n ovative CoNcepts for Plasma PropULsion in SpacE · Propulseur à Arc sous vide pulsé - Principe...
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1INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSEINNPULSE
InNovative CoNcepts for Plasma PropULsion in SpacE
Partenaires
LAPLACE Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie
IMT Institut de Mathématiques de Toulouse
IMFT Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
ONERA Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales
Partenaires extérieurs
CNES Centre National d’Etudes Spatiales
COMAT Groupe Agora Industrie
Objectifs
➢ Etude de concepts innovants de propulseurs plasma pour petits
satellites ou capables de fonctionner en régime multimode avec contrôle
séparé de la poussée et de l’impulsion spécifique.
➢ Résolution de certains problèmes de modélisation de ces propulseurs
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INNPULSELa propulsion spatiale électrique
➢ Importante économie de masse (et de coût) par rapport à la propulsion
chimique en raison de la vitesse élevée du fluide propulsif (particules
chargées accélérées par des champs électriques)
➢ Vitesse élevée du fluide propulsif donc faible consommation d’ergols mais
faible poussée T de la propulsion électrique
→ la propulsion électrique est bien adaptée au maintien sur orbite
→ mais la mise à poste ou le transfert d’orbite sont difficiles (très lents)
0
v1 exp
v
= − −
e
m
m
m : masse du fluide propulsif consommée
m0 : masse initiale du satellite
ve : vitesse du fluide propulsif
v : incrément total de vitesse d’une mission
o Par exemple vitesse fluide propulsif 20 km/s (~ions de xénon accélérés à 300 V)
o Poussée : typiquement 70 mN/kW pour un propulseur à courant de Hall
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INNPULSE
0
v1 exp
v
= − −
e
m
m
• Satellite géostationnaire
• Masse de 3 tonnes
• Incrément de vitesse v ~ 750 m/s
sur 15 ans
Propulsion électrique → réduction de masse embarquée de ~ 800 kg
Coût lancement 1 kg ~20 k€ → réduction du coût ~16 Millions €
Example
Vitesse du fluide propulsif (km/s)
0 10 20 30 40
m
(kg)
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Propulsion électrique
Propulsion chimique
La propulsion spatiale électrique
m : masse du fluide propulsif consommée
m0 : masse initiale du satellite
ve : vitesse du fluide propulsif
v : incrément total de vitesse d’une mission
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INNPULSE
➢ Propulsion « tout électrique »
Les opérateurs de Télécommunications ont décidé de passer à la
propulsion tout électrique en 2015 – plus de propulsion chimique
Propulsion électrique utilisée pour maintien sur orbite et mise à poste
→ besoin de propulseurs électriques plus puissants et plus versatiles (1-10 kW)
Nouveaux besoins en propulsion électrique
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INNPULSE
➢ Propulsion « tout électrique »
Les opérateurs de Télécommunications ont décidé de passer à la
propulsion tout électrique en 2015 – plus de propulsion chimique
Propulsion électrique utilisée pour maintien sur orbite et mise à poste
→ besoin de propulseurs électriques plus puissants et plus versatiles (1-10 kW)
Nouveaux besoins en propulsion électrique
launch orbit
earth
36000 km
1000 km
Propulsion chimique Propulsion électrique
10 jours mais consommation importante
d’ergols ~ 50% de la masse totale4 à 8 mois, mais économie de masse
importante (20 à 40 M€)
Mise à poste satellite géostationnaire
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INNPULSE
➢ Propulsion « tout électrique »
Les opérateurs de Télécommunications ont décidé de passer à la
propulsion tout électrique en 2015 – plus de propulsion chimique
Propulsion électrique utilisée pour maintien sur orbite ET mise à poste
→ besoin de propulseurs électriques plus puissants et plus versatiles (1-10 kW)
➢ Constellations de satellites pour offre internet mondiale o SPACEX – Projet Starlink plus de 40000 (!) mini-satellites 200 kg – LEO 550 km
180 satellites déjà sur orbite
o Oneweb – Projet de 650 mini-satellites 150 kg – LEO 1200 km
40 satellites sur orbite
o Amazon – Projet de 3000 satellites
➢ Petits satellites d’observation de la terre, missions scientifiques, …o Micro (<100 kg), nano (<10 kg), pico (<1 kg) satellites
Nouveaux besoins en propulsion électrique
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INNPULSEPuissance moteur – Masse satellite – Type de moteur
Pmoteur (kW)
100
10
1
0.1
0.02
LEO/Constellations
GEO/Telecom
Exploration
M <~ 10 kg Nanosatellites
(Cubesat)
M < 100 kg Microsatellites
100 <M < 1000 kg
M > 1 t
Missions Scientifiques
HA
LL
Ioniq
ue
à G
rille
s
Pla
sm
a p
uls
é
Effe
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p
MP
D
8INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
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Thématiques du projet INNPULSE
➢ID-HALL – Inductively coupled Double stage HALL thrustero Nouveau concept breveté de propulseur de Hall bi-étage → contrôle séparé de la
poussée et de l’impulsion spécifique. Faisabilité et optimisation. LAPLACE-CNES.
