Brevet FR2543750A1 — publié le 19841005

La présente invention concerne un dispositif limiteur du courant de pointe du démarrage à froid qui limite le courant passant dans un élément chauffant d'augmentation d'un impulseur élec- trothermique à hydrazine dtengin spatial. Les satellites géostationnaires utilisent typiquement des impulseurs pour effectuer le maintien de la position nord-sud. Cette tâche du maintien de la position nord-sud absorbe une impor- tante partie du carburant (environ 90 % du combustible affecté au maintien de la position) se trouvant sur l'engin spatial pour que le satellite soit maintenu dans son orbite équatoriale Pour améliorer le rendement de ces impulseurs, il est utilisé des éléments chauffants d'augmentation électriques pour augmenter la température de l'hydra- zine gazeuse Ces impulseurs dotés de leurs éléments chauffants associés sont souvent appelés impulseurs à hydrazine électrothermiques (ou, selon un sigle anglo-saxon, EHT) L'élément chauffant d'augmen- tation comporte une résistance qui est alimentée par une batterie, par exemple une batterie de 30 volts, disposéesur l'engin spatial. A basse température, la résistance de l'élément chauffant peut n'être que de 0,2 ohm environ par exemple et, lorsqu'elle a été complètement chauffée, elle atteint une valeur d'environ 1,5 ohm. La faible valeur de la résistance associée au démarrage à froid conduit à la production d'un courant dont l'intensité est supérieure au niveau de sécurité, c'est-a-dire que le courant est si élevé qu'il peut détruire la batterie, le support et les commutateurs et relais électroniques du dispositif Si l'on ajoutait une résistance en série afin d'augmenter la résistance totale, ceci entraînerait un important gaspillage d'énergie électrique, ce qui est le point le plus important sur un engin spatial. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément chauffant d'augmentation d'un impulseur à hydrazine électrothermique possède un moyen résistant de charge connecté en série avec l'élément chauffant et un moyen permettant de réduire cet élément résistant de charge lorsque, en raison de l'échauffement, la résistance de l'élément chauffant a augmenté. La description suivante; conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, 2 2543750 parmi lesquels: la figure 1 est un schema de principe d'un împulseur à hydrazine électrothermique et d'un dispositif de commande selon un mode de réalisation de l'invention; et la figure 2 est un schéma de l'élément chauffant d'augmentation de la figure 1. Comme on peut le voir sur la figure 1, un impulseur électrothermique 10 à hydrazine tel que présentement décrit comporte deux soupapes 11 de carburant en série qui commandent l'admissîion de l'hydrazine en provenance d'une source 12 Deux soupapes sont prévues pour assurer une redondance Ces soupapes sont cnnmandées en température afin de fonctionner convenablement La sortie de la soupape 11 donne dans un lit catalyseur 13 Le lit catalyseur 13 porte l'hydrazine jusqu'à une température d'environ 760 e C le lit catalyseur 13 comporte des éléments chauffants servant a préchauffer le lit catalyseur avant l'application de l'hydrazine Ces éléments chauffants empêchent que le lit catalyseur ne soit endommagé, ce qui pourrait être provoqué par des variations importantes et rapides de la température L'hydrazine sortant du catalyseur, qui se trouve à environ 760 C, est délivrée à un élément chauffant d'auzmentation/3. Cet élément chauffant porte l'hydrazine jusqu'à une température d'environ 2200 C avant son expulsion par la tuyère 31. Sur la figure 2, est présenté un schéma de l ké 14 ment chauffant d'augmentation 15 Le flux sortant du lit catalyseur 13 est conduit par une tuyauterie dans l'élément chauffant d'augmenta- tion via un orifice 21 du corps cylindrique 23 de l'élément chauffant. L'élément chauffant d'augmentation 15 comporte un élément résistant de chauffage 17 d'une faible valeur qui peut être par exemple un fil de petit diamètre enroule en hélice, dont une premiàre extré- mité 17 a est destinée A être connectée à une borne (par exemple posi- tive) de la batterie et dont l'autre extrémité 17 b est connectke à la terre ou à l'autre côté de la batterie Un couvercle