue en perspective, avec coupe partielle, d'un mode particulier de réalisation du propulseur à plasma selon les figures 1 et 2, - la figure 4 est un schéma électrique et fluidique d'un deuxième exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à trois canaux annulaires principaux, - la figure 5 est une vue schématique de côté montrant un exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à trois canaux annulaires principaux répartis en triangle à sept bobines externes, - la figure 6 est une vue de face prise de l'aval montrant le propulseur à plasma de la figure 5, - la figure 6 A est un schéma montrant l'inclinaison des canaux du propulseur des figures 5 et 6, - la figure 7 est une vue schématique de côté montrant un autre exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à trois canaux annulaires principaux répartis en triangle et à dix bobines externes, - la figure 8 est une vue de face prise de l'aval montrant le propulseur à plasma de la figure 7, - la figure 9 est une vue schématique de côté montrant un exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à quatre canaux annulaires principaux répartis en carré et à neuf bobines externes, - la figure 10 est une vue de face prise de l'aval montrant le propulseur à plasma de la figure 9, - la figure 10A est un schéma montrant l'inclinaison des canaux du propulseur des figures 9 et 10, - la figure 11 est une vue schématique de côté montrant encore un autre exemple de propulseur à plasma selon l'invention, à deux canaux annulaires principaux et six bobines externes, équipé en outre d'un axe de pointage mécanique, la figure 12 est une vue de face prise de l'aval montrant le propulseur à plasma de la figure 11, - la figure 13 est une vue de côté prise selon la flèche F de la figure 12 et montrant des détails de réalisation de l'axe de pointage mécanique,
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- la figure 14 est une vue en perpective avec coupe axiale, d'une anode pouvant être incorporée dans chacun des canaux annulaires principaux du propulseur selon l'invention,, - la figure 15 est une vue en demi-coupe axiale, montrant un mode de réalisation possible d'un canal annulaire principal d'un propulseur selon l'invention, et - la figure 16 est une vue de côté montrant un propulseur à plasma de l'art antérieur, comprenant un seul canal annulaire principal et des
moyens de pointage mécanique.
Description détaillée de modes particuliers de réalisation de
l'invention
Dans la description qui suit de différents exemples de propulseurs
à plasma à dérive fermée d'électrons munis de plusieurs canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération, les éléments semblables des différents canaux annulaires principaux, ou associés aux différents canaux, porteront les mêmes références, mais suivies de la lettre A, B, C ou D selon qu'il s'agit d'un premier, d'un deuxième, d'un
troisième ou d'un quatrième canal annulaire d'un même propulseur.
Les figures 1 à 3 montrent un propulseur à plasma à deux canaux annulaires principaux 124A, 124B disposés côte à côte et définissant une configuration essentiellement rectangulaire. Les axes 241A, 241B des deux canaux 124A, 124B sont inclinés d'un angle 242 par rapport à l'axe géométrique 752 du propulseur. Une cathode creuse unique 140 est
associée aux deux canaux principaux 124A, 124B.
Un propulseur à plasma classique à un seul canal annulaire principal, tel que celui représenté sur la figure 16, comprend en principe
quatre bobines externes 31 associées à une pièce polaire externe 34.
Dans le cas d'un propulseur à plasma selon l'invention, à deux canaux principaux 124A, 124B, il est possible de fusionner les deux bobines externes adjacentes 131 situées au voisinage de la partie médiane entre les deux canaux 124A, 124B. De la sorte, il est possible de n'utiliser que six bobines externes 131 reliées à une pièce polaire externe commune 134 présentant une forme de V très ouvert (figures 1 et 2) Des pièces polaires internes 135A, 135B sont montées sur des premiers noyaux 138A, 138B disposés autour des axes 241A, 241B des
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canaux annulaires principaux 124A, 124B, et sont donc en nombre égal au nombre de canaux annulaires 124A, 124B. Des bobines internes ou premières bobines 133A, 133B disposées autour des premiers noyaux 138A, 138B sont également en nombre égal au nombre de canaux annulaires 124A, 124B (figure 3). Les bobines externes 131, ou deuxièmes bobines, sont montées sur des deuxièmes noyaux 137 disposés dans des espaces libres ménages entre les canaux annulaires principaux 124A, 124B. Les noyaux 137 des bobines 131 sont reliés dans leur partie aval à la pièce polaire aval externe 134. Une autre pièce polaire externe amont 311 comportant des portions 311A, 311B disposées autour des canaux annulaires 124A, 124B est disposée en amont de la première pièce polaire aval externe
134 (figures 3 et 15).
