FR2973081A1

FR2973081A1 - Unite de regulation pour systeme d'alimentation dans un propulseur electrique

Info

Publication number: FR2973081A1
Application number: FR1152342A
Authority: FR
Inventors: Frederic Marchandise; Michael Oberg; Gerard Passagot
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: SAFRAN SPACECRAFT PROPULSION, FR
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-09-28
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: FR2973081B1

Abstract

Cette unité de régulation comporte : - un réservoir (1) haute pression de gaz ionisable ; - au moins une vanne à actionneur électromagnétique (5, 6) et des moyens de détente (7) du gaz, agencés entre le réservoir haute pression (1) et un réservoir basse pression (2) ; - des moyens de mesure de la température au niveau des moyens de détente (7) ; et - des moyens de contrôle (53) aptes à contrôler la vanne (5, 6) pour augmenter l'énergie dissipée par la vanne lorsque ladite température est inférieure à une température seuil supérieure à la température critique du gaz.

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention se situe dans domaine des moteurs à propulsion électrique. Elle s'applique de façon privilégiée mais non limitative à un moteur à propulsion ionique ou plasmique du type de ceux utilisés pour la IO propulsion électrique spatiale, en particulier pour la propulsion des satellites géostationnaires de télécommunication. La figure 1 illustre de façon générale un propulseur plasmique à effet Hall 10 de l'état de la technique. Un bobinage magnétique central 12 entoure un noyau central 14 s'étendant selon un axe principal longitudinal 15 A. Une paroi interne annulaire 16 encercle le bobinage central 12. Cette paroi interne 16 est entourée par une paroi annulaire externe 18, les parois annulaires 16 et 18 délimitant un canal de décharge annulaire 20 s'étendant autour de l'axe principal A. Dans l'exemple décrit ici, la paroi interne 16 et la paroi externe 18 font partie d'une unique pièce en 20 céramique 19. Dans la suite de la description, le terme "interne" désigne une partie proche de l'axe principal A et le terme "externe" une partie éloignée de cet axe. Egalement, les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au 25 sens déroulement normal du gaz (de l'amont vers raval) à travers le canal décharge 20. L'extrémité amont 20a du canal de décharge 20 (à gauche sur la Hu 2 1) est refermée il un système d'injection 22 composé d'une canalisation 24 d'amenée du gaz ionisable (en général du xénon), la 3o lna' sa ion 2-1 étant -rée par un trou d'alimentation 25 à une anode 26 r vent de istributeu pour l'Ine-cuoil des molécules de gaz dans le canal de décharge 20. L'ruemItc 20h du canal de décharge 20 est ouverte (à droite r I` 'gUre 35 Plusieurs bobinages magnétiques périphériques 30 présentant un axe parellele a faxe principal A sont disposés tout autour la paroi externe 18. Le bobinage magnétique central 12 et les bobinages magnétiques externes permettent de générer un champ magnétique radial B cont l'intensité est maximale au niveau de l'extrémité aval 20b du canal de décharge 2 Une cathode creuse 40 est disposée à l'extérieur des bobinages périphériques 30, sa sortie étant orientée afin d'éjecter des électrons en direction de l'axe principal A et de la zone située en aval de l'extrémité aval 20b du canal de décharge 20. II est établi une différence de potentiel entre la cathode 40 et l'anode 26.