cylindrique conducteur 25 entoure l'élément résistant de chauffage 17 et est coaxialement inséré dans le corps 23 de façon à former avec le corps 23 un intervalle, ou passage, d'échange de chaleur L'élément résistant 17 est séparé du couvercle cylindrique conducteur 23 par une tige et un mécanisme d'écartement diélectrique par exemple (non 3 2543750 représentés) L'ensemble de la résistance 17, du couvercle 25 et du corps 23 est recouvert par une couche 28 de matériau de blindage vis-à-vis des radiations, puis par un blindage thermique extérieur 29. A l'extrémité opposée du corps 23-, se trouve un orifice de sortie 27 qui est relié à la tuyère 31 L'hydrazine gazeuse arrivant à l'ori- fice 21 passe entre le couvercle 25 et le corps 23 et sort par l'orifice 27 au niveau de la base de la tuyère 31, En relation avec la figure 1, on voit que l'alimen- tation des éléments chauffants dudit catalyseur et de la résistance 17 de l'élément chauffant d'augmentation est par exemple réalisée par un bus 33 de la batterie qui est connecté par l'une de ses extré- mités à la borne positive de la batterie 32 par exemple, L'autre borne de la batterie est connectée à un potentiel de référence, par exemple la terre Le bus 33 est connecté à un relais 35 de traitement de petit courant et à un relais 37 de traitement de grand courant. La sortie du relais 35 est connectée aux éléments chauffants du lit catalyseur 13 et à une porte logique 39 La sortie du relais 37 est appliquée via un conducteur 17 a à une borne 17 c de la résis- tance 17 de l'élément chauffant d'augmentation Les-relais 35 et 37 se ferment sous commande d'un premier signal d'instruction émanant d'une station terrestre, par exemple. La commande des soupapes 11 du carburant dépend d'un deuxième signal d'instruction venant d'une station terrestre par exemple Ce deuxième signal d'instruction est appliqué à la porte logique 39 et la valide afin de connecter le bus 33 à un dispositif 41 de commande de soupapes via le relais 35 Le dispositif 41 de commande de soupapes délivre un courant suffisant pour actionner les soupapes Il du carburant, Dans ce mode de réalisation de l'invention, lorsque cette deuxième instruction est reçue, un circuit 43 ayant pour fonction de limiter la pointe de courant associée au démarrage à froid mesure la valeur de la résistance 17 de l'élément chauffant d'augmentation et connecte, puis déconnecte, de manière appropriée, des résistances permettant de régler le courant passant dans la résistance 17 de l'élément chauffant au fur et à mesure que celle-ci s'échauffe, afin de protéger le dispositif électrique vis-à- vis de pointesde courant excessives de la batterie. Le deuxième signal d'instruction est appliqué A un commutateur 65 formé d'un TEC (transistor à effet de champ) de puissance qui connecte la borne opposée 17 d de la résistance 17 de l'élément chauffant à la terre par exemple, via le conducteur 17 b et des résistances R 7 à R 14 Les résistances R 7, R 8 et R 9 sont connectées mutuellement en parallèle de manière à produire une résistance équivalente de faible valeur, et ces résistances sont connectées en série avec des résistances RIO, Ril, R 12, R 13 et R 14 également connectées en parallèle les unes avec les autres Les résistances R 7, R 8 et R 9 forment une résistance équivalente de 0,34 ohm par exemple Les résistances R 10 à R 14 forment une résis- tance équivalente de 0,648 ohm par exemple Les résistances R 7, R 8 et R 9 sont connectées au conducteur 17 b et les résistances RO 10 à R 14 sont connectées a une extrémité du commutateur TEC 65 A la réception de la deuxième instruction par la grille du commutateur 65, celui-ci se ferme, ce qui relie à la terre, par exemple, la borne 17 d de la résistance de l'élément chauffant via les résistances R 7 à R 14 et la résistance R 17 La polarisation voulue des commutateurs TEC n'est pas indiquée sur la figure Un deuxième commutateur TEC 61 connecte à la terre la jonction en série du groupe de résistances R 7, R 8 et R 9 et du groupe de résistances Rl O a R 14 par l'intermédiaire d'une résistance R 15 Un troisième commutateur TEC 63 est connecté en parallèle sur les résistances R 7 à R 14 afin de connecter le fil 17 b à la terre par l'intermédiaire