Les canaux 124A, 124B et les éléments de circuit magnétique sont solidaires d'une embase 175, de préférence en alliage léger, qui joue le rôle de radiateur. Les connexions électriques et fluides sont logées dans
des cavités ménagées dans cette embase.
Le circuit magnétique peut être réalisé par exemple d'une manière similaire à celle décrite dans le brevet US 5 359 258 ou d'une manière semblable à celle décrite dans la demande de brevet français 98 10674
déposée le 25 août 1998, et illustrée sur les figures 3 et 15.
Si l'on considère plus particulièrement les figures 3, 14 et 15, on voit que chaque canal annulaire tel que 124A est délimité par des parois isolantes 122A, est ouvert à son extrémité aval et présente une section de forme tronconique à sa partie amont et cylindrique à sa partie aval. Une anode annulaire 125A présente une section profilée en forme de tronc de cône ouvert vers l'aval. L'anode 125A peut présenter des fentes 117A réalisées dans la partie massive 116A de l'anode 125A pour augmenter la surface de contact avec le plasma. Des trous 120A d'injection d'un gaz ionisable provenant d'un distributeur 127A de gaz ionisable sont formés dans la paroi de l'anode 125A. Le distributeur 127 A est alimenté en gaz ionisable par une canalisation 126A. L'anode 125A peut être supportée par rapport aux pièces 122A en matériau céramique délimitant le canal 124A, par exemple par une colonnette massive 114A à section circulaire et par au moins deux colonnettes 115A amincies en lames flexibles. Un isolateur 300A est interposé entre la canalisation 126A et l'anode 125A
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qui est reliée par une liaison électrique 145A au pôle positif de
l'alimentation électrique de la décharge anode-cathode.
La pièce polaire interne 135A est prolongée par un noyau magnétique axial central 138 A qui est lui-même prolongé à la partie amont du propulseur par une pluralité de bras radiaux 352A reliés à une deuxième pièce polaire interne amont conique 351A. Une deuxième bobine magnétique interne 132A peut être placée dans la partie amont de la deuxième pièce polaire interne 351A, à l'extérieur de celle-ci. Le champ magnétique de la bobine interne 132A est canalisé par des bras radiaux 136 placés dans le prolongement des bras radiaux 352A, ainsi que par la pièce polaire externe 311A et la pièce polaire interne 351A. Un faible entrefer 361 peut être ménagé entre les bras radiaux 352A et les bras
radiaux 136.
Des feuilles de matériau superisolant formant écran 130A sont disposées en amont du canal annulaire 124A et des feuilles de matériau superisolant 301A formant écran sont également interposées entre la canal 124A et la bobine interne 133A. Les écrans 130A, 301A éliminent l'essentiel du flux rayonné par le canal 124A vers les bobines 133A, 132A
et l'embase 175.
Dans le cadre du propulseur à plasma à plusieurs canaux 124A, 124B selon l'invention il est possible d'utiliser une seule cathode 140 pour alimenter les deux canaux 124A, 124B. En effet, la cathode 140 crée un nuage de plasma qui rend son positionnement relativement insensible par rapport à l'un des faisceaux et de plus les axes 241A, 241B des canaux 124A, 124B étant convergents, cela entraîne un croisement des faisceaux
de plasma qui diminue considérablement l'impédance entre les faisceaux.
Il n'est toutefois pas exclu d'ajouter une cathode redondante si cela s'avère nécessaire, notamment si le nombre de canaux est supérieur ou
égal à quatre.
Le propulseur à deux canaux 124A, 124B des figures 1 à 3 permet
un contrôle du vecteur poussée selon un axe.
Des configurations de propulseur à trois canaux 124A à 124 C, telles que celles représentées sur les figures 5 à 8 permettent un contrôle
du vecteur poussée selon deux axes.