➢VAT – Vacuum Arc Thruster. Propulseur à arc sous vide pulsé
o Design simple et efficace (nano au m−satellite) – brevet COMAT – Poussée fournie
par expansion du plasma issu de l’ablation d’une cathode par un arc pulsé.Caractérisation et compréhension de la physique. LAPLACE-COMAT-ONERA.
➢LPPT – Liquid Pulsed Plasma Thruster. Arc pulsé à ergol liquideo Faisabilité d’un nouveau concept de propulseur à arc pulsé. Plasma formé à partir
d’un liquide injecté et non d’une cathode ablatée. IMFT-LAPLACE.
➢Modélisation de plasmas magnétisés pour propulseurs plasmao Difficultés dues à la forte anisotropie de la conductivité électronique. Nécessité de
développer des outils mathématiques dédiés. IMT-LAPLACE-ONERA.
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INNPULSE
▪ Les ions sont extraits d’un plasma et accélérés à l’aide
de grilles polarisées
▪ Une source d’électrons est nécessaire pour neutraliser
le faisceau d’ions extraits
grilles
extractrices
electrons
ions
plasma
Xe
Propulseur ionique à grilles
- v
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INNPULSE
▪ Les ions sont extraits d’un plasma et accélérés à l’aide
de grilles polarisées
▪ Une source d’électrons est nécessaire pour neutraliser
le faisceau d’ions extraits
grilles
extractrices
electrons
ions
plasma
Xe
Propulseur ionique à grilles
- v
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INNPULSE
▪ Champ magnétique B perpendiculaire au courant entre
une cathode émissive et une anode (tension ~300 V)
▪ La conductivité électronique chute dans la barrière
magnétique ce qui fait augmenter le champ électrique
▪ Les ions (non magnétisés) sont extraits par le champ E
▪ Les électrons sont accélérés par le champ E vers l’anode,
ionisent le gaz et créent le plasma
▪ Le même champ électrique accélère les ions et fournit
l’énergie aux électrons pour ioniser le gaz
→ La vitesse des ions (impulsion spécifique) et la poussée
ne sont pas indépendants
cathode
barrière
magnétiqueanode
Br
Ex
Si
x
B
electrons
ions
plasma
Xe
Propulseurs à courant de Hall - Principes
12INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSEPropulseurs à courant de Hall
anode
coil
cathode
electrons
ionsB
Br
Ex
x
Xe
E
Si
▪ La vitesse des ions et la poussée ne sont pas
indépendantes dans un propulseur à courant de Hall
▪ Idéalement un moteur doit pouvoir fonctionner
o à forte poussée pour la mise à poste
o à plus faible poussée et forte Vitesse des ions pour le
maintien sur orbite
→ contrôle séparé de l’ionisation et de l’accélération
→ concept de propulseur bi-étage
13INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
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→ Poussée controllée en ajustant la puissance
RF et le debit de gaz
→ Vitesse des ions controllée par tension DC
▪ Peut fonctionner à faible tension
→ Possibilité d’utiliser des ergols alternatifs, plus
difficile à ionizer (par ex, argon beaucoup
moins cher que le xénon))
Nouveau concept: propulseur ID-HALL
Inductively Coupled Double stage HALL thruster
▪ Chambre d’ionization RF avant la barrière magnétique
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INNPULSENouveau concept: propulseur ID-HALL
Inductively Coupled Double stage HALL thruster
▪ ID-HALL a été construit et testé
▪ Fonctionnement en double étage démontré
▪ Propriétés du plasma mesurées
▪ Faisceau d’ion caractérisé par sonde RPA
▪ Optimisation en cours
15INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSEInductively Coupled Double stage HALL thruster
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INNPULSEPropulseur à Arc sous vide pulsé
➢ Marchés viséso Nanosatellites 10-50 kg (30 W)
o Microsatellites ~100 kg (150 W)
➢ Avantageso Simplicité, légèreté
o Ergol solide – pas de reservoir pressurisé
o Forte impulsion spécifique 1000 à 7000 s
o Flexibilité Ibit du nNs au mNs
o Poussée adjustable – Fréquence impulsions
o Pas de neutraliseur
o Electronique simple et robuste
17INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSEPropulseur à Arc sous vide pulsé
Typiquement:
Vions=3x104 ms
Ibit=15 mNs
450 mN à 30 Hz, 30 W
T/P=15 mN/kW
18INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSEPropulseur à Arc sous vide pulsé - Principe
(b) Trigger : claquage déclenché par électrode haute tension (∼ 15 kV)
(c) Décharge d’arc : le canal conducteur formé précédemment permet la passage àl’arc entre l'anode et la cathode. Cette seconde phase est de l’ordre de 5 à 6 µs.
(d) Décharge d’arc : le plasma est généré dans la vapeur de cathode ablatéeExpansion du jet de plasma et macro particules
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INNPULSE
10 mm1 mm
spot cathodique
Propulseur à Arc sous vide pulsé - Principe
Le plasma d’arc est en contact avec la cathode par des milliers de
“spots” de très forte densité de courant “se déplacant” sur la cathode
Tcathode ~4000 K
Telectrons~8 eV (8x104 K)
Densité de courant spot ~ MA/cm2
Vitesse des ions V~30 km/s
Erosion G=20 mg/C→IG=20 mg/s
20INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSEPropulseur à Arc sous vide pulsé - Problématique
➢ La physique des VAT mal compriseo le VAT fonctionne bien mais on ne sait pas pourquoi !
o quelle est la physique de l’expansion du plasma ?
o qu’est-ce qui contrôle la vitesse du plasma ejecté ?
o rôle du champ magnétique induit ?
o rôle d’un champ magnétique extérieur ? tuyère magnétique
➢ Approche expérimentale (LAPLACE)o Visualisation de l’accrocharge du pied d’arc cathodique par imagerie
rapide
o Mesure de la vitesse des ions émis par sonde de Faraday
o Spectroscopie UV-visible 120-700 nm pour déterminer espèces et
charges dans la plume
o Elargissement Stark Ha pour mesurer la densité de plasma
➢ Modélisation de la tuyère magnétique (ONERA)
➢ Faisabilité théorique d’utiliser un ergol liquide (IMFT)
21INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSE
Cathode en tungstène
Imagerie :Caméra photron 540000 fps
→ Accrochage non uniforme du piedd’arc à la cathode
→ Ejection du flux d’ion dans desdirections privilégiées
→ Erosion non uniforme de la cathode
Propulseur à Arc sous vide pulsé – I-V & Imagerie
1 kA x 5 ms = 5 mC
5 mC x 100 V = 0.5 J
2 kA x 200 V = 400 kW pic
0.5 J @ 60 Hz = 30 W moy
22INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSEPropulseur à Arc sous vide pulsé – Vitesse des ions
➢ Vitesse moyenne des ions émis : 25km/s
➢ Déconvolution non concluante pour l’instant
➢ Analyse des espèces émises par spectroscopie d’émission
Détermination des vitesses des différents ions à partir de la
deconvolution du courant mesuré par sonde de Faraday
23INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSE
Possibilité d’en déduire la
densité de plasma
Halpha
Th+ ou W
W
T= 3.5 ms
Intégration 1 ms
T=2 ms
Intégration 1 ms
VAT – Spectroscopie visible → UV
24INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSEProblèmes de modélisation des plasmas magnétisés
