WO2017046115A1 - Procédé d'alimentation pour la propulsion de satellite et module de propulsion de satellite alimenté selon ce procédé - Google Patents

Procédé d'alimentation pour la propulsion de satellite et module de propulsion de satellite alimenté selon ce procédé Download PDF

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WO2017046115A1
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cathode
plasma
frame
anodes
propulsion
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Inventor
Luc HERRERO
Original Assignee
Comat Aerospace Sa
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Publication date
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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
    • 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
    • F03H1/0087—Electro-dynamic thrusters, e.g. pulsed plasma thrusters

Definitions

  • the invention relates to a supply method for space arc vacuum propulsion, called VAT - acronym for "Vacuum Arc Thruster” in English terminology - and to a space vehicle propulsion module ( still called “satellite” in the present text) intended to implement such a method.
  • VAT - acronym for "Vacuum Arc Thruster” in English terminology
  • space vehicle propulsion module still called “satellite” in the present text
  • the invention relates to the field of satellite propulsion with a storage of the propellant in solid form.
  • plasma propulsion modules operate using a gas (usually xenon) stored in tanks, the engines having the role of ionizing and accelerating this gas to create the thrust needed to put the satellite in motion.
  • the gas storage propulsion module has been replaced by a solid storage propulsion module.
  • the solid storage propulsion systems can be classified according to several types: the pulsed plasma propulsion systems or PPT, acronym for “Pulsed Plasma Thruster”, the vacuum arc systems known as VAT, acronym for “Vacuum Arc Thruster”, and PLT laser ablation systems, the acronym for “Photonic Laser Thruster”, which uses a solid material (PTFE or metal) as a propellant. Ablation of this material is achieved by the impact of a high power density laser on the surface of the propellant solid.
  • a PPT propulsion system consists of conductive electrodes - anode and a cathode - separated by an insulator serving as a propellant material, usually PTFE (acronym for "poly-tetrafluoroethylene").
  • the electrodes are connected via a high voltage circuit. When the voltage at the terminals of a capacitor of this circuit is sufficient to form an intense current on the surface of the insulator, the latter vaporizes. This vaporization resulting in an increase in the number of neutral particles available in the vacuum, the electronic avalanche can then occur between the electrodes.
  • the high temperature of the plasma thus causes the Laplace force to cause the acceleration of the plasma in the direction of thrust.
  • the ionized plasma thus formed is engaged at high speed through a channelized outlet to produce a pulsed propulsive reaction force.
  • This type of PPT propulsion has the advantage of being able to consume large amounts of PTFE, namely several kilograms, which ensures a long thrust period for the propulsion module.
  • this technology offers a low propulsive efficiency, of the order of a few percent, and a specific impulse level (less than 800s) much lower than that obtained by the propulsion technology VAT, which provides a much higher level of impulse. high (greater than 1400s).
  • the VAT type propulsion uses the material of the cathode and not the insulator as a propellant.
  • electrical energy is stored in a high voltage circuit and released during the implementation of an arc initiation system.
  • This arc initiation system is based on the creation of an initial plasma between the electrodes. This plasma generates an electronic discharge between the cathode and the anode.
  • the electronic current takes place between the anode and the cathode and warms it locally by Joule effect to create a cathode spot.
  • This cathode spot generates a temperature sufficient to emit by evaporation neutral metal particles which are then ionized and accelerated near the cathode surface by substantially faster electrons.
  • each plasma pulse corresponds to a push pulse.
  • the repetition frequency of the pulses as well as their durations and intensities are determined by a power electronics.
  • the amount of material ejected at each pulse is substantially the same.
  • propulsion VAT examples include US Pat. No. 7,053,333. These systems generally comprise a hollow tube-shaped cathode and a coaxial central (or the opposite) cylindrical anode, separated by an electrical insulator. in aluminum silicate over substantially their entire length. The insulation is covered with a metal film to promote the formation of micro-plasmas that extend along the propulsion initiator plasma. The superheated and consumed metal film is replaced by redeposition of the cathode material through the plasma arc. A magnetic core coupled to a coil creates a magnetic field to orient the particles in the same direction to provide effective propulsion.
  • a spring - arranged in the propulsion module against the rear end face of the cathode - exerts pressure on the cathode to bring its other end facing a anode end that is not separated by insulation.
  • This spring advance mechanism allows to consume only a few grams of cathode, which greatly limits the duration of thrust and is still insufficient to perform missions typically dedicated to space vehicles.