Dans le mode de réalisation des figures 5 et 6, les axes 241A, 241B, 241C des trois canaux annulaires principaux 124A, 124B à 124C In l 2788084 disposés en triangle convergent vers l'axe 752 du propulseur. Chaque canal 124A à 124C est entouré par quatre bobines externes 131 dans une configuration "en diamant". Certaines bobines 131 coopèrent avec deux canaux voisins, de sorte que le nombre total de bobines externes 131 est ramené à 7 au lieu de 12. Le nombre d'ampères-tours des bobines externes 131 est ajusté en fonction du périmètre de pièces polaires à alimenter. Ce nombre d'ampères-tours est identique pour les quatre bobines les plus centrales tandis que les trois bobines externes 131 situees au voisinage des sommets du triangle défini par les canaux 124A à 124C comportent les
deux tiers du nombre de tours des bobines externes 131 centrales.
Les autres éléments principaux du propulseur à trois canaux 124A, 124B, 124C sont semblables à ceux du propulseur à deux canaux 124A, 124B, notamment en ce qui concerne l'embase commune en alliage léger 175, la cathode commune 140, les noyaux magnétiques 138A à 138C des bobines internes 133A à 133C et les noyaux magnétiques 137 des bobines externes 131 reliés entre eux par un réseau de barres
ferromagnétiques 136.
Les figures 7 et 8 montrent un propulseur à trois canaux annulaires principaux 124A, 124B, 124C qui ne diffère du mode de réalisation des figures 5 et 6 que par le nombre et la disposition des bobines externes 131. Dans le cas du mode de réalisation des figures 7 et 8, il existe dix bobines externes 131. Celles-ci sont réparties de telle sorte que chaque canal annulaire principal 124A, 124B, 124C soit entouré par cinq bobines formant un pentagone irrégulier. Ce caractère irrégulier est dû à l'angle de convergence des canaux, qui est de l'ordre de 10 . Un pentagone régulier pourrait être obtenu si l'angle de convergence des canaux était plus important, de l'ordre de 37 . Certaines des bobines externes 131 jouent un rôle simultanément pour deux ou trois canaux 124A à 124C, de sorte que le nombre total de bobines externes 131 est ramené à 10 au lieu de
15. La pièce polaire commune 134 moyenne le champ.
La disposition des figures 7 et 8 est intéressante pour de gros propulseurs, pour lesquels il est préférable de fractionner les bobines externes 131 afin d'alléger la pièce polaire externe 134. La pièce polaire externe 134 et l'embase 175 présentent la forme d'un hexagone irrégulier
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avec six bobines externes 131 placées au voisinage des sommets de l'hexagone et quatre bobines externes 131 réparties en étoile entre les
trois canaux 124A à 124C.
Les figures 9 et 10 montrent un propulseur à quatre canaux annulaires principaux 124A, 124B, 124C, 124D disposés essentiellement en carré et associés a neuf bobines externes 131. Chaque canal 124A à 124D est entouré par quatre bobines externes 131. Des bobines externes 131 jouent un rôle vis-à-vis de plusieurs canaux. Seules les bobines 131 situées au voisinage des angles de la pièce polaire 134 et de l'embase 175 de forme essentiellement carrée, ne jouent un rôle vis-à-vis que d'un seul canal 124A à 124D. De la sorte, le nombre de bobines externes 131
peut être ramené de 16 à 9.
Pour obtenir une déviation déterminée, il faut augmenter l'angle 242 des axes 241A à 241D par rapport à l'axe 752, cet angle 242 devenant le double de celui prévu dans le cas d'un propulseur à deux canaux. Si l'on se reporte aux figures 11 à 13, on voit un propulseur selon l'invention à deux canaux 124A, 124B essentiellement similaire au propulseur des figures 1 à 3. Toutefois, dans le cas des figures 11 à 13, le propulseur est en outre équipé de moyens d'orientation mécanique uniaxe. Les deux canaux annulaires principaux 124A, 124B et leurs six bobines externes associées 131 assurent une commande souple et aisée de l'orientation du vecteur poussée selon un premier axe, avec un angle pouvant être compris entre 5 et 20 . Les moyens d'orientation mécanique uniaxe permettent de commander l'orientation du vecteur poussée selon un deuxième axe, avec un angle 783 important, par exemple de l'ordre de . On notera qu'un système d'orientation mécanique uniaxe est beaucoup plus simple, plus léger et plus robuste qu'un système d'orientation mécanique deux axes. En particulier, dans le cas d'un système uniaxe, le centre de gravité 751 du propulseur peut être situé sur l'axe de rotation 782 du dispositif d'orientation, ce qui dispense alors de mettre en oeuvre un dispositif de blocage. Le verrouillage angulaire peut en effet être obtenu directement à l'aide d'un mécanisme de commande de rotation irréversible comprenant par exemple un moteur électrique 177
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et un réducteur 179. L'axe de rotation 782 du berceau 175 du propulseur à orientation mecanique peut être matérialisé par deux roulements à contact oblique 178 capables de résister aux efforts dynamiques au cours du lancement du propulseur. L'un au moins des roulements à contact oblique 178 peut être monté sur une membrane élastique 781 permettant de garantir une précontrainte constante et indépendante des gradients thermiques empêchant les coincements, comme décrit par exemple dans le breveteuropéen 0 325 073. La membrane élastique 781 est elle-même montée sur une embase fixe 176. Les liaisons électriques sont assurées par des câbles souples et l'alimentation en gaz ionisable par des
canalisations élastiques.
