Brevet FR3041390A1 — publié le 20170324

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 oeuvre 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 pulsé 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 3041390 2 matière propulsive, en général en PTFE (acronyme de « poly-tétra-fluoroéthylène »). 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 5 entrainant 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 10 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 15 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 20 stockée dans un circuit haute tension et libérée lors de la mise en oeuvre 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 25 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. 30 [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 3041390 3 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. 5 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 10 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 15 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. 20 [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 25 [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 30 sensiblement toute la matière cathodique utilisable. 3041390 4 [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 5 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 10 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 15 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 20 de l'anode correspondant à ce site. De plus, la poussée peut être pulsée avec une fréquence variable. [0016]Selon des modes de mise en oeuvre préférés : - un pré-plasma est généré à proximité immédiate de la cathode afin de déclencher une avalanche électronique principale amplifiée par les décharges 25 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 30 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. 3041390 5 [0017] L'invention se rapporte également à un module de propulsion de satellite, destiné à mettre en oeuvre 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 5 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 10 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 15 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 20 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 25 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 30 de support de la cathode en liaison avec un moteur électrique pas-à-pas via une vis sans fin. 3041390 6 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 : 5 - 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 10 - la figure 3, une vue en perspective de la cathode du module précédent après une abrasion optimale de sensiblement toute sa surface initiale. DESCRIPTION DETAILLÉE [0021] Sur les figures, des signes de référence identiques renvoient aux mêmes éléments ainsi qu'aux paragraphes qui les décrivent. 15 [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 11 sur sa circonférence. Les anodes 1 sont réparties régulièrement selon une symétrie radiale. Une cathode annulaire 2 entoure le 20 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 25 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 30 d'espacement 14, à un plateau 30 également circulaire et disposé à l'intérieur au bâti 20. 3041390 7 [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. 5 [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 21A et 21B. La paroi 10 transversale 21A sert d'embase au support circulaire 10 et l'autre paroi transversale 21B forme une paroi d'extrémité du bâti 20. [0026] Sur les figures 2a et 2b apparait 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 15 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 20 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 25 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 30 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 3041390 8 millions d'arcs entre deux avancées correspondant à un 1/4 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 5 chaque anode 1 par le cône de rayonnement laser 1p 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 10 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 « pT » 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 1d 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 15 un cratère de diamètre égal à 1 d et qui va former une hélice 1H 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 20 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 1H. [0033] La valeur du pas « pT » de la trajectoire de guidage 2T de la 25 cathode 2 est prédéterminée pour que les hélices adjacentes 1H de largeur 1d 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. 30 [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 3041390 9 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. 5 [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. 10 [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 15 atteindre par exemple 12 ou 16 ou plus. REVENDICATIONS1. 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 (pT) 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 (1H) formées par les décharges électroniques entre la cathode (2) et chacune des anodes (1) soient juxtaposées, 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 propülsive 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 (pT) de la trajectoire hélicoïdale (2T) de la cathode (2) est déterminée en fonction de la dimension (1d) 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 (1H) et les hélices (1H) 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 oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un bâti globalement annulaire (20) présentant un axe central 3041390 11 (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 (21A) sur laquelle est fixé un support circulaire (10) constitué 5 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) 10 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 15 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 plasmâ (1p) à partir d'une génération d'arc. 20 7. Module de propulsion selon la revendication précédente, 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 cylindrique (3) est également 25 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 30 couronne de support (7) de la cathode (2) en liaison avec un moteur électrique pas-à-pas (9) via une vis sans fin (8).