  • the invention aims to achieve a consumption of several kilograms of cathode, or tens of kilograms or more, in the context of a propulsion type VAT, without degrading the performance of this type of propulsion.
  • the invention provides for driving the cathode in an optimized helical movement so as to allow the consumption of substantially all the usable cathode material.
  • the subject of the present invention is a supply method for vacuum electric arc propulsion of the VAT type, consisting in guiding an annular cathode along a helical path around a central axis, to arrange - in the immediate proximity and radially with respect to the cathode - several regularly distributed anodes in a plane perpendicular to the central axis, to adjust the pitch of the helical trajectory of the cathode, as well as the advance of the cathode on its trajectory helical and the intensity of the electronic discharge impact cycles between the cathode and the anodes, so that the helices formed by the electronic discharges between the cathode and each of the anodes are juxtaposed, and to straighten the plasma jet formed by the electronic discharges along the central axis to form a plasma that generates a propulsive reaction force parallel to this axis (X'X).
  • the consumption of cathode material is optimized by an abrasion of substantially the entire surface of the cathode can be used.
  • the increase in the number of anodes makes it possible to better parallelize the arcs and thus to increase the intensity of the thrust.
  • This method allows an excellent vectorization of the thrust thanks to the possibility of choosing the location of the site of creation of the arc by powering up the anode corresponding to this site.
  • the thrust can be pulsed with a variable frequency.
  • a pre-plasma is generated in the immediate vicinity of the cathode in order to trigger a main electronic avalanche amplified by the electronic discharges;
  • the pitch of the helical trajectory of the cathode is determined as a function of the size of crucibles successively formed by each cycle of impacts of arcs coming from the nearest anode, the succession of adjacent crucibles combined with the helical movement of the cathode then forming for each anode a helical groove and the formed helices being contiguous;
  • the invention also relates to a satellite propulsion module for implementing the method defined above.
  • a satellite propulsion module for implementing the method defined above.
  • Such a module comprises a generally annular frame having a central axis and wherein is arranged an annular metal cathode guided by threading / tapping in helical connection with this frame, and a central hollow shaft and coaxial with the frame.
  • On a transverse wall of this central shaft is fixed a circular support consisting of an insulating material and equipped with metal anodes regularly distributed in circumference.
  • energy storage capacitors connect each anode to the cathode to provide, after the formation of a pre-plasma, the energy to generate electronic discharge cycles.
  • a rotational drive mechanism is connected to the cathode to impart to it a movement of step-by-step movement in connection with the helical guide formed between the frame and the cathode.
  • This module has in particular robustness and simplification qualities of the cathode lift mechanism and the integration of its constituent elements in the same frame.
  • the central shaft integrates a discharge initiation system, composed in particular of optical fibers respectively coupled to optical terminals positioned in close proximity to the anodes and capable of transmitting ionizing electromagnetic radiation originating in the direction of the cathode from minus a source of electromagnetic radiation favoring the initialization of the plasma jet formation from an arc generation;
  • the source of ionizing electromagnetic radiation is constituted by a laser
  • an electromagnetic coil is also integrated in the frame to create an induced magnetic field in order to axially rectify the plasma formed by the successive electronic discharges;
  • the rotation drive mechanism is constituted by a support ring of the cathode in connection with an electric motor step by step via a worm.
  • FIG. 1 an overall perspective view of an exemplary satellite propulsion module according to the invention
  • FIGS. 2a and 2b a perspective view intersected by a longitudinal plane and a front sectional view of the exemplary module according to FIG. 1, and
  • a circular support 10 - in the form of disk - is equipped with eight anodes 1, fixed by screws 1 1 on its circumference.
  • the anodes 1 are distributed regularly in a radial symmetry.
  • An annular cathode 2 surrounds the circular support 10 at a small distance from the anodes 1, approximately 10 mm in the example illustrated, so that a circular end edge 2b of the cathode 2 is substantially in close proximity to the anodes 1.
  • the cathode 2 extends along a longitudinal axis coinciding with the central axis X'X of the support 10 which extends transversely with respect to the cathode 2, perpendicularly to the central axis X'X.
  • the cathode 2 is coupled to a frame 20 which encompasses it longitudinally.
  • the circular support 10 has radial stiffening ribs 12, terminated by connecting rivets 13, via spacing pins 14, to a plate 30 also circular and disposed inside the frame 20.
  • An electromagnetic coil 3 of cylindrical shape is integrated on the outer cylindrical face 20e of the frame 20, parallel to the cathode 2, so that the end edge 3b of the electromagnetic coil 3 is at the level of the anodes 1.