Le propulseur à deux canaux 124A, 124B avec orientation mécanique uniaxe est particulièrement utile lorsqu'il s'agit de pointer le vecteur poussée selon un angle important sur un axe et selon un angle
plus faible sur l'autre.
Ceci est en particulier le cas pour les satellites de télécommunication utilisant la propulsion à plasma pour la fin d'un transfert entre une orbite de transfert géostationnaire (GTO) et une orbite géostationnaire finale (GEO), puis pour un contrôle Nord-Sud, ainsi que pour les missions demandant une loi de vecteur poussée dans le plan orbital, puis en dehors du plan orbital (correction d'inclinaison pour le
transfert GTO-GEO ou pour certaines missions planétaires).
D'une manière générale, selon l'invention, le contrôle du vecteur poussée est obtenu en alimentant séparément en fluide propulsif plusieurs canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération 124A à 124D inclus dans un circuit magnétique commun 134, reliés à une cathode creuse unique 140 et à un bloc d'alimentation 190 unique
(figure 4).
Pour un champ magnétique radial fixé (déterminé par le courant passant dans la cathode creuse commune 140), il existe une certaine marge de débit masse, donc de courant de décharge, pour un moteur à dérive fermée d'électrons fonctionnant en mode non focalisé (dit encore "mode tige" ou "spike mode" en anglais). La poussée étant sensiblement proportionnelle au courant de décharge et au débit masse dans un petit domaine autour du point de fonctionnement nominal, il devient aisé de contrôler la poussée individuelle de chaque canal 124A à 124D en
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modifiant le débit masse. Ceci est obtenu facilement à l'aide de régulateurs de débit individuels 185A à 185D comprenant par exemple un thermocapillaire contrôlé par une boucle d'asservissement en courant de décharge. On peut aussi utiliser une microélectrovanne de dosage (à actuateur thermique, ou piézoélectrique ou magnétostrictif). Dans les propulseurs à plasma stationnaire classiques, un capteur de courant est situé sur la ligne de retour de courant (à un potentiel voisin de la masse, car égal au potentiel cathode diminué de la chute de tension dans les bobines) Dans le cas présent, il faut en plus mesurer le courant de chaque anode. Le potentiel d'anode étant de 300 V, il est préférable d'effectuer cette mesure par un capteur de courant à isolation galvanique 193A à 193D. Par exemple, on peut mesurer le différentiel de courant entre deux fils en plaçant un capteur à effet Hall sur l'axe de deux solénoïdes bobinés en opposition, chaque solénoïde étant parcouru par le courant d'une anode. La figure 4 montre le schéma électrique d'un propulseur à trois canaux 124A à 124C (donc à trois anodes 125A à 125C). Chaque anode A à 125C est reliée à l'alimentation commune par l'intermédiaire d'un filtre constitué par un circuit L-C (911A à 911C). Cela permet de découpler les fréquences d'oscillations entre chaque canal qui peuvent être
légèrement différentes en raison des débits-masses différents.
Vis-à-vis d'un bloc d'alimentations alimentant un propulseur unique, la seule complication apportée consiste en l'adjonction de commandes de régulateurs de débit supplémentaires et de capteurs de courant
différentiels à isolation galvanique (92, 921, 922).
