Archives de catégorie : Propulsion & Espace

Nous venons de publier dans la revue Applied Physics Letters un article qui synthétise nos travaux sur l’optimisation d’un propulseur de Hall en configuration « sans parois » dont je parlais sur ce blog le 1er juillet dernier. L’article est disponible dans ma liste de publication.
A notre grande surprise  l’article, qui est paru aujourd’hui, a été sélectionné par l’American Institute of Physics comme fait marquant. C’est un grand honneur qui récompense un travail acharné mené avec passion par tous les membres de l’équipe, passés et présents. Le commentaire – assez justement écrit – qui accompagne notre article est disponible sur le site de l’AIP et de Phys.Org entre autres :

Wall-less Hall thruster may power future deep space missions

Les résultats présentés dans notre APL constituent une première étape. Il existe encore des possibilités pour augmenter le rendement d’un propulseur de Hall sans parois et permettre un fonctionnement à forte impulsion spécifique. On y travaille d’arrache-pied et de nouveaux résultats devraient apparaître au cours de l’année 2016.
L’objectif est bien de proposer une alternative crédible à la configuration « Magnetic Shielding » mise au point par nos collègues du JPL tout en diminuant la masse et l’encombrement du propulseur.

Le satellite de télécommunication ABS-3A a atteint l’orbite géostationnaire à la fin du mois d’août. Le satellite Eutelsat 115 West B, plus lourd, est quant à lui parvenu à poste à la fin du mois de septembre. Les deux satellites se sont positionnés avec un mois d’avance sur le calendrier initial.

Ces deux satellites, basés sur la plateforme 702SP de Boeing, sont les deux premiers satellites commerciaux à propulsion entièrement électrique (voir mon article du 4 mars 2015). Les satellites sont équipés de 2 paires de propulseurs ioniques à grilles au xénon XIPS, chacun pouvant délivrer 165 mN de poussée avec une Isp de 3500 s à 4,5 kW.
Ces satellites  » tout électrique  » ont été lancés le 2 mars 2015 par un lanceur Falcon 9 de SpaceX. Ils ont donc mis respectivement 6 et 7 mois pour atteindre leur orbite à 36000 km d’altitude. On constate ici l’inconvénient majeur de la propulsion électrique. Si cette dernière offre un gain en masse importante grâce à la grande vitesse d’éjection de l’ergol (des ions positifs), le temps de mise en orbite est long : plusieurs mois pour parvenir à l’orbite GEO contre une dizaine de jours avec la propulsion chimique. Cet écart très important provient de la différence de poussée : 100 à 400 mN pour l’électrique contre environ 500 N pour le chimique.
Pour diminuer le temps de mise en orbite et ainsi rendre la propulsion électrique plus attractive, il existe deux solutions sur lesquelles les industriels et les laboratoire de recherche travaillent.

• Il faut augmenter la poussée des propulseurs à plasma. Les propulseurs de Hall sont donc plus avantageux de ce point de vue car leur rapport poussée sur puissance est 3 fois supérieur à celui des propulseurs ioniques à grilles, ces derniers étant limités par le courant de Bohm et la loi de Child-Langmuir. On a donc le choix entre augmenter la taille d’un propulseur ou associer des propulseurs (on parle de cluster de n propulseurs). Dans les deux cas, cela nécessite une puissance électrique disponible plus grande. Il faut donc accroître la surface des panneaux solaires ou bien employer des panneaux ayant un meilleur rendement.
• L’autre approche consiste à coupler la propulsion électrique avec la propulsion chimique. Un système hybride chimique-électrique représente sans doute un bon compris pour gagner en masse tout en maintenant une durée de transfert raisonnable. Le propulseur chimique serait utilisé dans la première phase du transfert d’orbite et le propulseur électrique pour la phase finale à plus haute altitude.

La conférence internationale en propulsion électrique pour les systèmes spatiaux (IEPC, pour International Electric Propulsion Conference) s’est déroulée cette année à Kobe au Japon. Mon équipe y participait car c’est un rendez-vous incontournable pour nous. Nous y avons présenté plusieurs de nos travaux, dont nos derniers résultats concernant le propulseur de Hall sans parois et l’observation du transport électronique turbulent dans un plasma magnétisé. L’IEPC est un événement biennal. Le prochain congrès aura ainsi lieu à Atlanta aux Etats-Unis du 8 au 12 Octobre 2017. Cette 35ème édition est organisée par mon collègue et amis Mitchell Walker qui dirige le High-Power Electric Propulsion Laboratory (HPEPL) du Georgia Institute of Technology.

Avec mes collègues Ane Aanesland (LPP), Olivier Duchemin (Snecma) et Denis Packan (ONERA) nous proposons de prendre en charge l’organisation de la 36ème édition qui se déroulera en 2019. Après une investigation qui a duré tout l’été, nous avons finalement opté pour le palais des congrès de Versailles qui se trouve à deux pas du magnifique château. Deux autres candidatures ont été reçues par l’ERPS (Electrical Rocket Propulsion Society) : une du Brésil et une de l’Autriche. Le vote, réservé aux membres de l’ERPS, est désormais ouvert. L’ensemble des propositions est disponible sur le site de l’ERPS. Dans la notre (Versailles 2019), vous trouverez des informations sur le lieu, le programme prévisionnel, le dîner de gala et les possibles excursions en lien avec la propulsion. Je pense que nous avons un beau projet sérieux et solide, mais la concurrence est rude et le match serré, en particulier avec Vienne. Le résultat du vote sera connu au début du mois d’octobre. Je croise les doigts.