  • FIG. 1 The views of the module 100 of Figures 2a and 2b, respectively in perspective cut along a longitudinal plane passing through the axis X'X ( Figure 2a) and in frontal section ( Figure 2b), show more precisely the interior of the frame 20.
  • This frame 20 has a longitudinal hollow central shaft 2A X'X axis which extends at its ends to form transverse walls 21A and 21 B.
  • the transverse wall 21A serves as a base for the circular support 10 and the other transverse wall 21 B forms an end wall of the frame 20.
  • Figures 2a and 2b also shows the circular plate 30 on which are fixed capacitors 4 for storing energy between the anodes 1 and the cathode 2, and optical terminals 5 in the immediate vicinity of each anode 2.
  • the potential difference between each anode 1 and the cathode 2 (connected to the ground) is 500V. In the vacuum, no discharge occurs with a voltage of this order.
  • the optical terminations 5 are coupled to optical fiber ends 6 integrated in the longitudinal central shaft 2A of the frame 20.
  • the other ends of the optical fibers are coupled to lasers (not shown) intended to emit high radiation.
  • power density for example 10 8 W / m 2 .
  • a helical guide system of the annular cathode 2 is made from a 2L thread type connection / tapping between the inner cylindrical face 20i of the frame 20 and the outer cylindrical face 2e of the cathode 2.
  • This helical guidance is set in motion by a mechanism comprising a ring gear 7 arranged under the cathode 2 and driven in rotation by a worm 8 mounted on the axis of an electric motor 9.
  • the annular cathode 2 thus describes a helical path around the central axis X'X according to the pitch of the helical link 2L.
  • the cathode 2 is driven step by step by the helical guidance system with a frequency to pull a few million arcs between two advances corresponding to a 1 ⁇ 4 of degree in rotation.
  • the electric drive motor 9 ( Figures 2a and 2b) rotates the cathode intermittently all these few million cycles.
  • An arc trigger is generated in the immediate vicinity of each anode 1 by the cone of laser radiation 1 p focused by each optical termination 5 on the cathode 2.
  • An initial plasma 2p is formed by a local heating and amplified during successive electronic discharges between the cathode 2 and each of the anodes 1.
  • the shots in this same zone form a crater of diameter equal to 1 d and which will form a helix 1 H as the helical advance of the cathode 2.
  • Each cycle of impacts of arcs corresponds to a few hundred thousand arches.
  • the cathode 2 is set in motion on the helical guide path 2T. This movement is only a few degrees and allows each anode to begin the formation of a new crucible adjacent to the preceding one.
  • the crucibles formed by the cycles of impacts of successive arcs from two adjacent anodes 1 then describe parallel helices 1 H.
  • the value of the pitch " ⁇ " of the guide path 2T of the cathode 2 is predetermined so that the adjacent helices 1 H of width 1 d are juxtaposed because of the arc firing frequency used.
  • all consumable cathodic material is used, which can represent several tens to several hundred kilograms depending on the thickness and height of the cathode.
  • the initial plasma jet or pre-plasma 2p formed in the transverse plane of the support 10 by tearing of the cathode material 2 ( Figures 2a and 2b) and amplified by the successive electronic discharges, is straightened and accelerated along the central axis X'X to form a plasma 3p that generates a propulsive reaction force.
  • the recovery and acceleration are produced axially by the application of a magnetic field "B" induced by the electromagnetic coil 3.
  • the invention is not limited to the embodiments described and shown.
  • the arcing between the cathode and each anode can be caused by the establishment of a high voltage between these electrodes, for example greater than 1000V, or by spark plugs adapted.
  • the cathode can be rotated by indexing spring blades or by any type of rotary actuator that can be indexed (paddle, rack, etc.).
  • the number of anodes is advantageously adapted to the dimensions of the propulsion module and can reach for example 12 or 16 or more.

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Abstract

L'invention vise à réaliser une consommation de plusieurs kilogrammes de cathode, voire plus, dans le cadre d'une propulsion de type à arc sous vide (VAT). Pour ce faire, l'invention prévoit d'entraîner la cathode dans un mouvement hélicoïdal optimisé de sorte à permettre la consommation de sensiblement toute la matière cathodique utilisable. Selon un mode de réalisation, le module de propulsion comporte un bâti annulaire (20) d'axe central (X'X) dans lequel est agencé une cathode annulaire (2) guidée par filetage/taraudage hélicoïdal (2L) avec ce bâti (20). Un arbre central (2A) présente une paroi (21A) sur laquelle est fixé un support isolant (10), équipé d'anodes (1) régulièrement réparties en circonférence, et des terminaisons optiques (5) à proximité des anodes (1) pour émettre un rayonnement ionisant (1p). Des condensateurs de stockage d'énergie (4) relient chaque anode (1) à la cathode (2) afin de fournir les décharges après la formation d'un plasma initial (2p) et une bobine annulaire (3) intégrée sur la face extérieur (20e) du bâti (20) pour redresser axialement le plasma (3p). Un mécanisme d'entraînement en rotation (7 à 9) est relié à la cathode (2) pour lui imprimer un mouvement en liaison avec le guidage hélicoïdal.