d'une résistance R 16 Chacune des résistances R 15, R 16 et R 17 possède une valeur ohmique suffisamment petite (par exemple 0,01 ohm) pour n'avoir aucun effet sur le fonctionnement du circuit 43 limiteur de courant ci-dessus décrit. La tension présente sur la jonction de la résistance 17 de l'élément chauffant et des résistances de charge R 7 à R 14 (sur le conducteur 17 b) est comparée à une tension de référence produite par les résistances RI et R 2 qui sont connectées entre le fil 17 a, portant la tension de la batterie, et la terre, ou un potentiel de référence Cette comparaison mesure la valeur de la résistance 17 de l'élément chauffant La tension de référence choisie qui est créée entre les résistances RI et R 2 est appliquée à une borne (la borne + par exemple) de chacun des comparateurs 51 et 53 Le deuxième signal d'entrée du comparateur 51 est produit par la connexion des 2543750 résistances R 3 et R 4 en série entre le fil 17 b et le potentiel de référence de la terre On choisit la valeur des résistances R 3 et R 4 de façon que, lorsque la tension du conducteur 17 b tombe à 23 volts environ, le comparateur 51 se commute et applique une tension positive suffisante à la grille du commutateur TEC de puis- sance 61 pour amener celui-ci à conduire et à dériver les résis- tances Rl O à R 14 Le deuxième signal d'entrée du comparateur 53 est produit à partir du diviseur de tension formé des résistances R 5 et R 6 connectées au fil 17 b On choisit la valeur des résistances R 5 et R 6 de façon que, lorsque le conducteur 17 b tombe à un niveau de 17,2 volts, le comparateur 53 se commute et fournit une polarisation positive suffisante à la grille du commutateur TEC 63 pour amener celui-ci à conduire et à dériver les résistances R 7 à R 14. En ce qui concerne maintenant le fonctionnement de ce mode de réalisation de'l'invention, des instructions sont reçues par le satellite pour commander ltimpulseur 10 Ces instructions peuvent venir d'une station terrestre via le système télémétrique, ou bien elles peuvent être produites dans le satellite sous commande d'un programme La première instruction reçue dans le satellite excite le relais 35, ainsi que le relais 37 Le relais 35 fournit, en réponse à cette première instruction, le courant venant du bus 33 de la batterie aux éléments chauffants du lit catalyseur 13 Cette instruction est appliquée au moins 30 min avant la deuxième instruc- tion, ce qui laisse au moins 30 min au lit catalyseur 13 pour atteindre la température voulue non dangereuse Ce premier signal d'instruction et la fermeture du relais 35 fournissent un premier signal d'entrée à la porte logique 39. La deuxième instruction est une instruction de mise à feu de l'impulseur et survient au moins 30 min après la première instruction Lorsque la deuxième instruction a été reçue, elle valide la porte logique 39 afin de connecter le bus de la batterie au dispositif 41 de commande de soupapes Par conséquent, le dispo- sitif 41 de commande de soupapes fait délivrer un courant approprié aux soupapes 11 commandées en température afin d'ouvrir les soupapes et, par conséquent, de laisser les soupapes 11 faire entrer l'hydra- zine jusqu'au lit catalyseur 13 De plus, cette deuxième instruction est appliquée au commutateur 65 du circuit 43 de commande de démarrage 6 2543750 lent afin de fermer le circuit résistant de l'élément chauffant en connectant l'autre extrémité 17 d de la résistance 17 de l'élément chauffant à la terre, ou à l'autre extrémité de la batterie 32, via les résistances R 7 à R 14 Pendant que la résistance 17 de l'élé- ment chauffant s'échauffe (et augmente de valeur, par exemple en passant de 0,2 ohm à 0,67 ohm environ), l'ensemble des résistances R 7 à R 14 reste en circuit pour protéger la batterie et les relais et autres supports du dispositif électrique. A environ 0,67 ohm pour la niveau de la résistance 17 de l'élément chauffant, la tension créée par le diviseur de tension - formé des résistances R 3 et R 4 est telle qu'il y a changement d'état du comparateur 51 et production, à destination du commutateur TEC 61, d'une tension de polarisation qui rend ce dernier conducteur et assure une dérivation par rapport aux résistances RIO à R 14 