Le schéma de la figure 4 est naturellement applicable à un mode de réalisation à quatre canaux 124A à 124D tel que celui des figures 9 et 10. Dans ce cas, il est seulement ajouté une branche supplémentaire dont les éléments sont affectés de la lettre D. Dans chaque branche correspondant à un canal 124A à 124D, une chambre comprend une anode 125A à 125D et un distributeur 127A à 127D, alimenté en gaz ionisable au moyen d'une canalisation 118A à 118D, d'un isolateur (300A à 300D) et d'un régulateur de débit (185A à 185D), raccordé par un tronçon de canalisation commune d'alimentation 126 contrôlée par une électrovanne 187. La canalisation commune 126 alimente également la cathode creuse 140 au moyen d'un organe de perte de charge 186 et d'un isolateur 300. La décharge est établie entre la cathode creuse 140 et les anodes 125A à 125D au moyen d'un circuit d'alimentation électrique 191. Les oscillations de décharge des différents canaux sont découplées par des filtres 911A à 911D placés entre les différentes anodes 125A à 125D et la cathode 140. Le courant de décharge de chaque anode est contrôlé par une boucle d'asservissement comprenant un capteur de courant 193A à 193D, de préférence à isolation galvanique, un régulateur 192 recevant une consigne 922 de déviation de vecteur poussée pour un contrôle un axe, ou deux consignes 922 de déviation de vecteur poussée pour un contrôle deux axes, et une consigne 921 de courant de décharge total. Le courant de décharge et l'accélération des ions sont contrôlés par la distribution de champ magnétique déterminée par la pièce polaire aval externe 134 commune à tous les canaux, la pièce polaire externe amont 311 commune à tous les canaux, les bobines externes 131 montées sur les noyaux 137 et les pièces polaires internes 135A à 135D montées sur les noyaux 138A à 138D équipés de bobines 133A à 133D. Les extrémités de toutes les pièces polaires ont des profils de tores coaxiaux aux axes 241A à 241D des canaux 124A à 124D. Les bobines internes 133A à 133D et externes 131 sont montées en série entre la cathode et la borne négative du circuit d'alimentation électrique 191 tandis que les différents noyaux sont reliés à l'amont par les barres ferromagnétiques 136. Les circuits de régulation permettent de définir dans chaque canal 124A à 124D une plage de débit
typiquement comprise entre 50% et 120% du débit nominal.
Diverses variantes de réalisation des circuits de régulation sont possibles. Ainsi, selon une variante particulière, le nombre de bobines externes 131 est un multiple du nombre de canaux annulaires principaux 124A à 124D, les bobines de chaque sous-ensemble de bobines 131 attribué à chaque canal 124A à 124D sont montées en série et les différents sous-ensembles de bobines 131 sont montés en parallèle, les
impédances des bobines montées en série étant égales.
Selon une autre variante, le nombre des bobines externes 131 est un multiple du nombre de canaux annulaires 124A à 124D et les bobines
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de chacun des sous ensembles de bobines 131 attribués aux différents
canaux sont alimentées par un vernier de courant.
Selon encore une autre variante, il est prévu une boucle numérique d'asservissement de l'orientation du vecteur poussée, les consignes de poussée totale et de déviation du vecteur poussée étant données sous forme numérique, et la consigne de déviation du vecteur poussée a priorité sur la consigne de poussée totale en cas d'incompatibilité entre les
deux consignes.
On notera que le propulseur à canaux multiples selon l'invention est capable de fournir la même capacité de contrôle de poussée qu'un
propulseur unique monté sur une platine autorisant un débattement de 3 .
Dans le cas d'un propulseur unique appliqué par exemple à un satellite de constellation, la distance entre le propulseur et le centre de gravité du satellite est de l'ordre de lm. Le couple induit par une poussée
F avec un angle de déviation de 0 degrés est égal à C = F.sin0.
soit pour 0 = 3 C = 0,0523 F Dans le cas d'un propulseur selon l'invention à deux canaux distants de 140 mm, avec un diamètre de faisceau unitaire de 100 mm et une poussée unitaire nominale F1=F/2, si les axes des canaux individuels présentent un angle de divergence avec un demi-angle oa de 10 , la variation de couple autorisée par la variation de poussée individuelle de chaque canal sera: C = (0,07 + sin10 ) (AF1 -AF2)
C = 0, 21136 (AF1 - AF2)
Si les valeurs absolues des variations sont égales, par exécution d'une loi de commande, on obtient:
AF1 = 0,215 F1
La variation de poussée qui est ainsi de l'ordre de 20 %, est
facilement commandable.
