Brevet FR2700517A1 — publié le 19940722

DISPOSITIF DE PROPULSION DE VéHICULE Les véhicules spatiaux, après avoir été séparés de leur lanceur, doivent étre pilotés dans l'espace pour réaliser leurs missions circum-terrestre.Le pilotage ou contrôle d'attitude" a pour but d'effectuer la mise à poste,compenser les perturbations, d'orienter le véhicule dans un référenciel. Deux techniques sont actuellement utilisées de façon majoritaire et de nombreuses autres sont envisagées ou font l'objet de recherches. Le système gaz froids est employé pratiquement depuis l'origine. Une réserve de gaz comprimé sous haute pression est embarquée à bord du satellite. Des valves sont commandées depuis le sol pour que de petites quantites de gaz soient éjectées au travers de tuyeres afin d' imprimer, par réaction, un mouvement au satellite. Le système mono ou bi-ergols constitue une amélioration du thème précédent.Dec fluides sous pression sont embarqués à bord d'un satellite. Des valves commandées depuis le sol injectent les ergols en proportion convenable pour que ceuxci provoquent une dissociation exothermique dans les tuyères, exerçant ainsi une poussée sur le satellite. Parmi les techniques qui sont sur le point d'être opération nielles, on peut citer la propulsion par arc développée au nom de la NASA. Cette technique consiste à créer un arc électrique qui porte un gaz à trè haute température de manière à obtenir une vitesse d'éjection supérieure à celle obtenue avec les bi-ergols. Parmi les techniques en développement, on peut citer la propulsion ionique. Il s'agit de générer un plasma puis de l'ioniser pour pouvoir ensuite) à l'aide d'un champ électrique, accélérer les ions qui assureront la poussée necessaire au mouvement du satellite. Parmi les techniques qui sont envisagées pour obtenir une poussée, on peut citer les résultats de la fission et de la fussion nucléaire.L'application au contrôle d'attitude des satellites n'est probablement pas à envisager pour le moyen terme. Les deux préoccupations majeures des concepteurs de satellites sont -La durée de vie en orbite de l'engin qui est aujourd'hui contionnée par la durée de vie du système de contrôle d'attitude. - La masse de l'engin puisque 1 kg satellisé coûte aujourd'hui de l'ordre de 50 000 US dollars. Le système de propulsion par bi-ergols est supérieur en durée de vie au système gaz froids.Il atteint de l'ordre de 10 à 15 ans de durée de fonctionnement. Mais ils présentent tous deux l'inconvénient de mobiliser une masse de plusieurs centaines de kilogrammes Le système de propulsion par arc améliore encore la durée de vie, mais il nécessite une puissante installation électrique de bord. Le bilan global de masse ne semble pas nettement plus favorable que dans les cas précédents. Les systèmes à propulsion ioniques ne sont pas encore au point mais se heurtent d'ores et déjà à l'obstacle de la pollution électro-magnétique et électrique qui perturbe entre autre l'électronique de bord,et au dimensionnement important qui doit être donné au système de génération électrique de bord. Le dispositif objet de l'invention permet de conserver une durée de vie comparable à celle des dispositifs à propulsion par arc tout en diminuant la masse du système de génération de poussée nécessaire au contrôle d'attitude. Le dispositif objet de l'invention vise à utiliser la poussée engendrée par la transformation en plasma d'un matériau approprié, à l'aide d'une énergie extérieure à laquelle on fait subir un minimum de transformations pour ne pas dégrader les rendements.Le dispositif utilise une source laser(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) qui est avantageusement excitée (pompage optique) par le rayonnement solaire naturel. Le faisceau laser fournit l'énergie ndceEsaire à la transformation en plasma du matériau qui assure la propulsion. On peut choisir d'utiliser un laser excité électriquement si le système de bord dispose durablement d'un surplus d'énergie électrique suffisant Le dispositif objet de l'invention comprend principalement - un collecteur du rayonnement solaire C1). Le collecteur filtre et adapte avantageusement le rayonnement de manière à ne transmettre que des radiations propres à exciter le laser. Le filtrage a pour but de ne pas avoir à évacuer des calories apportées par des rayonnements inutiles au fonctionnement du laser. L'adéquation du rayonnement peut être supprimée si le système d'évacuation des calories est suffisamment puissant pour