Voici un panorama de l’Equipe propulsion Electrique que je dirige au sein du laboratoire ICARE du CNRS à Orléans.
L’équipe PE est une équipe relativement petite qui est aujourd’hui composée de 7 personnes, dont deux chercheurs permanents.
Le document résume de manière synthétique, nos axes de recherche, les moyens d’essais à disposition, la gamme de propulseurs développés au cours des dix dernières années ainsi que l’ensemble des diagnostics que nous avons mis au point et qui font la particularité, et aussi la renommé, de cette équipe.

Optimisation d’un propulseur de Hall « sans parois ». Configuration standard : les lignes de champ magnétique sont perpendiculaires aux parois qu’elles interceptent (gauche). Configuration à écran magnétique : les lignes épousent la géométrie du canal et s’étendent jusqu’à l’anode (milieu). Configuration WL optimisée : les lignes magnétiques sont tangentes à l’anode dont la forme est adaptée (droite).

J’ai présenté dans un article écrit le 19 novembre 2014 le nouveau concept de propulseur de Hall « sans parois » ou Wall-Less (WL) en anglais.
Il s’agit de localiser la décharge plasma d’un propulseur à l’extérieur du canal afin de limiter l’interaction avec les parois diélectriques et ainsi augmenter la durée de vie du système et autoriser un fonctionnement à haute-tension, c’est à dire à haute impulsion spécifique.
Après avoir validé le concept avec le propulseur PPI de 200 W, nous avions réalisé des expériences à l’EPL à l’autonome dernier avec une nouvelle version du propulseur PPS-Flex capable d’opérer jusqu’à 2 kW. Nous avions ainsi montré qu’une modification de la topologie magnétique permettait de diminuer le courant de décharge et d’améliorer le rendement.

Des expériences complémentaires à celles conduites à l’EPL ont été menées à l’ICARE au printemps dans le banc d’essais PIVOINE-2g. Nous avons, avec mon équipe, optimisé à la fois la géométrie de l’anode et la topologie magnétique. Le principe de l’optimisation est résumé sur la figure ci-dessus. L’anode est toujours située au plan de sortie du canal. Sa forme doit-être telle qu’aucune ligne de champ magnétique ne vient intercepter la surface de l’anode. On reconstitue ainsi une barrière magnétique efficace. Lors des essais réalisés avec le PPS-Flex, nous avons mesuré la poussée et de la distribution de courant ionique dans la plume. On a ainsi pu accéder à l’efficacité de conversion de l’ergol (Xe), à la divergence du faisceau d’ions et au rendement propulsif.
Les premiers résultats sont très encourageants. On a atteint un rendement de 35 % pour une puissance inférieur à 1 kW. Cette valeur est proche de celle obtenue avec un PH standard optimisé tel que le SPT100 ou le PPS1350 dans des conditions similaires. Il existe encore des marges d’amélioration sur le design. Un rendement de 50 % à terme nous paraît tout à fait réaliste. Les expériences vont donc se poursuivre avec très certainement la construction d’une troisième version du propulseur PPS-Flex capable de produire flux magnétique plus intense.

Ces travaux vont être prochainement présentés lors de deux grands congrès internationaux : l’IEPC qui se déroulera dans une semaine à Kobe au Japon ainsi qu’à la JPC qui se tiendra à Orlando en Floride à la fin du mois de juillet. J’ai hâte d’avoir le retour et les critiques de la communauté sur nos avancés et l’intérêt d’un PH-WL pour la propulsion des satellites et sondes interplanétaires.

Développer des diagnostics laser pour sonder l’état plasma est l’une des spécificités de mon équipe. C’est aussi la thématique qui a permis à mon équipe de recherche d’avoir une reconnaissance et un fort impact sur le plan international. On peut citer par exemple nos travaux sur la détection des oscillations à haute fréquence des ions dans les décharges en champs électrique et magnétique croisés par spectroscopie de Fluorescence Induite par Laser (LIF en anglais) à comptage de photons et l’étude de la turbulence électronique à faible longueur d’onde dans les plasmas magnétisés par diffusion Thomson cohérente.

Nos travaux se poursuivent avec le développement récent d’une technique de spectroscopie de LIF hétérodyne qui permet d’accéder aux variations temporelles de la fonction de distribution en vitesse de molécules, d’atomes ou d’ions. Nous travaillons actuellement avec ma collègues Sedina Tsikata à la mise au point d’un banc optique de diffusion Thomson incohérente à haute résolution qui, nous l’espérons, nous permettra d’observer de manière non intrusive la fonction de distribution en énergie des électrons dans un propulseur de Hall. C’est un vieux rêve que j’ai en tête depuis plus de dix ans. Mais les obstacles à surmonter sont nombreux et à ce jour rien n’est encore gagné. C’est un travail qui devrait s’étendre sur plusieurs années.

Afin de donner à mes lecteurs une vision plus globale et plus précise des techniques de diagnostics laser pour la propulsion spatiale électrique, je mets à leur disposition les planches utilisées comme support pour la conférence que j’ai donné au mois de novembre dernier au Muséeum d’histoire naturelle de Bruxelles lors du séminaire européen EPIC : Diagnostics LASER
EPIC (Electric Propulsion Innovation & Competitiveness) est un projet du programme cadre de recherche Horizon 2020 de l’Union Européenne qui a pour objectif de proposer une feuille de route pour la propulsion électrique du futur. Les planches donnent un aperçu des outils disponibles dans mon équipe à l’ICARE et présentent des exemples de travaux et de résultats. La conclusion est orientée vers les besoins en terme de développement de nouveaux diagnostics optiques pour ma communauté avec pour objectifs i) l’amélioration du niveau de résolution et ii) l’accès à de nouvelles grandeurs physiques.