Description

PROCÉDÉ D'ALIMENTATION POUR LA PROPULSION DE SATELLITE ET MODULE DE PROPULSION DE SATELLITE ALIMENTÉ SELON CE PROCÉDÉ
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] L'invention se rapporte à un procédé d'alimentation pour la propulsion spatiale à arc sous vide, appelée VAT - acronyme de « Vacuum Arc Thruster » en terminologie anglaise -, ainsi qu'à un module de propulsion de véhicule spatial (encore appelé « satellite » dans le présent texte) destiné à mettre en œuvre un tel procédé.
[0002] L'invention se rapporte au domaine de la propulsion de satellite avec un stockage de la matière propulsive sous forme solide. Classiquement, les modules de propulsion plasmique fonctionnent en utilisant un gaz (en général le xénon) stocké dans des réservoirs, les moteurs ayant pour rôle d'ioniser et d'accélérer ce gaz afin de créer la poussée nécessaire pour mettre le satellite en mouvement.
[0003] Pour réduire significativement la complexité de l'architecture du module de propulsion, le module de propulsion à stockage gazeux a été remplacé par un module de propulsion à stockage solide. Les systèmes de propulsion à stockage solide peuvent être classés selon plusieurs types: les systèmes de propulsion à plasma puisé ou PPT, acronyme de « Pulsed Plasma Thruster », les systèmes à arc sous vide dits VAT, acronyme de « Vacuum Arc Thruster », et les systèmes à ablation laser PLT, acronyme de « Photonic Laser Thruster » (les acronymes se rapportant à des expressions en langue anglaise) qui utilise un matériau solide (PTFE ou métal) comme propulseur. L'ablation de ce matériau est réalisée par l'impact d'un laser à haute densité de puissance sur la surface du solide propulseur.
[0004] Les systèmes les plus développés sont les systèmes PPT et VAT.
[0005] Un système de propulsion PPT se compose d'électrodes conductrices - une anode et une cathode - séparées par un isolant servant de matière propulsive, en général en PTFE (acronyme de « poly-tétra-fluoro- éthylène »). Les électrodes sont connectées via un circuit haute tension. Lorsque la tension aux bornes d'un condensateur de ce circuit est suffisante pour former un courant intense à la surface de l'isolant, celui-ci se vaporise. Cette vaporisation entraînant une augmentation du nombre de particules neutres disponibles dans le vide, l'avalanche électronique peut alors se produire entre les électrodes. La température élevée du plasma provoque ainsi que la force de Laplace entraine l'accélération du plasma dans la direction de poussée. Le plasma ionisé ainsi formé est engagé à haute vitesse à travers une sortie canalisée pour produire une force de réaction propulsive par impulsion.
[0006] Ce type de propulsion PPT présente l'avantage de pouvoir consommer de grandes quantités de PTFE, à savoir plusieurs kilogrammes, ce qui assure une durée de poussée importante pour le module de propulsion. Cependant cette technologie offre un rendement propulsif faible, de l'ordre de quelques pourcents, et un niveau d'impulsion spécifique (moins de 800s) bien inférieur à celui obtenu par la technologie de propulsion VAT, qui fournit un niveau d'impulsion bien plus élevé (supérieur à 1400s).
[0007] La propulsion de type VAT utilise le matériau de la cathode et non l'isolant comme matière propulsive. Dans cette solution, de l'énergie électrique est stockée dans un circuit haute tension et libérée lors de la mise en œuvre d'un système d'initiation d'arc. Ce système d'initiation d'arc repose sur la création d'un plasma initial entre les électrodes. Ce plasma engendre une décharge électronique entre la cathode et l'anode.
[0008] Le courant électronique prend place entre l'anode et la cathode et échauffe celle-ci localement par effet Joule jusqu'à créer un spot cathodique. Ce spot cathodique engendre une température suffisante pour émettre par évaporation des particules neutres métalliques qui sont ensuite ionisés et accélérés à proximité de la surface cathodique par des électrons sensiblement plus rapides.