que le laser fonctionne dans de bonnes conditions. - un laser (3) précédé d'un concentrateur (2). Le tout est situé dans une enveloppe C9) pour laquelle la face externe C8) du collecteur de rayonnement constitue avantageusement un radiateur propre à dissiper les calories excédentaires. La dissipation d'énergie excédentaire est réalisée selon les techniques connues actuellement. - le faisceau de lumière cohérente généré par le laser est achemine par fibre optique vers un répartiteur(4) qui permet de fournir l'énergie nécessaire à chacune des tuyères C5) qui par-ticipent au contrôle d'attitude. -Le matériau qui assure la propulsion est stocké dans une réserve (7). Son débit est contrôlé par un dispositif approprié (6) qui permet d'injecter dans les tuyères (5) la quantité voulue, à l'instant déterminé. De nombreux matériaux solides, liquides ou gazeux peuvent être employés.La nature exacte de ces matériaux influence peu le rendement glohal du dispositif. Ce choix de l'un ou de l'autre obéit principalement à des critères pratiques lies à la fiabilité et a la pollution de l'environnement du satellite. Le dispositif objet de l'invention fonctionne comme -le collecteur de rayonnement solaire (1) étant correctement pointé vers le soleil, focalise le rayonnement filtré sur l'entrée du concentrateur (2). Le laser (3) est alors excité et fournit un faisceau de lumière cohérente, au travers d'une fibre optique, au répartiteur (4) qui distribue le faisceau d'entrée sur les tuyères sollicitées pour engendrer le mouvement du satellite.Le faisceau de lumière cohérente est focalisé à l'intérieur de la tuyère.Lorsque le matériau qui assure la propulsion est injecté en quantité appropriée sur le point de focalisation du faisceau lasers le matériau est instantanément porté à très haute température de l'ordre de 150000 C et est transformé en plasma.Les particules sont éjectées à très grande vitesse et engendrent la réaction nécessaire au mouvement du satellite. Le dispositif objet de l'invention présente l'avantage de fournir une poussée faible qui permet d'effectuer des moutrements très précis tout en ayant une impulsion spécifique élevée En effect,les systèmes gaz froids ou bi-ergols fournissent des poussées plus brutales qui néc-essitent des corrections estives pour terminer la manoeuvre.Leur impulsion spécifique est faible. L système de propulsion à arc fournit également une poussée faible et une impulsion spécifique élevée. L'azFantage du dispositif selon l'invention par rapport au système de propulsion à arc porte escentiellement sur deux points: -L'énergie solaire subit une transformation simple au travers du laser.La masse de l'ensemble collecteur - contracteur -laser est faible en regard du système de génération électrique nécessaire à la propulsion Far arc.La génération laser peut-être activée uniquement au moment du besoin. -L'énergie nécessaire à la génération du plasma est concentrée en un point à l'intérieur de la tuyère. Il s'ensuit que la tenue en température des surfaces des tuyères est facilitée dans le dispositif objet de l'invention. En effet, le système à arc électrique génère l'énergie de façon diffuse grâce à des électrodes pour former le plasma. Il est alors nécessaire de protéger les parois des tuyères par une couche laminaire de gaz froids. Le risque de panne lié à l'érosion des électrodes est supprime dans le dispositif objet de 1' invention. Enfin, le fonctionnement du contrôle d'attitude n'est pas conditionné par une éventuelle dégradation du système de génération électrique. Les dispositifs de contrôle d'attitude actuellement en service mobilisent une masse de l'ordre de 700 kg sur un satellite de ^?on kg.Lutilisation du dispositif selon l'invention permet d'oonomiser une masse de 500 kg. Parallèlement, la fiabilité est améliorée. REVENDICATIONS 1 - Dispositif embarqué de propulsion de véhicule, par éjection de plasma, pour le contrôle d'attitude de satellite, caractérisé en ce que l'énergie nécessaire à la formation du plasma est apportée par un faisceau de lumière cohérente focalisé dans le divergent d'une tuyère. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le faisceau de lumière cohérente est délivré par un laser dont l'énergie d'excitation est avantageusement fournie par le rayonnement solaire. 3 - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le rayonnement solaire est avantageusement filtré avant d'exciter le laser pour ne laisser subsister que les radia tisons efficaces