Les électrons ainsi éjectés sont en partie dirigés à l'intérieur du canal de décharge 20. Certains de ces électrons parviennent, sous l'influence du champ électrique généré entre la cathode 40 et l'anode 26 jusqu'à l'anode 26 tandis que la majorité d'entre eux sont piégés par le champ magnétique B intense au voisinage de l'extrémité aval 20b du canal de décharge 20. Les molécules de gaz circulant de l'amont vers l'aval dans le canal de décharge 20 sont ionisées par les électrons avec lesquels elles entrent en collision. Par ailleurs, les électrons présents dans le canal de décharge 20 créent un champ électrique E axial qui accélère les ions entre l'anode 26 et la sortie aval 20b du canal de décharge 20 de telle sorte que ces ions sont éjectés à grande vitesse du canal de décharge 20, ce qui engendre la propulsion du moteur. L'invention vise plus particulièrement le système d'alimentation du 25 propulseur électrique. De façon préliminaire, il faut noter que les propulseurs actuels ont besoin d'un faible débit de gaz régulé pour obtenir une poussée constante. Ce débit est créé à partir d'un réservoir et d'un régulateur de pression qui amène le pression dans un domaine constant, le débit étant ensuite régulé 30 pour fournir la quantité de gaz nécessaire au moteur et à la cathode creuse. Cette régulation est usuellement faite par un thermocapillaire alimenté en courant et par un restricteur de débit permettant une répartition entre l'anode et la cathode. Le figure 2 illustre un système d'alimentation 50 du propulseur 35 électrique 0 conforme à l'état de la technique.

Ce système d'alimentation 50 comporte un réservoir haute pression 1 de gaz Ionlsable, par exemple de xénon ou de krypton, relié, par une canalisation 51, sur laquelle est placée une première vanne à actionneur électromagnétique 5, à un réservoir tampon basse pression 2. Le volume du réservoir tampon basse pression 2 est de 1 litre environ. La pression dans le réservoir haute pression 1 varie de 150 bars à 1 bar environ ; celle dans [e réservoir tampon basse pression 2 varie entre 1 et 3 bars environ. 10 Des moyens de détente 7 (par exemple un restricteur 7) sont placés sur la canalisation 51 pour détendre la pression entre le réservoir haute pression 1 et le réservoir tampon basse pression 2. La canalisation 51 comporte également une deuxième vanne à actionneur électromagnétique 6 pour réguler le débit de gaz entre le 15 réservoir haute pression 1 et le réservoir tampon basse pression 2. Le système d'alimentation 50 comporte des moyens 53 pour contrôler l'ouverture et la fermeture de la vanne 6 et mesurer la pression dans le réservoir tampon basse pression 2 en coopération avec un capteur de pression 54. 20 Le système d'alimentation 50 comporte, en aval du réservoir tampon basse pression 2, deux vannes d'arrêt V3, V4 une vanne d'arrêt redondante VI et un thermocapillaire 52 permettant un réglage fin du débit de gaz vers l'anode 26 et la cathode 40 respectivement. Des restricteurs 3 et 4 respectivement associés à l'anode 26 et à la 25 cathode 40 permettent de répartir le débit de gaz entre la cathode et l'anode, à savoir environ 1 à 10% vers la cathode et 90 à 99% vers l'anode. Le système d'alimentation 50 comporte aussi une électronique de puissance 81 apte à mettre le moteur sous tension et une électronique 30 d'allumage 82 apte à établir un courant de décharge entre l'anode 26 et la cathode 40. Un logiciel de pilotage permet le séquençage de l'allumage du moteur et le contrôle des vannes pour fournir le gaz et l'électricité au propulseur selon un enchaînement détermine. Sur la figure 2 on a référencé DA la décharge d'allumage, 35 nécessaire au démarrage uniquement, et DM la décharge moteur établie entre l'anode 26 et la cathode 4 On notera que dans le cas d'un moteur plasma à effet Hall, l'électronique 81, 82 précitée est souvent éloignée du propulseur, une unité de filtrage étant utilisée entre le moteur et l'électronique de puissance pour éviter les perturbations électromagnétiques. façon usuelle, le sous-système constitué par la vanne 6, les moyens de détente 7, le réservoir tampon basse pression 2, les moyens 53 pour contrôler l'ouverture et la fermeture de la vanne 6 et le capteur de pression 54 constituent une unité de régulation de pression PRG. De même, la vanne d'arrêt V1, le thermocapillaire 52 les restricteurs 1 3, 4, et les vannes V3, V4, constituent une unité RDX de régulation du débit en gaz ionisable. Le propulseur et le système d'allumage tels que décrits ci-dessus présentent certains inconvénients. On rappelle tout d'abord que la température critique du xénon est 15 environ 16,5°C et la pression critique du xénon 58.4 bar environ. Par conséquent, lorsque le xénon se trouve à une pression légèrement inférieure à cette pression critique et à une température inférieure à cette température critique, une phase liquide et une phase gazeuse peuvent coexister. Dans les conditions initiales, le gaz ionisable se trouve, dans le réservoir haute pression 1, dans un état supercritique (environ 120 bars à 20°C) mais au fur et à mesure de la consommation du gaz, la pression diminue, au risque de descendre en dessous du point critique, ce qui génère un état diphasique dans le réservoir. Dans cet état diphasique, la masse transférée dans le réservoir basse pression 2 est difficilement maîtrisable. Pour éviter cet inconvénient, il est connu d'utiliser des moyens de chauffage pour chauffer le gaz ionisable pendant toute la phase de dépressurisation, en amont du réservoir basse pression 2, à savoir au niveau des moyens de détente 7, pour maintenir une température supérieure à celle du point critique (16,5°C pour le xénon). Les inconvénients de cette solution sont notamment de nécessiter les moyens de chauffage précités, une alimentation spécifique pour ces moyens de chauffage et donc une consommation d'énergie supplémentaire.

