Brevet FR3151903A1 — publié le 20250207

La présente invention (fig 1) se rapporte à un dispositif et un procédé pour la mesure des poussées. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à un dispositif servant à mesurer la poussée d'un moteur ionique de fusée ou de satellite. Dispositif et procédé pour la mesure de poussée d’un moteur ionique de fusée ou de satellite. La présente invention se rapporte à un dispositif et un procédé pour la mesure des poussées. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à un dispositif servant à mesurer la poussée d'un moteur ionique de fusée ou de satellite. Etat de l’art Pour concevoir, mettre au point et essayer des moteurs de fusée ou de satellite produisant une force, il est nécessaire de mesurer avec précision la poussée produite pendant les essais. En particulier, avec de petits moteurs tels que des moteurs ioniques ou à plasmas, en plus de la mesure de la poussée fournie à l'état stable par le moteur, il est également nécessaire de suivre avec précision l'élévation et la diminution rapide de la poussée du moteur. Il faut que le dispositif de mesure de poussée soit capable de donner une réponse précise en fonction d’un profil de courbes de poussée-temps attendu. De tels dispositifs utilisent une balance telle que par exemple le brevet FR1532374. Il existe dans la littérature de très nombreux ouvrages et de nombreux brevets (US, FR, CN, RU) ; cependant ce type de dispositif est difficile à calibrer, et est généralement très coûteux. Le brevet FR2511509 présente un accéléromètre dans lequel la masse d'épreuve a une structure cruciforme et est formée de trois plaques rectangulaires planes dont les plans sont deux à deux orthogonaux. Le brevet FR2541775 décrit une masse d'épreuve comportant des éléments de surfaces planes, deux à deux opposés et parallèles, formant trois paires d'éléments de surface, les directions normales à ces éléments correspondant aux axes sensibles de l'accéléromètre. Le brevet FR2544865 décrit une autre configuration de la masse d'épreuve et des systèmes d'électrodes de suspension. La disposition permet d'obtenir une masse d'épreuve rigide avec un rapport surface sur masse élevé et d'utiliser des systèmes d'électrodes plans réalisés par métallisation sous vide sur un substrat isolant. Par ailleurs, l'apparition de petits moteurs de fusée ou de satellite (d'une poussée voisine de quelques kg) qui produisent des phénomènes transitoires de départ rapide (avec des durées voisines de quelques milliseconde pour passer de 10 % à 90 % de la pleine poussée) ont des exigences sévères pour les phénomènes transitoires. En effet, l'utilisation de propulseur à plasma pour la propulsion des satellites est en constante augmentation depuis plusieurs années car leurs performances et leur fiabilité, poussent de plus en plus d'opérateurs satellitaires à utiliser des plateformes tout électriques. Toute cette activité accrue signifie des besoins accrus en termes de caractérisation au sol de ces propulseurs. Il devient donc nécessaire d’obtenir des mesures de poussée très stables et très précises. La présente invention se propose donc de remédier aux insuffisances de l’art antérieur. Dans son mode de réalisation le plus simple, la présente invention propose de mesurer la force ou la poussée fournie par un moteur ionique de fusée ou un moteur de satellite avec un dispositif électronique qui comporte au moins un accéléromètre intégré. Un composant microsystème électromécanique (MEMS) est un microsystème fabriqué à partir de matériaux semi-conducteurs. Il comprend généralement un ou plusieurs éléments mécaniques et utilise l’électricité pour réaliser une fonction de capteur, avec une structure qui présente des dimensions micrométriques. Les accéléromètres du composant MEMS mesurent avec précision les phénomènes transitoires d'arrêt et de départ tandis qu’un capteur de position permet de mesurer la poussée statique. La présente invention a pour but de fournir un procédé permettant de mesurer avec une très grande précision les phénomènes transitoires rapides, ainsi que des niveaux de poussée à l'état stable. La présente invention sera mieux comprise avec des dessins. La est un dessin schématique du dispositif selon la présente invention. La est une simulation du déplacement du bras de mesures en fonction du temps. Description de l’invention La présente invention selon le dispositif (1000) permet de mesurer la poussée d’un moteur ionique de fusée ou de satellite dont le profil de la courbe de poussée en fonction du temps doit être mesuré. Lorsque le moteur (100) à tester est allumé, il produit une poussée ou une force dans la direction axiale et dirigé horizontalement dans le cas de figure décrit ici. Cette poussée s'exerce sur un bras de mesures qui est supporté par des supports qui lui permettent de se déplacer