Ceci réduit les pertes électriques du dispositif après seulement que la valeur de la résistance 17 de l'élément chauffant s'est élevée suffisamment pour permettre au dispositif de tolérer le niveau de courant résultant de cette modification de la valeur de la résis- tance 17 de l'élément chauffant et de l'élimination des résis- tances R 10 à R 14. Lorsque la résistance 17 de l'élément chauffant a atteint une valeur d'environ 1 ohm, la tension créée par le diviseur formé des résistances R 5 et R 6 est propre à amener le comparateur 53 à changer d'état et à fournir au commutateur TEC 63 une polarisation qui le rend conducteur et lui permet d'éliminer les résistances R 7 à R 14 Dans ces conditions, la résistance 17 de l'élément chauffant d'augmentation est pratiquement la seule résistance en circuit De nouveau, l'élimination des résistances R 7 à R 9 et la réduction subséquente des pertes électriques du dispositif n'ont lieu qu'après que la valeur de la résistance 17 de l'élément chauffant s'est élevée suffisamment pour permettre au dispositif de tolérer le niveau de courant qui résulte de la modification de la valeur de la résistance 17 de l'élément chauffant et de l'élimination, ou dérivations de toutes les résistances R 7 à R 14. En pratique, le commutateur TEC 63 est constitué de trois transistors à effet de champ connectés en parallèle Dans l'exemple ci-dessus présenté, Rl possède une résistance de 7 2543750 kiloohms, R 2 de 2,26 kiloohms, R 3 de 10 kiloohms, R 4 de 4 X 36 kilo- ohms, R 5 de 5,11 kiloohms et R 6 de 10 kiloohms. Bien que l'on puisse estimer le mode de réalisation ci-dessus décrit comme étant le meilleur mode actuel et qu'il se soit révélé adapté à une approche appropriée des problèmes spatiaux, on admettra que, selon un autre mode de réalisation de l'invention, la résistance de charge puisse être faite d'un matériau-dont la valeur de résistance diminue avec le temps de façon à s'accorder avec l'augmentation de la valeur de la résistance 17 de l'élément chauffant d'augmentation pour maintenir une résistance totale de 1 ohm par exemple en série avec la batterie. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imagi- ner, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses autres variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. 8 2543750 REVENDICATIONS 1 Dispositif limitant le courant de démarrage à froid, destiné à être utilisé dans un impulseur à hydrazine électrother- mique ( 10) pour engin spatial comportant un lit catalyseur ( 13) qui chauffe l'hydrazine le traversant et un élément chauffant d'augmen- tation ( 15) qui augmente encore la température de l'hydrazine avant l'expulsion de l'hydrazine par une tuyère d'échappement ( 31), o l'élément chauffant d'augmentation comporte une résistance ( 17) de chauffage qui est connectée, sur une instruction de mise à feu de l'impulseur, en série avec une batterie ( 32), un bus ( 33) de batterie et un relais ( 37), la résistance de chauffage ayant ini- tialement, à l'état froid, une valeur suffisamment basse pour produire un courant apte àdendommager la battetie, le bus de batterie et le relais 3 c'est-à-dire à produire un courant supérieur à un niveau de sécurité la résistance de chauffage augmentant sa valeur au fur et à mesure qu'elle s'échauffe, le dispositif étant carac- térisé en ce qu'il comprend: - un moyen résistant de charge (R 7 à R 14) connecté en série avec la résistance-de chauffage, le moyen résistant de charge diminuant la valeur de sa résistance pendant que la résis- tance de chauffage augmente la sienne afin de limiter au niveau de sécurité l'intensité du courant passant dans le-circuit de la résistance de chauffage. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen résistant de charge comprend: une résistance de charge (R 7 à R 14) initialement connectée en série avec la résistance de chauffage; et un moyen ( 61, 63) connecté en parallèle sur la résistance de charge et répondant à la détection d'une valeur donnée de la résistance de chauffage en dérivant la résistance de charge lorsque la résistance de chauffage a atteint une température prédéterminée telle que mesurée par sa valeur de résistance. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de dérivation est connecté en parallèle sur ledit moyen résistant. 