Objet et résumé de l'invention

L'invention concerne une unité de régulation qui ne présente pas 5 ces inconvénients. Plus précisément, l'invention concerne une unité de régulation pour s sterne d'alimentation dans un propulseur électrique, cette unité de régulation comportant : - un réservoir haute pression de gaz ionisable ; 10 une ou plusieurs vannes à actionneur électromagnétique ; et - des moyens de détente du gaz ionisable, agencés entre ledit réservoir haute pression et un réservoir basse pression. Cette unité de régulation comporte : - des moyens de mesure de la température au niveau des moyens de 15 détente et - des moyens de contrôle aptes à contrôler la ou les vannes précitées pour augmenter l'énergie dissipée par ces vannes lorsque cette température est inférieure à une température seuil supérieure à la température critique du gaz ionisable. 20 L'invention concerne aussi un propulseur électrique comportant une unité de régulation telle que mentionnée ci-dessus et un satellite comportant un tel propulseur électrique. Dans un mode préféré de réalisation, l'unité de régulation selon l'invention comporte une enceinte isolante enfermant la ou les vannes 25 précitées ainsi que les moyens de détente. Coro!lairement, l'invention concerne également un procédé de contrôle d'une vanne à actionneur électromagnétique agencée à proximité de moyens de détente entre un réservoir haute pression d'un gaz ionisable et un réservoir basse pression dans un système d'alimentation dans un 30 propulseur électrique Ce procédé comporte : - une étape la mesure de la température au niveau des moyens de détente ; et - lorsque cette température est inférieure à une température seuil 35 supérieure à la température critique du gaz ionisable, une étape pour contrôler la vanne façon à augmenter l'énergie dissipée par cette5 vanne. Préférentiellement, la vanne et les moyens de détente sont agencés dans une enceinte isolante thermiquement, dans laquelle la température précitée est mesurée. Brève description des dessins

D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lumière de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui en 10 illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et dans lesquels : - la figure 1. déjà décrite représente un propulseur plasmique de l'état de la technique; la figure 2 déjà décrite représente un système d'alimentation du 15 propulseur plasmique de la figure 1; la figure 3 représente un propulseur électrique conforme à un mode particulier de réalisation de l'invention; la figure 4 représente, sous forme d'organigramme, les principales étapes d'un procédé de contrôle d'une vanne 20 conforme à l'invention; la figure 5 représente un propulseur électrique conforme à un deuxième mode particulier de réalisation de l'invention ; et la figure 6 représente sous forme d'organigramme les principales étapes d'un procédé d'arrêt d'un moteur électrique 25 conforme à un mode particulier de réalisation de l'invention.

Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention

30 La figure 3 représente un système d'alimentation 100 conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. Ce propulseur électrique 100 comporte une unité de régulation de pression PK; conforme à un mode particulier de réalisation de l'invention. Cette unité de régulation comporte, comme de façon connue, une 35 vanne à actionneur électromagnétique 5, pour réguler le débit de gaz entre le réservoir haute pression 1 et le réservoir basse pression 2.5 De façon connue, la vanne 5 doit être alimentée en permanence pour être maintenue ouverte. A cet effet, dans l'exemple de réalisation décrit ici, la vanne 5 est associée à une bobine 105 apte à créer un champ magnétique apte à ouvrir la vanne et à la maintenir ouverte.

Dans l'exemple de réalisation décrit ici, cette bobine 105 présente une résistance R égale à 60 Ohm. L'ouverture de la vanne s'effectue en appliquant aux bornes de cette résistance R, une tension d'alimentation U de 28V pendant une seconde. De façon connue, l'énergie E de dissipation de la bobine 105 10 s'obtient par l'expression E = U2/R. Elle est donc sensiblement égale à 13W pendant 1s. La tension nécessaire pour maintenir la vanne ouverte est de l'ordre de 5V mais dans un mode de réalisation préféré, par mesure de sécurité, on ne descend jamais en dessous de 10 V. Dans ces conditions, l'énergie 15 dissipée par la bobine est de l'ordre de 1.5W. L'unité de régulation de pression PRG selon l'invention est remarquable en ce qu'on utilise l'énergie dissipée par la bobine associée à la vanne pour chauffer les moyens de détente 7 à une température supérieure à la température critique du gaz. 20 Par conséquent, dans cette unité de régulation, la bobine 105 de la vanne 5 est placée à proximité des moyens de détente 7. L'unité de régulation PRG est remarquable en ce qu'elle comporte une enceinte 102 pour isoler thermiquement l'ensemble constitué par la vanne 5, les moyens de détente 7 et le réservoir tampon basse pression 2 25 et un thermomètre 103 pour mesurer la température à l'intérieur de cette enceinte, au niveau des moyens de détente 7. La figure 4 illustre un procédé de contrôle conforme à un mode particulier de réalisation de l'invention. Au cours d'une étape El, on applique une tension de 28V pendant 30 une seconde aux bornes de la bobine 105 pour ouvrir la vanne 5. On attend ensuite une seconde (étape E2) puis on diminue la tension en 10V (étape E3) , cette tension étant suffisante pour maintenir la vanne 5 ouverte. On mesure ensuite en permanence la température T à proximité moyens de détente 7 (étape E4). Dès que la température T est inférieure à une température seuil supérieure à la température critique du gaz ionisable, par exemple 20°C, on applique à nouveau une tension de 28V (étape E5) ce qui a pour effet de réchauffer les moyens de détente 7. Ce procédé est mis en oeuvre par le contrôleur 53. En variante, il serait possible d'effectuer des cycles 28V-10V selon 5 une chronologie prédéterminée, le cycle de 10V étant suffisamment court pour que la température dans l'enceinte 102 ne soit jamais inférieure à la température seuil. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, une deuxième vanne 6 est également placée dans l'enceinte isolée 102. I o Dans le mode préféré de réalisation décrit ici, l'invention est mise en oeuvre avant d'ouvrir la vanne 6 afin d'être certain que le gaz ionisable reste dans un état gazeux, et ne passe jamais en diphasique. La figure 5 représente un système d'alimentation 200 conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention. 15 Il se distingue notamment du système d'alimentation 50 de la figure 3 en ce que le réservoir tampon basse pression 2 est en permanence en liaison ouverte avec l'anode 26 et avec la cathode 40, les vannes V1, V3 et V4 ayant été supprimées. Le système d'alimentation 100 comporte en outre des moyens 8 de 20 mesure de l'intensité de décharge, placés en série sur le circuit constitué par l'électronique de puissance 81, l'anode 26 et la cathode 40. Dans l'état initial du système, la vanne 6 est fermée ; le réservoir tampon basse pression 2, les restricteurs 7, 3 et 4 sont soumis à une très basse pression résiduelle. 25 Préférentiellement on minimise le volume net entre la vanne 6 et le restricteur 7 pour garder une bonne précision au niveau de la pression dans le réservoir tampon 2. Grâce à cette caractéristique il n'est pas nécessaire d'utiliser un thermo-capillaire 52 en aval du réservoir tampon basse pression 2. 30 Pour démarrer le moteur, on ouvre la vanne 6, le gaz ionisable étant acheminé du réservoir tampon basse pression 2 vers l'anode 26 et la cathode 40. Le moteur est mis sous tension par l'électronique de puissance 81, l'électronique d'allumage 82 produit une décharge d'allumage DA ce qui 35 entraine comme de façon connue une décharge moteur DM entre l'anode 26 et la cathode 40.