[0009] Le plasma ainsi formé est ensuite accéléré par la friction électrons-ions et par les gradients de pression formés par le plasma en expansion. La propulsion s'opère lors de la décharge des condensateurs et chaque impulsion de plasma correspond à une impulsion de poussée. La fréquence de répétition des impulsions ainsi que leurs durées et intensités sont déterminées par une électronique de puissance. La quantité de matière éjectée à chaque impulsion est sensiblement la même. ÉTAT DE LA TECHNIQUE
[0010] Des exemples de propulsion VAT sont décrits dans le document de brevet US 7 053 333. Ces systèmes comportent en général une cathode en forme de tube creux et une anode cylindrique centrale (ou l'inverse) coaxiales, séparées par un isolant électrique en silicate d'aluminium sur sensiblement toute leur longueur. L'isolant est recouvert d'un film métallique pour favoriser la formation de micro-plasmas qui s'étendent selon le plasma initiateur de propulsion. Le film métallique surchauffé et consommé est remplacé par redéposition du matériau cathodique à travers l'arc de plasma. Un noyau magnétique couplé à une bobine crée un champ magnétique pour orienter les particules dans une même direction afin d'assurer une propulsion efficace.
[0011]Au fur et à mesure de l'érosion de matière cathodique, un ressort - aménagé dans le module de propulsion contre la face d'extrémité arrière de la cathode - exerce une pression sur la cathode pour amener son autre extrémité face à une extrémité d'anode qui n'est pas séparée par de l'isolant.
[0012]Ce mécanisme d'avancée à ressort ne permet de consommer que quelques grammes de cathode, ce qui limite fortement la durée de poussée et reste insuffisant pour réaliser les missions classiquement dédiées aux véhicules spatiaux.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
[0013] L'invention vise à réaliser une consommation de plusieurs kilogrammes de cathode, voire des dizaines de kilogrammes ou plus, dans le cadre d'une propulsion de type VAT, sans dégrader les performances de ce type de propulsion. Pour ce faire, l'invention prévoit d'entraîner la cathode dans un mouvement hélicoïdal optimisé de sorte à permettre la consommation de sensiblement toute la matière cathodique utilisable. [0014] A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé d'alimentation pour la propulsion de satellite à arc électrique sous vide de type VAT, consistant à guider une cathode annulaire selon une trajectoire hélicoïdale autour d'un axe central, à disposer - à proximité immédiate et radialement par rapport à la cathode - plusieurs anodes régulièrement réparties dans un plan perpendiculaire à l'axe central, à régler le pas de la trajectoire hélicoïdale de la cathode, ainsi que l'avancée de la cathode sur sa trajectoire hélicoïdale et l'intensité des cycles d'impact de décharges électroniques entre la cathode et les anodes, de sorte que les hélices formées par les décharges électroniques entre la cathode et chacune des anodes soient juxtaposées, et à redresser le jet de plasma formé par les décharges électroniques selon l'axe central afin de former un plasma qui génère une force de réaction propulsive parallèlement à cet axe (X'X).
[0015] Dans ces conditions, la consommation de matière cathodique est optimisée par une abrasion de sensiblement toute la surface de la cathode pouvant être utilisée. De plus, l'augmentation du nombre d'anodes permet de mieux paralléliser les arcs et d'augmenter ainsi l'intensité de la poussée. Ce procédé permet une excellente vectorisation de la poussée grâce à la possibilité de choisir la localisation du site de création de l'arc grâce à la mise sous tension de l'anode correspondant à ce site. De plus, la poussée peut être puisée avec une fréquence variable.
[0016]Selon des modes de mise en œuvre préférés :
- un pré-plasma est généré à proximité immédiate de la cathode afin de déclencher une avalanche électronique principale amplifiée par les décharges électroniques;
- le pas de la trajectoire hélicoïdale de la cathode est déterminé en fonction de la dimension de creusets formés successivement par chaque cycle d'impacts d'arcs provenant de l'anode la plus proche, la succession des creusets adjacents combinée au mouvement hélicoïdal de la cathode formant alors pour chaque anode un sillon en hélice et les hélices formées étant contiguës;
- le jet de plasma produit radialement dans le plan des anodes est redressé et accéléré axialement par un champ magnétique. [0017] L'invention se rapporte également à un module de propulsion de satellite, destiné à mettre en œuvre le procédé défini ci-dessus. Un tel module comporte un bâti globalement annulaire présentant un axe central et dans lequel est agencé une cathode métallique annulaire guidée par filetage/taraudage en liaison hélicoïdale avec ce bâti, ainsi qu'un arbre creux central et coaxial au bâti. Sur une paroi transversale de cet arbre central est fixé un support circulaire constitué d'un matériau isolant et équipé d'anodes métalliques régulièrement réparties en circonférence. Dans ce bâti, des condensateurs de stockage d'énergie relient chaque anode à la cathode afin de fournir, après la formation d'un pré-plasma, l'énergie pour générer des cycles de décharges électroniques. De plus, un mécanisme d'entraînement en rotation est relié à la cathode pour lui imprimer un mouvement de déplacement pas-à-pas en liaison avec le guidage hélicoïdal formé entre le bâti et la cathode.