axialement mais qui empêchent tout mouvement latéral, de torsion et tous mouvements dans une direction autre que la direction axiale. Le bras de mesures (200) est mobile suivant la direction axiale. Le bras de mesures (200) comporte une encoche (un repère) de position initiale. Le bras de mesures (200) comporte des butées de fin de course. Le bras de mesures (200) comporte une partie ferromagnétique. Les supports (300) permettent de maintenir le bras de mesures dans une position telle qu’il n’existe qu’un seul degré de liberté suivant la direction axiale de mesures. Les supports (300) comportent des paliers à faible coefficient de frottement. Les supports (300) permettent au bras de mesures de coulisser facilement en son sein. Le capteur de position (400) par exemple un capteur à visée laser permet de mesurer avec une très grande précision la position de l’encoche (du repère) qui se situe sur le bras de mesures. Le solénoïde (500) est placé suivant l’axe de mesures autour du bras de mesure (200). Le solénoïde (500) comporte un circuit magnétique qui permet de générer un champ magnétique B. Lorsqu’un courant électrique circule dans le circuit magnétique, un champ magnétique B est créé suivant la direction axiale du bras de mesures (200). La valeur de ce champ magnétique est donnée pour un solénoïde de petit diamètre par rapport à la longueur de celui-ci par B = µ 0 N I / L, dans laquelle, µ 0 est la perméabilité magnétique du vide, N est le nombre de spire juxtaposées constituant le solénoïde, I est l'intensité du courant circulant dans une spire du solénoïde et L est la longueur du solénoïde. La partie ferromagnétique du bras de mesures (200) est introduite dans un solénoïde (500). La partie ferromagnétique est constituée de telle façon que celle-ci à une composante magnétique perpendiculaire au champ magnétique générée par le solénoïde. Ceci permet de s’assurer que le bras de mesures se déplace selon la direction axiale avec une force F proportionnelle au champ B. Un composant MEMS (600) est fixé sur le côté du bras de mesures (200). Le composant MEMS génère grâce aux accéléromètres intégrés un courant électrique proportionnel à l’accélération du bras de mesures. Les caractéristiques du composant MEMS, pour mesurer de très petites accélérations, sont telles que la plage de mesure des accéléromètres est de ± 100 grammes, avec une erreur non linéaire inférieure à 50 ppm et un bruit de l’ordre du micro gramme. Une masse d’équilibrage (700) est fixée soit au bout du bras de mesures soit répartie sur celui-ci pour équilibrer les efforts mécaniques sur le bras de mesures lorsqu’il est chargé avec le moteur. Pour calibrer l'ensemble du dispositif, il faut charger statiquement le bras de mesures avec des poids connus et régler le dispositif de façon à obtenir une position initiale très précise. En effet, la calibration du dispositif doit être effectué in situ, pour compenser toute dérive et biais et augmenter ainsi la précision de la mesure. Par ailleurs, la calibration doit garantir une certaine constance lorsque le dispositif est soumis à des conditions d'ambiance variables, telle que la température, ou des effets électromagnétiques, ou des vibrations. L’opération de calibration demande du temps, un équipement et une expertise. Il est à noter que le processus de calibration peut en effet impliquer l’intervention d’un prestataire tiers pour réaliser des ajustements sur le dispositif afin qu’il puisse être certifié comme étant conforme aux spécifications attendues. Lorsqu'une poussée s’exerce suivant la direction axiale du bras de mesures, la position initiale du bras de mesures se déplace. Le capteur de position mesure l’écart entre la position initiale et la nouvelle position. Cette valeur est acquise par une chaîne de mesures électronique. Cette chaîne de mesures électronique génère un courant électrique qui est envoyé au circuit magnétique du solénoïde. Cela a pour conséquence de déplacer le bras de mesures dans le sens opposé à la poussée et dans une position stable proche de la position initiale. La valeur du courant électrique circulant dans le circuit magnétique du solénoïde permet d’obtenir la valeur de la poussée statique. La chaîne de mesure comporte une boucle de contrôle de type PID (Proportionnel Intégral Dérivé). La chaîne de mesure électronique peut également acquérir une image électrique de la consigne de poussée demandée au moteur ionique à tester. La valeur instantanée de la poussée est donnée par un des accéléromètre du composant MEMS. Selon la présente invention, le dispositif (1000) servant à mesurer une force exercée par des moteurs ioniques de fusée ou de satellite, caractérisé par les points suivants, séparément ou en combinaisons, comprend un bras de mesures destiné à produire des signaux électriques en réponse aux charges qui lui sont