AtelierAlimPlasma GREMI,Orléans1-3avril2019

Les alimentations pour la propulsion spatiale électrique

StéphaneMazouffre

Dir.Recherche,CNRS-ICAREResp.EquipePropulsionElectriqueDirecteurdulaboratoireORACLE

Classificationdessystèmespropulsifs

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Propulsionélectrique

Propulsionchimique Propulsionnucléaire

PropulsionparfaisceauxPropulsionexotique

Propulsiond’unvéhiculespatial�conservationdelaquantitédemouvement

Equationdumvtpourunsystèmeàmassevariable:Fext Forcesextérieures

vrel Vitessed’éjection

v Vitesseduvéhicule

Poussée

relmvT !=

dtdmm

dtdm

relextrelextvvFvF =+=+ !

PrincipeAction–Réaction

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Hypothèses

-vitessescolinéaires

-absencedeforcesextérieures

-vrelconstante

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=−=Δ

f

ee

fef m

mLnvmmLnvvvv 1 0

0

Δv incrémentdevitesse

ve vitessed’éjection

m0 masseinitiale=mf + me

mf massefinale

me massed’ergol

EquationdeTsiolkovsky

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Consommationd’ergol

Variationdelamassed’ergolavecΔv

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ−−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ=

eefp v

vmvvmm exp11exp 0

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Consommationd’ergol

Variationdelamassed’ergolavecΔv

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ−−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ=

eefp v

vmvvmm exp11exp 0

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Satellitedetélécommunication massesèche=2000kgopérationenorbiteGEO

Massetotalepourtransfertetcontrôled’orbite/attitude

Massed’unsatellite

SES - EPIC Workshop 2017

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

CatégoriesenPE

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Propulseursélectrostatiques

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Rendement>électro-thermiquesRendement>électro-magnétiquepourP<50kWTrèsgrandevitessed’éjectionLesplusutilisésaujourd’huiTechnologies

PropulseursàcourantdeHall

Moteursioniquesàgrilles

Propulseursàeffetdechamp

Propulseursàliquideionique

PropulseuràcourantdeHall

AccélérateursansgrillesàbarrièremagnétiquePasdegaineplasma,pasdelimitedecharged’espaceCourantd’ionsélevé(grandepoussée)

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

PropulseurPPS®X000-MLpuissance=5kW

PropulseurHall

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

PropulseurHall

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

PropulseurPPS20k-MLpuissance=20kW

Composants

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

PropulseuràcourantdeHall=sourceDC

3composantsnécessitentdelapuissance

Déchargecathode–anodeCathodeBobinesmagnétiques

Déchargeplasma

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Puissance:50Wà50kWCourant:0,3Aà100ATension:200Và600VStabilisationentensionCourantcontrôléparledébitd’ergol(xénon)

Déchargeplasma

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Puissance:50Wà50kWCourant:0,3Aà100ATension:200Và600VStabilisationentensionCourantcontrôléparledébitd’ergol(xénon)

DeltaSM400AR81500W,400V8A

DeltaSM1500CP3015kW,1500V30A

Cathode

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Cathodecreuse

sourced’électrons

émissionthermo-ionique(W,W-BaO,LaB6…)

chauffageà1200°CavantdémarrageeffetJoule(contrôleencourant)15A,15V

chauffagecoupéaudémarragesiP>200W

modeauto-thermique(décharge)

apportdepuissancesiP<200Wchauffageoudécharge(P≈30W)

Cathode

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

ElektroAutomaticPSI9200705kW200V70A

MagnaPowerXR2kW50V40A

Bobinesmagnétiques

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Bobine: cuivre+isolantavecnoyauferromagnétique(fer)+circuitchampB≈200G

Courant=1–10A(limiterlechauffage)Tension≈5–10VBobinesensériesipossible(minimisernbalimentations)

Puissance=Pbobine × n ncroîtavectaille

AlimentationparId(pointftfixe)employée

Bobinesmagnétiques

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Keithley2231A30390W3A30V

TTiQL355p100W4A25V

TTiQL355tp75W×25A15V

Baied’alimentations

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Moyend’essaisnationalPIVOINE-2G

Baied’alimentations14sources50W–30kWContrôleviaautomate

Protection&Filtres

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

PicdecourantaudémarrageId=50–300Adurée=qq10µsProtégerlesalimentations

fusiblesdiodes

Shilin Yan, IEEE TPS 46 2018

Protection&Filtres

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

FortesoscillationsdeId kHzauGHzmax.énergie≈15kHz(respiration)

Protection(lissage)viafiltreRLCouRL

�impactsurlesperformances!

FundamentalsofEP,D.Goebel

Alimentationsdevol

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

Puissanced’entréeSatellitesetsondes�panneauxsolaires(cellulesphotovoltaïques)

35%,200W/kg

+batteriesPuissancedisponible(I,V)dépend-  architecture-  température

�utilisationTransformateurs+RégulateurGlobalement,systèmedepuissanceàrendementélevé(R>95%)Mode«directdrive»testé

Alimentationsdevol

Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE

QualificationLongueduréedevieenenvironnementhostile(vide,radiations)

t>10000h(>1an)Cycles

n>5000Résistanceauxvibrations+chocsFiabilité>99,9%

architecturesimpleRapportP/mgrand

�Coûttrèsélevé