[0018] Ce module présente en particulier des qualités de robustesse et de simplification du mécanisme de remontée de la cathode et par l'intégration de ses éléments constitutifs dans un même bâti.
[0019] Selon des modes de réalisation préférés :
- l'arbre central intègre un système d'amorçage de la décharge, composé en particulier de fibres optiques couplées respectivement à des terminaisons optiques positionnées à proximité immédiate des anodes et aptes à émettre en direction de la cathode un rayonnement électromagnétique ionisant provenant d'au moins une source de rayonnement électromagnétique favorisant l'initialisation de la formation d'un jet de plasma à partir d'une génération d'arc;
- la source de rayonnement électromagnétique ionisant est constituée par un laser;
- une bobine électromagnétique est également intégrée dans le bâti pour créer un champ magnétique induit afin de redresser axialement le plasma formé par les décharges électroniques successives;
- le mécanisme d'entraînement en rotation est constitué par une couronne de support de la cathode en liaison avec un moteur électrique pas-à-pas via une vis sans fin. PRÉSENTATION DES FIGURES
[0020] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :
- la figure 1 , une vue globale en perspective d'un exemple de module de propulsion de satellite selon l'invention;
- les figures 2a et 2b, une vue en perspective coupée par un plan longitudinal et une vue en coupe frontale de l'exemple de module selon la figure 1 , et
- la figure 3, une vue en perspective de la cathode du module précédent après une abrasion optimale de sensiblement toute sa surface initiale.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0021] Sur les figures, des signes de référence identiques renvoient aux mêmes éléments ainsi qu'aux paragraphes qui les décrivent.
[0022] En référence à la figure 1 , qui illustre une vue globale en perspective d'un module de propulsion spatiale 100 selon l'invention, un support circulaire 10 - se présentant sous forme de disque - est équipé de huit anodes 1 , fixées par des vis 1 1 sur sa circonférence. Les anodes 1 sont réparties régulièrement selon une symétrie radiale. Une cathode annulaire 2 entoure le support circulaire 10 à faible distance des anodes 1 , environ 10 mm dans l'exemple illustré, de sorte qu'un bord d'extrémité circulaire 2b de la cathode 2 se trouve sensiblement à proximité immédiate des anodes 1 . La cathode 2 s'étend selon un axe longitudinal confondu avec l'axe central X'X du support 10 qui s'étend transversalement par rapport à la cathode 2, perpendiculairement à l'axe central X'X. La cathode 2 est couplée à un bâti 20 qui l'englobe longitudinalement. Ce bâti 20, globalement annulaire et qui s'étend selon le même axe X'X, possède une collerette 21 de fixation du module 100 sur le satellite (non représenté).
[0023] Le support circulaire 10 présente des nervures radiales de rigidification 12, terminées par des rivets de liaison 13, via des pions d'espacement 14, à un plateau 30 également circulaire et disposé à l'intérieur au bâti 20. [0024] Une bobine électromagnétique 3 de forme cylindrique est intégrée sur la face cylindrique externe 20e du bâti 20, parallèlement à la cathode 2, de sorte que le bord d'extrémité 3b de la bobine électromagnétique 3 se trouve au niveau des anodes 1 .
[0025] Les vues du module 100 des figures 2a et 2b, respectivement en perspective coupée selon un plan longitudinale passant par l'axe X'X (figure 2a) et en coupe frontale (figure 2b), montrent plus précisément l'intérieur du bâti 20. Ce bâti 20 possède un arbre central creux longitudinal 2A d'axe X'X qui s'étend en ses extrémités pour former des parois transversales 21 A et 21 B. La paroi transversale 21 A sert d'embase au support circulaire 10 et l'autre paroi transversale 21 B forme une paroi d'extrémité du bâti 20.