appliquées, un composant MEMS fixé à ce bras de mesures et destiné à produire des signaux électriques en réponse aux accélérations appliquées au bras de mesures, un capteur de position statique, et un moyen destiné à recevoir les signaux électriques provenant du bras de mesures et du composant MEMS, éventuellement de la consigne de poussée demandée au moteur ionique à tester, et à additionner / soustraire les signaux électriques pour donner des signaux électriques qui sont envoyés à un moyen capable de générer un champ magnétique donc de générer une force (par exemple à l’aide d’un solénoïde). Selon la présente invention, le dispositif (1000) servant à mesurer une force exercée par des moteurs ioniques de fusée ou de satellite, lorsqu'une poussée est appliquée, les signaux électriques générés par le dispositif compensent les écarts d'accélération qui peuvent exister dans les signaux électriques provenant du bras de mesures. Selon la présente invention, le dispositif (1000) servant à mesurer une force exercée par des moteurs ioniques de fusée ou de satellite, comprend des moyens de montage servant à maintenir le dispositif de mesure des poussées et ne lui permettre qu'un seul degré de liberté de mouvements. Selon la présente invention, le procédé pour mesurer la force d'un moteur ionique de fusée ou de satellite consiste à monter ce moteur solidairement d’un bras de mesures afin d'en recevoir une poussée, à allumer le moteur, à recevoir des signaux électriques provenant d’une chaîne de mesure électronique et à enregistrer les dits signaux électriques. La présente invention a été décrite en référence à divers modes de réalisation. Dans la mesure du possible, un ou plusieurs éléments, composants, constituants, structures, modules des modes de réalisation décrits peuvent être combinés, séparés, interchangés, réarrangés avec un ou plusieurs autres éléments, composants, constituants, structures, modules des modes de réalisation sans s'écarter de la portée de l'invention divulguée. La présente invention n'est pas limitée par la description des différents modes de réalisation. L'homme de l’art peut obtenir d'autres manières de mise en œuvre à partir des solutions techniques de la présente invention. , dispositif (1000), permet de mesurer la poussée d’un moteur ionique de fusée ou de satellite dont le profil de la courbe de poussée en fonction du temps doit être mesuré et comprenant, le moteur (100) à tester est allumé, produit une poussée ou une force dans la direction axiale et dirigé horizontalement et cette poussée s'exerce sur un bras de mesures, le bras de mesures (200) est mobile suivant la direction axiale, comporte une encoche (un repère) de position initiale, des butées de fin de course. une partie ferromagnétique, les supports (300) permettent, de maintenir le bras de mesures dans une position telle qu’il n’existe qu’un seul degré de liberté suivant la direction axiale de mesures, et au bras de mesures de coulisser facilement, le capteur de position (400) à visée laser permet de mesurer avec une très grande précision la position de l’encoche (du repère) qui se situe sur le bras de mesures, le solénoïde (500) est placé suivant l’axe de mesures autour du bras de mesure (200), comporte un circuit magnétique qui permet de générer un champ magnétique B suivant la direction axiale du bras de mesures (200), et permet de s’assurer que le bras de mesures se déplace selon la direction axiale avec une force F proportionnelle au champ B, le composant MEMS (600) est fixé sur le côté du bras de mesures (200) et génère grâce aux accéléromètres intégrés un courant électrique proportionnel à l’accélération du bras de mesures (200), une masse d’équilibrage (700) est répartie sur le bras de mesures pour équilibrer les efforts mécaniques lorsqu’il est chargé avec le moteur, et de telle sorte que lorsqu'une poussée s’exerce suivant la direction axiale du bras de mesures, la position initiale du bras de mesures se déplace, le capteur de position mesure l’écart entre la position initiale et la nouvelle position, cette valeur est acquise par une chaîne de mesures électronique, cette chaîne de mesures électronique génère un courant électrique qui est envoyé au circuit magnétique du solénoïde, cela a pour conséquence de déplacer le bras de mesures dans le sens opposé à la poussée et dans une position stable proche de la position initiale, la valeur du courant électrique circulant dans le circuit magnétique du solénoïde permet d’obtenir la valeur de la poussée statique, la valeur instantanée de la poussée est donnée par un des accéléromètre du composant MEMS (600). , dispositif (1000) selon la revendication 1, telles que la plage de mesure des accéléromètres intégrés du MEMS (600) est de ± 100 grammes, avec une erreur non linéaire inférieure à 50 ppm et un bruit de l’ordre du micro gramme.