Dans l'exemple de réalisation décrit ici, {'intensité nominale du courant de décharge entre l'anode 26 et la cathode 40 est de 1A. La pression est mesurée en permanence dans le réservoir tampon basse pression 2 par le capteur de pression 54 et maintenue sensiblement constante (avec une tolérance de 5% dans cet exemple) et égale à une pression de consigne par le contrôle de l'ouverture de la vanne 6. Le débit de gaz ionisable alimentant le moteur peut être ajusté en faisant varier cette pression de consigne. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, la pression de consigne peut varier entre 1 et 2 bars.

Comme représenté à la figure 6, pour arrêter le moteur, on commence par fermer la vanne 6 sans interrompre dans un premier temps l'électronique de puissance 81. Le réservoir tampon basse pression 2 se vide alors progressivement entraînant une diminution de l'intensité du courant de décharge.

Lorsque l'intensité du courant de décharge entre l'anode 26 et la cathode 40 devient inférieure à une valeur seuil, en l'espèce 1mA, l'électronique de puissance 81 coupe la tension de décharge entre l'anode 26 et la cathode 40. Ceci entraîne une diminution progressive de la poussée du 20 propulseur au fur et à mesure du vidage du réservoir tampon basse pression 2, selon l'expression de fonctionnement « Blow clown ». Fort avantageusement, le volume du réservoir tampon basse pression 2 est dans cet exemple de 20 ce environ, de sorte que ce réservoir peut être intégré de façon compacte dans un satellite conforme à 25 l'invention, les unités PRG de régulation de pression et RDX de régulation de débit pouvant être intégrées.

Claims

REVENDICATIONS1. Unité de régulation (PRG) pour système d'alimentation (100, 200) 5 dans un propulseur électrique (100, 200), comportant : - un réservoir (1) haute pression de gaz ionisable ; - au moins une vanne à actionneur électromagnétique (5, 6) et des moyens de détente (7) dudit gaz, agencés entre ledit réservoir haute pression (1) et un réservoir basse pression (2) ; 10 ladite unité de régulation étant caractérisée en ce qu'elle comporte : - des moyens de mesure de la température au niveau des moyens de détente (7) ; et - des moyens de contrôle (53) aptes à contrôler ladite vanne (5, 6) pour augmenter l'énergie dissipée par ladite vanne lorsque ladite température 15 est inférieure à une température seuil supérieure à la température critique dudit gaz.
2. Unité de régulation (PRG) selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte une enceinte isolante (102) enfermant ladite au moins 20 une vanne (5, 6) et lesdits moyens de détente (7).
3. Propulseur électrique (100, 200) comportant une unité de régulation selon la revendication 1 ou 2. 25
4. Satellite comportant un propulseur électrique selon la revendication 3.
5. Procédé de contrôle d'une vanne à actionneur électromagnétique (5,
6) agencée, à proximité de moyens de détente (7), entre un réservoir 30 haute pression d'un gaz ionisable et un réservoir basse pression (2) dans un système d'alimentation d'un propulseur électrique (100, 200) comportant : - une étape (E4) de la mesure de la température au niveau des moyens de détente (7) ; et 35 - lorsque ladite température est inférieure à une température seuil supérieure à la température critique dudit gaz, une étape (E5) pourcontrôler ladite vanne de façon à augmenter l'énergie dissipée par ladite vanne. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel ladite vanne et lesdits 5 moyens de détente (7) sont agencés dans une enceinte (102) isolante thermiquement, dans laquelle ladite température est mesurée.