[0026] Sur les figures 2a et 2b apparaît également le plateau circulaire 30 sur lequel sont fixés des condensateurs 4 de stockage d'énergie entre les anodes 1 et la cathode 2, et des terminaisons optiques 5 à proximité immédiate de chaque anode 2. Dans l'exemple, la différence de potentiel entre chaque anode 1 et la cathode 2 (reliée à la masse) est de 500V. Dans le vide, aucune décharge ne se produit avec une tension de cet ordre.
[0027] Les terminaisons optiques 5 sont couplées à des extrémités de fibres optiques 6 intégrées dans l'arbre central longitudinal 2A du bâti 20. Les autres extrémités des fibres optiques sont couplées à des lasers (non représentés) destinés à émettre un rayonnement de haute densité de puissance, par exemple de 108 W/m2.
[0028] Un système de guidage hélicoïdal de la cathode annulaire 2 est réalisé à partir d'une liaison 2L de type filetage / taraudage entre la face cylindrique interne 20i du bâti 20 et la face cylindrique externe 2e de la cathode 2. Ce guidage hélicoïdal est mis en mouvement par un mécanisme comportant une couronne dentée 7 agencée sous la cathode 2 et entraînée en rotation par une vis sans fin 8 montée sur l'axe d'un moteur électrique 9. La cathode annulaire 2 décrit ainsi une trajectoire hélicoïdale autour d'axe central X'X selon le pas de la liaison hélicoïdale 2L.
[0029] En fonctionnement, la cathode 2 est entraînée pas-à-pas par le système de guidage hélicoïdal avec une fréquence permettant de tirer quelques millions d'arcs entre deux avancées correspondant à un ¼ de degré en rotation. Le moteur électrique d'entraînement 9 (figures 2a et 2b) entraine en rotation la cathode par intermittence tous ces quelques millions de cycles.
[0030] Un déclenchement d'arc est généré à proximité immédiate de chaque anode 1 par le cône de rayonnement laser 1 p focalisé par chaque terminaison optique 5 sur la cathode 2. Un plasma initial 2p est formé par un échauffement local puis amplifié lors de décharges électroniques successives entre la cathode 2 et chacune des anodes 1 .
[0031] La vue en perspective de la cathode 2, après utilisation comme source d'alimentation pour la propulsion d'un satellite sur lequel a été monté le module 100, est illustrée par la figure 3. Le pas « ρτ » de la trajectoire de guidage hélicoïdal 2T de la cathode 2, ici égal à 25 mm, est choisi en fonction de la largeur du creuset 1 d formé par les cycles d'impacts d'arcs dans une même zone de la cathode 2 entre deux avancées. Les tirs dans cette même zone forment en effet un cratère de diamètre égal à 1 d et qui va former une hélice 1 H au fur et à mesure de l'avancée hélicoïdale de la cathode 2. Chaque cycle d'impacts d'arcs correspond à quelques centaines de milliers d'arcs.
[0032] Une fois le nombre d'arc suffisant atteint, la cathode 2 est mise en mouvement sur la trajectoire de guidage hélicoïdal 2T. Ce mouvement n'est que de quelques degrés et permet à chaque anode de débuter la formation d'un nouveau creuset adjacent au précèdent. Les creusets formés par les cycles d'impacts d'arcs successifs provenant de deux anodes adjacentes 1 (figures précédentes) décrivent alors des hélices parallèles 1 H.
[0033] La valeur du pas « ρτ » de la trajectoire de guidage 2T de la cathode 2 est prédéterminée pour que les hélices adjacentes 1 H de largeur 1 d soient juxtaposées du fait de la fréquence de tir d'arc utilisée. Ainsi toute la matière cathodique consommable est utilisée, ce qui peut représenter plusieurs dizaines à plusieurs centaines de kilogrammes selon l'épaisseur et la hauteur de la cathode.
[0034] Le jet de plasma initial ou pré-plasma 2p, formé dans le plan transversal du support 10 par arrachement de la matière cathodique 2 (figures 2a et 2b) et amplifié par les décharges électroniques successives, est redressé et accéléré selon l'axe central X'X afin de former un plasma 3p qui génère une force de réaction propulsive. Le redressement et l'accélération sont produits axialement par l'application d'un champ magnétique « B » induit par la bobine électromagnétique 3.
[0035] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, à la place du système à laser, le déclenchement d'arc entre la cathode et chaque anode peut être provoqué par l'établissement d'une haute tension entre ces électrodes, par exemple supérieure à 1000V, ou par des bougies d'allumage adaptées.
[0036] Par ailleurs, la cathode peut être entraînée en rotation par des lames de ressort à indexation ou par tout type d'actionneur rotatif pouvant être indexé (à palette, à crémaillère, etc.).
