Brevet FR3149647A1 — publié le 20241213

La présente invention a trait à l’utilisation de l’hexafluorure d’uranium UF 6 naturel comme ergol dans un propulseur électrique. UTILISATION D’UN NOUVEAU TYPE D’ERGOL POUR LA PROPULSION ÉLECTRIQUE L’invention se rapporte à l’utilisation d’un nouveau type d’ergol pour la propulsion électrique et, en particulier, la propulsion électrique spatiale. De manière générale, la propulsion s’appuie sur l’échange de quantité de mouvement entre une matière éjectée et l’engin à propulsion, la matière éjectée pouvant consister en : - des gaz chauds résultant d’une réaction exothermique de combustion d’un ergol comprenant un carburant et un comburant, ces gaz étant éjectés par détente à haute température à travers une tuyère, ce cas de figure correspondant à de la propulsion chimique ; ou - des particules chargées issues d’un plasma généré à partir d’un ergol, l’énergie pour créer le plasma et accélérer les ions de ce plasma en vue d’une éjection étant une énergie d’origine électrique, ce cas de figure correspondant ainsi à de la propulsion électrique. La propulsion électrique, encore appelée propulsion à plasma ou propulsion ionique, permet grâce à une séparation entre la source d’énergie et la matière à éjecter, d’atteindre une grande vitesse d’éjection, ce qui induit ainsi une consommation d’ergol très faible, contrairement à la propulsion chimique. Lorsque la propulsion électrique est utilisée dans le domaine spatial et, plus spécifiquement, dans la propulsion des satellites, il est ainsi possible de réduire la masse des satellites propulsés et, ainsi leur coût de lancement ou, par ailleurs, allonger la durée d’une mission et en accroître son impact. Ainsi, en dépit d’un faible niveau de poussée et inférieur à celui de la propulsion chimique, la propulsion électrique permet des gains en capacité et en coûts et permet la réalisation de manœuvres et de missions difficilement réalisables autrement. Actuellement, la propulsion électrique est assurée principalement et de manière opérationnelle par deux technologies relativement proches : les propulseurs électriques à grilles et les propulseurs à effet Hall, ces deux technologies différant dans la manière de générer le champ électrique à l’origine de l’éjection ionique, le champ électrique étant généré grâce à deux grilles polarisées pour les propulseurs électriques à grilles, et étant généré par la combinaison d’un champ magnétique et d’une différence de potentiel électrostatique entre une anode et une cathode pour les propulseurs électriques à effet Hall. Différents types d’ergols peuvent être utilisés dans ces propulseurs électriques et, en particulier : - des gaz rares, tels que le xénon utilisé majoritairement ou encore le krypton ou l’argon ; - des ergols solides, tels que le diiode, le magnésium ou le zinc. La propulsion électrique peut être également assurée, à ce jour mais au stade encore de prototypes, par des propulseurs dits « propulseurs électronégatifs » qui utilisent à la fois des ions positifs et des ions négatifs pour la poussée, ce qui nécessite classiquement la gestion de deux ergols, un ergol apte à générer des ions positifs (par exemple, de l’argon) et un ergol apte à générer des ions négatifs (par exemple, de l’hexafluorure de soufre) sous une pression similaire, l’utilisation de deux types d’ergol engendrant toutefois un surpoids néfaste aux performances de propulsion. Au vu de ce qui existe déjà, les inventeurs de la présente invention se sont fixé pour objectif de proposer un nouvel ergol pouvant être utilisé efficacement dans le cadre de la propulsion électrique et, plus particulièrement, de la propulsion électrique spatiale, en remplacement des ergols déjà utilisés dans ce domaine et, plus précisément, pouvant être utilisé dans tous types de propulseurs électriques, notamment dans les propulseurs électriques électronégatifs, sans nécessiter l’utilisation de deux ergols distincts. Ainsi, l’invention a trait à l’utilisation de l’hexafluorure d’uranium UF 6 naturel comme ergol dans un propulseur électrique et, plus particulièrement, dans un propulseur électrique spatial. La notion d’ergol correspond à la notion connue sous la terminologie anglaise « propellant » pouvant être également désignée par gaz propulseur. Classiquement, l’hexafluorure d’uranium naturel correspond à de l’hexafluorure d’uranium dont l’uranium présente une composition isotopique comportant une faible abondance des isotopes légers, et, plus spécifiquement, comprise entre 0,6 % et 0,8 % de 235 U. L’hexafluorure d’uranium naturel comme ergol dans la propulsion électrique présente les avantages suivants : - une tension de vapeur avec une limite de sublimation à température et pression quasi-ambiantes ; - une bien meilleure poussée à puissance fixée, du fait que le gaz UF 6 est nettement plus lourd (352 g/mole) par rapport au xénon (131 g/mol) ; - une gestion par la température uniquement de la densité de l’hexafluorure d’uranium propulsé, du fait que l’hexafluorure d’uranium très stable se sublime à des températures courantes permettant, ainsi, son transport sous forme cristallisée et n’impliquant ainsi plus une gestion de gaz liquéfiés ou cryogéniques ; - des tests au sol simplifiés avec un vide dans l’enceinte d’essai obtenu par cryogénie et non pompage, la gestion de l’hexafluorure d’uranium étant bien connue des acteurs du cycle du combustible nucléaire ; - une possibilité d’utilisation dans tous types de propulseurs électriques et notamment dans les propulseurs électriques électronégatifs, du fait que l’hexafluorure d’uranium est susceptible de produire tant des ions positifs (en l’occurrence, UF 5 + ) que des ions négatifs (en l’occurrence, F - ) lors du processus d’ionisation ; et - la possibilité d’être utilisé pour tous types de vols spatiaux, hormis ceux à forte gravitation et, en particulier, pour les vols spatiaux destinés à un changement d’orbite, une réorientation d’un satellite, un voyage interplanétaire, un évitement d’objets. L’invention va maintenant être décrite au regard de l’exemple qui suit. Description d’un mode de réalisation particulier Un essai a été réalisé avec succès, en utilisant de l’hexafluorure d’uranium naturel dans un propulseur électrique à effet Hall d’une puissance de l’ordre du kilowatt. Par ailleurs, la section efficace d’ionisation particulièrement élevée peut s’accommoder de la large gamme de puissances disponible des propulseurs à effet Hall du marché. Utilisation de l’hexafluorure d’uranium UF 6 naturel comme ergol dans un propulseur électrique. Utilisation selon la revendication 1, dans laquelle le propulseur électrique est un propulseur électrique spatial.