9 2543750 4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen résistant de charge comprend au moins une première résistance de charge (R 7, R 8, R 9) et une deuxième résistance de charge (R 1 O à R 14) connectées mutuellement en série X et er ce que ledit moyen de dérivation comporte un premier moyen de dérivation ( 63) qui est connecté en parallèle sur les deux résistances de charge connectées en série et qui réagit àa la mesure d'une valeur de résistance correspondant à un niveau de sécurité prédéterminé de ladite résistance de chauffage en dérivant les première et deuxième résistances de charge connectées en série. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de dérivation comporte également un deuxième moyen de dérivation ( 61) qui n'est connecté en parallèle que sur la deuxième des résistances de charge connectées en série et qui réagit à une mesure de la valeur de la résistance de chauffage se situant entre un niveau de résistance à froid et ledit niveau de sécurité en ne dérivant que la deuxième des résistances de charge en série. 6 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de dérivation comporte un moyen de détection (Rl, R 2 > R 5, R 63 53) qui mesure la valeur de la résistance de chauffage, et un moyen de commutation ( 63) qui est connecté en parallèle sur le moyen résistant et qui répond à la mesure d'une valeur prédéter- minée de la résistance de chauffage en changeant l'état du moyen de commutation afin de dériver le moyen résistant. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de détection comporte un comparateur ( 53 >. 8 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit moyen résistant de charge comporte une première résistance de charge (R 7 à R 9) et une deuxième résistance de charge (R 1 O à R 14) connectées en série l'une avec l'autre, et ledit moyen de détection comporte un premier et un deuxième comparateur ( 53, 51) et une paire de résistancesde division de tension (Ri, R 2) connectées en série} les résistances de division de tension connectées en série étant connectées en parallèle sur ladite résistance de chauffage et ledit moyen résistant de charge, le point de jonction des résistances de division de tension étant connecté à une première 2543750 entrée (+) de chacun des premier et deuxième comparateurs afin de produire une tension de référence, et en ce que ledit moyen de commutation comporte un premier commutateur ( 63) qui répond à un premier signal de commande venant du premier comparateur en dérivant les première et deuxième résistances de charge connectées en série, et un deuxième commutateur ( 61) qui répond à un deuxième signal de commande venant du deuxième comparateur en ne dérivant que la deuxième des résistances de charge connectéesen série. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de détection comporte en outre une deuxième paire de résistancesde division de tension (R 5 R 6) et une troisième paire de résistancesde division de tension ( 53, R 4), lesdites deuxième et troisième paires de résistances de division de tension ayant des rapports de division différents, chacune des deuxième et troisième paires de résistancesde division de tension étant connectée en série avec la résistance de chauffage en parallèle sur le moyen résistant de charge afin de détecter un paramètre associé à la valeur de la résistance de chauffage, la jonction de la deuxième paire de résistancesde division de tension étant connectée à l'autre entrée (-) du premier comparateur et la jonction de la troisième paire de résistancesde division de tension étant connectée à l'autre entrée (-) du deuxième comparateur, la sortie du premier comparater étant connectée audit premier commutateur afin de produire ledit premier signal de commande lorsque la valeur mesurée de la résistance de chauffage se trouve à un premier niveau de sécurité et la sortie du deuxième comparateur étant con- nectée audit deuxième commutateur afin de produire ledit deuxième signal de commande lorsque la valeur mesurée de la résistance de chauffage se trouve à un deuxième niveau de sécurité, seule ladite première résistance de charge étant alors connectée en série avec celui-ci.