[0037] De plus, le nombre d'anodes, au minimum égal à deux, est avantageusement adapté aux dimensions du module de propulsion et peut atteindre par exemple 12 ou 16 ou plus.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé d'alimentation pour la propulsion de satellite à arc électrique sous vide de type VAT, caractérisé en ce qu'il consiste à guider une cathode annulaire (2) selon une trajectoire hélicoïdale (2T) autour d'un axe central (X'X), à disposer - à proximité immédiate et radialement par rapport à la cathode (2) - plusieurs anodes (1 ) régulièrement réparties dans un plan perpendiculaire à l'axe central (X'X), à régler le pas (ρτ) de la trajectoire hélicoïdale (2T) de la cathode (2), ainsi que l'avancée la cathode (2) sur sa trajectoire hélicoïdale (2T) et l'intensité des cycles d'impact de décharges électroniques entre la cathode (2) et les anodes (2), de sorte que les hélices (1 H) formées par les décharges électroniques entre la cathode (2) et chacune des anodes (1 ) soient juxtaposées, jusqu'à consommer, toute la matière cathodique disponible, et à redresser le jet de plasma (2p) formé par les décharges électroniques selon l'axe central (X'X) afin de former un plasma (3p) qui génère une force de réaction propulsive parallèlement à cet axe (X'X).
2. Procédé d'alimentation selon la revendication 1 , dans lequel un pré-plasma (2p) est généré à proximité immédiate de chaque anode (1 ) afin de déclencher une avalanche électronique principale amplifiée par les décharges électroniques;
3. Procédé d'alimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le pas (ρτ) de la trajectoire hélicoïdale (2T) de la cathode (2) est déterminée en fonction de la dimension (1 d) de creusets formés successivement par chaque cycle d'impacts d'arcs provenant de l'anode (1 ) la plus proche, la succession des creusets adjacents combinée au mouvement hélicoïdal de la cathode (2) formant alors pour chaque anode (1 ) un sillon en hélice (1 H) et les hélices (1 H) ainsi formées étant contiguës.
4. Procédé d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le jet de plasma (2p) produit radialement dans le plan des anodes (2) est redressé et accéléré axialement par un champ magnétique (B).
5. Module de propulsion de satellite (100), destiné à mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un bâti globalement annulaire (20) présentant un axe central (X'X) et dans lequel est agencé une cathode métallique annulaire (2) guidée par filetage/taraudage (2L) en liaison hélicoïdale (2T) avec ce bâti (20), ainsi qu'un arbre creux central (2A) et coaxial au bâti (20), l'arbre central (2A) présentant une paroi transversale (21 A) sur laquelle est fixé un support circulaire (10) constitué d'un matériau isolant et équipé d'anodes métalliques (1 ) régulièrement réparties en circonférence, en ce que ce bâti (20) comporte également des condensateurs de stockage d'énergie (4) reliant chaque anode (1 ) à la cathode (2) afin de fournir l'énergie pour générer des cycles de décharges électroniques après la formation d'un pré-plasma (2p), et en ce qu'un mécanisme d'entraînement en rotation (7 à 9) est relié à la cathode (2) pour lui imprimer un mouvement de déplacement pas-à- pas en liaison avec le guidage hélicoïdal (2T) formé entre le bâti (20) et la cathode (2).
6. Module de propulsion selon la revendication précédente, dans lequel l'arbre central (2A) intègre des fibres optiques (6) couplées respectivement à des terminaisons optiques (5) positionnées à proximité immédiate des anodes (1 ) et aptes à émettre en direction de la cathode (2) un rayonnement électromagnétique ionisant provenant d'au moins une source de rayonnement électromagnétique favorisant l'initialisation de la formation d'un jet de plasma (1 p) à partir d'une génération d'arc.
7. Module de propulsion selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel la source de rayonnement électromagnétique ionisant est constituée par un laser.
8. Module de propulsion selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel une bobine électromagnétique annulaire (3) est également intégrée sur la face extérieur (20e) du bâti (20) pour créer un champ magnétique induit (B) afin de redresser axialement le plasma (3p) formé par les décharges électroniques successives.
9. Module de propulsion selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel le mécanisme d'entraînement en rotation est constitué par une couronne de support (7) de la cathode (2) en liaison avec un moteur électrique pas-à-pas (9) via une vis sans fin (8).
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CN111916326A (zh) * 2020-06-09 2020-11-10 哈尔滨工业大学 一种具有防护功能的离子源的导磁套筒结构

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