En terme de masse supplémentaire de gaz ionisable embarquée sur un satellite, tel qu'un satellite de télécommunications de 150kg, on peut noter que dans le cas de réalisations de l'art antérieur comprenant deux platines d'orientation, la masse embarquée supplémentaire est supérieure à 12kg. Dans le cas d'un propulseur selon l'invention à une platine unique mais canaux multiples, il est nécessaire d'embarquer une
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masse supplémentaire de gaz ionisable tel que le xenon de l'ordre de 2kg qui est très nettement inférieure à la masse supplémentaire induite pas
les dispositifs de l'art antérieur à deux platine d'orientation.
Claims (24)
1. Propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons à vecteur poussée orientable, comprenant au moins un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération équipé d'une anode et de moyens d'alimentation en gaz ionisable, un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans ledit canal annulaire principal, et une cathode creuse (140) associée à des moyens d'alimentation en gaz ionisable, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) présentant des axes non parallèles (241A à 241D) qui convergent du côté de la sortie aval desdits canaux annulaires principaux (124A à 124D), en ce que le circuit magnétique de création d'un champ magnétique comprend une première pièce polaire aval externe (134) commune à tous les canaux annulaires (124A à 124D), une deuxième pièce polaire externe (311) commune à tous les canaux annulaires (124A à 124D) et disposée en amont de la première pièce polaire aval externe (134), une pluralité de pièces polaires internes (135A à 135D) en nombre égal au nombre de canaux annulaires principaux (124A à 124D) et montées sur des premiers noyaux (138A à 138D) disposés autour des axes (241A à 241D) des canaux annulaires principaux (124A à 124D), une pluralité de premières bobines (133A à 133D) disposees respectivement autour de la pluralité de premiers noyaux (138A à 138D), une pluralité de deuxièmes bobines (131) montées sur des deuxièmes noyaux (137) disposés dans des espaces libres ménagés entre les canaux annulaires principaux (124A à 124D), lesdits deuxièmes noyaux (137) des deuxièmes bobines (131) étant reliés entre eux dans leur partie amont par des barres ferromagnétiques (136) et étant reliés dans leur partie aval à ladite première pièce polaire aval externe (134), et en ce qu'il comprend des moyens (192) pour réguler le débit de l'alimentation en gaz ionisable de chaque canal annulaire principal (124A à 124D) et des moyens (191) de contrôle du courant de décharge et d'accélération des ions dans les
canaux annulaires principaux (124A à 124D).
2. Propulseur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que les axes (241A à 241D) des canaux annulaires principaux
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d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) convergent sur l'axe
géométrique (752) du propulseur.
3. Propulseur à plasma selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérise en ce que les axes (241A à 241D) des canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) forment avec l'axe géométrique (752) du propulseur des angles compris
entre 5 et 20 .
4. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque canal annulaire
principal d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) comprend une anode (125A à 125D) associée à un distributeur (127A à 127D) alimenté en gaz ionisable au moyen d'une canalisation (118A à 118D) reliée par un
isolateur (300A à 300D) à un régulateur de débit (185A à 185D).
5. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la cathode creuse (140) est
alimentée par une canalisation reliée par un isolateur (300) à un organe
de perte de charge (186).
6. Propulseur à plasma selon la revendication 4 et la revendication 5, caractérisé en ce que les régulateurs de débit (185A à D) et l'organe de perte de charge (186) sont alimentés par une
canalisation commune (126) contrôlée par une électrovanne (187).
7. Propulseur à plasma selon les revendications 4 et 5,
caractérisé en qu'il comprend un circuit d'alimentation électrique (191) pour établir la décharge entre la cathode creuse (140) et les anodes (125A à 125D) et en ce que les oscillations de décharge des canaux annulaires principaux (124A à 124D) sont découplées par des filtres (911A à 911D) placés entre la cathode (140) et les anodes (125A à D).