➢ Collaboration IMT – LAPLACE▪ Fait suite au chantier RTRA IMPULSE (LAPLACE, CERFACS, IMT, ONERA) qui a conduit à
o Organisation du premier workshop international à Toulouse sur les plasmas magnétisés ExB dans le
contexte propulsion spatiale – Ce workshop est reconduit tous les 2 ans (Toulouse-Princeton-Madrid)
o Mise en place d’une collaboration internationale pour l’organisation de benchmarks de codes de
calcul de plasma magnétisés
o Participation des plus importants labo propulsion:
Princeton PPPL, Univ. Michigan, NASA JPL, Stanford Univ,
Univ. Saskachewan, Univ. Madrid, Univ. Bari
en France: LAPLACE, LPP, CERFACS
➢ Objectifs▪ Résoudre les problèmes que pose la très forte anisotropie de la conductivité électronique
dans les plasmas magnétisés utilisés en propulsion spatiale et pour d’autres applications
▪ L’expérience de l’IMT dans le domaine de la modélisation en fusion magnétique permet
d’aborder ces problèmes (même si les plasmas de propulseurs sont différents des plasmas de
fusion – notamment ions non magnétisés, températures plus faibles …)
25INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSEProblèmes de modélisation des plasmas magnétisés
➢ Collaboration IMT – LAPLACE▪ Exemple de problème lié à l’anisotropie de conductivité électronique
B
festons magnétiques (“magnetic cusps”) utilisés pour
confiner les particules chargées dans une source
plasma ou dans le premier étage du propulseur ID-HALL
▪ A basse pression et fort champ magnétique la
mobilité (conductivité) électronique le long des lignes
de champ magnétique est plus grande que la mobilité
(conductivité) perpendiculaire de plusieurs ordres de
grandeurs (3 à 5 !)
▪ Les équations de transport à résoudre sont des
équations elliptiques à très forte anisotropie
▪ Leur résolution nécessite une approche asymptotique
spécifique
▪ L’IMT met au point des méthodes (“micro-macro”)
permettant de résoudre ces problèmes
▪ Comparaison méthodes fluide et particulaires
magnetic
cusps
26INNPULSE – RTRA – 25/02/2020
INNPULSE
Conclusion
➢ ID-HALL – Inductively coupled Double stage HALL thruster
o Nouveau concept breveté de propulseur de Hall bi-étage → contrôle séparé de la poussée etde l’impulsion spécifique – LAPLACE-CNES
➔1er prototype construit et caractérisé au LAPLACE. Fonctionnement en double-étagedémontré. Performances à optimiser (configuration magnétique).
➢ VAT – Vacuum Arc Thruster. Propulseur à arc sous vide pulsé (du nano au microsatellite)o Design simple et efficace (brevet COMAT) – Poussée fournie par expansion du plasma issu
de l’ablation d’une cathode par un arc pulsé. LAPLACE-COMAT-ONERA.
➔Propulseur de COMAT installé & testé au LAPLACE. Imagerie par caméra rapide etspectroscopie UV. Rôle d’un champ magnétique extérieur étudié par modélisation (ONERA)
➢ LPPT – Liquid Pulsed Plasma Thruster. Propulseur plasma à arc pulsé à ergol liquideo Faisabilité d’un nouveau concept de propulseur à arc pulsé. Plasma formé à partir d’un
liquide injecté et non d’une cathode ablatée. IMFT-LAPLACE
➔ Modèle de l’interface liquide-plasma mis au point à l’IMFT
➢ Modélisation de plasmas magnétisés pour propulseurs plasma pour satelliteso Difficultés dues à la forte anisotropie de la conductivité électronique. Nécessité de
développer des outils mathématiques dédiés. IMT-LAPLACE-ONERA.
➔IMT a mis au point une méthode efficace de résolution d’équations elliptiques trèsanisotropes qui est en cours d’adaptation aux problématiques de propulseurs.