8. Propulseur à plasma selon la revendication 7, caractérisé en ce que, pour contrôler les courants de décharge des anodes (125A à
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D), il comprend des boucles d'asservissement comprenant des capteurs de courant (193A à 193D) et un régulateur de courant (192) agissant sur les régulateurs de débit (185A à 185D) et recevant une consigne (921) de courant de décharge total et au moins une consigne (922) de déviation de vecteur poussée pour un contrôle selon au moins un axe, le courant de décharge et d'accélération des ions étant contrôlé par une distribution de champ magnétique déterminee par ledit circuit magnétique dans lequel la pluralité de premières bobines (133A à 133D) et la pluralité de deuxièmes bobines (131) sont montées en série entre la cathode (140) et la borne négative du circuit d'alimentation électrique
(191).
9. Propulseur à plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce que les régulateurs de débit (185A à 185D) sont constitués par des thermocapillaires contrôlés par les boucles d'asservissement des courants
de décharge.
10. Propulseur à plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce que les régulateurs de débit (185A à 185D) sont constitués par des microélectrovannes de dosage à actuateur thermique, piézoélectrique ou magnétostrictif.
11. Propulseur à plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce que les capteurs de courant (193A à 193D) sont à isolation galvanique pour mesurer le courant de chacune des anodes (125A à 125D) à un
potentiel de plusieurs centaines de volts.
12. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la plage de débit dans
chaque canal annulaire principal (124A à 124D) est comprise entre 50 %
et 120% du débit nominal.
13. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le nombre de deuxièmes
bobines (131) est compris entre 4 et 10.
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14. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend une embase
commune (175) jouant le rôle de radiateur et de logement pour les
connexions électriques et fluidiques.
15. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend deux canaux
annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A, 124B).
16. Propulseur à plasma selon les revendications 14 et 15,
caractérisé en ce qu'il comprend deux canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A, 124B) permettant d'effectuer un contrôle selon un premier axe à l'aide des moyens (192) pour réguler le débit de l'alimentation en gaz d'ionisable, et en ce qu'il comprend en outre des moyens mécaniques d'articulation de l'embase (175) du propulseur
autour d'un autre axe.
17. Propulseur à plasma selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'embase (175) du propulseur est articulée autour dudit second
axe (782) avec un angle (783) maximum de 50 .
18. Propulseur à plasma selon la revendication 16 ou la revendication 17, caractérisé en ce que l'embase (175) du propulseur est articulée autour dudit second axe (782) sur deux roulements (178) précontraints par au moins une membrane souple (781) montée sur une plate-forme fixe (175) et directement fixés à l'embase (175), le centre de gravité (751) de l'ensemble mobile étant situé au voisinage de l'axe de rotation (782) et l'angle de rotation (783) étant contrôlé par un moteur
électrique (177) et un réducteur (179) assurant le verrouillage angulaire.
19. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend trois canaux
annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124C) répartis
en triangle autour de l'axe (752) du propulseur.
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20. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend quatre canaux
annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) répartis
en carré autour de l'axe (752) du propulseur.
21. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 20, caractérisé en ce que le nombre des deuxièmes
bobines (131) est un multiple du nombre de canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124D), en ce que les bobines de chaque sous-ensemble de deuxièmes bobines (131) attribué à chaque canal (124A à 124D) sont montées en série et en ce que les différents sousensembles de deuxièmes bobines (131) sont montés en parallèle,
les impédances des bobines montées en série étant égales.
22. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 20, caractérisé en ce que le nombre des deuxièmes
bobines (131) est un multiple du nombre de canaux annulaires principaux d'ionisation et d'accélération (124A à 124D) et en ce que les bobines de chacun des sous-ensembles de deuxièmes bobines (131) attribués aux différents canaux (124A à 124D) sont alimentées par un vernier de courant.
23. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend une boucle
numérique d'asservissement de l'orientation du vecteur poussée, les consignes de poussée totale et de déviation du vecteur poussée étant données sous forme numérique, et la consigne de déviation du vecteur poussée ayant priorité sur la consigne de poussée totale en cas
d'incompatibilité entre les deux consignes.
24. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des
revendications 1 à 15, 19 et 20, caractérisé en ce que les moyens (192)
pour réguler le débit de l'alimentation en gaz ionisable reçoivent deux consignes (922) de déviation de vecteur poussée pour un contrôle selon
deux axes.
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