INNPULSE INNOVATIVE CONCEPTS FOR PLASMA PROPULSION IN SPACE - IRT SAINT EXUPÉRY
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INNPULSE
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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INNPULSE
La 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)
m : masse du fluide propulsif consommée
m v
= 1 − exp −
m0 : masse initiale du satellite
ve : vitesse du fluide propulsif
m0 ve v : incrément total de vitesse d’une mission
➢ Vitesse élevée du fluide propulsif donc faible consommation d’ergols mais
faible poussée T de la propulsion électrique
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
→ la propulsion électrique est bien adaptée au maintien sur orbite
→ mais la mise à poste ou le transfert d’orbite sont difficiles (très lents)
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INNPULSE
La propulsion spatiale électrique
Example
• Satellite géostationnaire Propulsion électrique → réduction de masse embarquée de ~ 800 kg
Coût lancement 1 kg ~20 k€ → réduction du coût ~16 Millions €
• Masse de 3 tonnes
• Incrément de vitesse v ~ 750 m/s
sur 15 ans 1400
1200
Propulsion chimique
m v 1000
= 1 − exp −
m (kg)
m0 ve 800
600
Propulsion électrique
m : masse du fluide propulsif consommée 400
m0 : masse initiale du satellite
ve : vitesse du fluide propulsif 200
v : incrément total de vitesse d’une mission
0
0 10 20 30 40
Vitesse du fluide propulsif (km/s)
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INNPULSE
Nouveaux besoins en propulsion électrique
➢ 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)
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INNPULSE
Nouveaux besoins en propulsion électrique
➢ 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)
Mise à poste satellite géostationnaire
36000 km
earth
launch orbit
1000 km
Propulsion chimique Propulsion électrique
10 jours mais consommation importante 4 à 8 mois, mais économie de masse
d’ergols ~ 50% de la masse totale importante (20 à 40 M€)
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INNPULSE
Nouveaux besoins en propulsion électrique
➢ 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 (
INNPULSE
Puissance moteur – Masse satellite – Type de moteur
Pmoteur (kW)
MPD
Exploration
100
10
Ionique à Grilles
M>1t GEO/Telecom
HALL
1
100
INNPULSE
Thématiques du projet INNPULSE
➢ID-HALL – Inductively coupled Double stage HALL thruster
o 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 liquide
o 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 plasma
o 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
Propulseur ionique à grilles
grilles
extractrices
-v ▪ Les ions sont extraits d’un plasma et accélérés à l’aide
de grilles polarisées
Xe
electrons
▪ Une source d’électrons est nécessaire pour neutraliser
plasma le faisceau d’ions extraits
ions
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INNPULSE
Propulseur ionique à grilles
grilles
extractrices
-v ▪ Les ions sont extraits d’un plasma et accélérés à l’aide
de grilles polarisées
Xe
electrons
▪ Une source d’électrons est nécessaire pour neutraliser
plasma le faisceau d’ions extraits
ions
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Propulseurs à courant de Hall - Principes
▪ Champ magnétique B perpendiculaire au courant entre
une cathode émissive et une anode (tension ~300 V)
barrière
magnétique ▪ La conductivité électronique chute dans la barrière
anode cathode
B magnétique ce qui fait augmenter le champ électrique
Xe
electrons ▪ Les ions (non magnétisés) sont extraits par le champ E
plasma
▪ Les électrons sont accélérés par le champ E vers l’anode,
ions
ionisent le gaz et créent le plasma
▪ Le même champ électrique accélère les ions et fournit
l’énergie aux électrons pour ioniser le gaz
Br
Si → La vitesse des ions (impulsion spécifique) et la poussée
Ex ne sont pas indépendants
x
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Propulseurs à courant de Hall
cathode
▪ La vitesse des ions et la poussée ne sont pas
indépendantes dans un propulseur à courant de Hall
electrons
anode
B
ions
▪ Idéalement un moteur doit pouvoir fonctionner
E o à forte poussée pour la mise à poste
o à plus faible poussée et forte Vitesse des ions pour le
coil
x maintien sur orbite
Br
Xe Si
→ contrôle séparé de l’ionisation et de l’accélération
Ex → concept de propulseur bi-étage
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Nouveau concept: propulseur ID-HALL
Inductively Coupled Double stage HALL thruster
▪ Chambre d’ionization RF avant la barrière magnétique
→ 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))
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Nouveau 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
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Inductively Coupled Double stage HALL thruster
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Propulseur à Arc sous vide pulsé
➢ Marchés visés
o Nanosatellites 10-50 kg (30 W)
o Microsatellites ~100 kg (150 W)
➢ Avantages
o 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
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Propulseur à Arc sous vide pulsé
Typiquement:
Vions=3x104 ms
Ibit=15 mNs
450 mN à 30 Hz, 30 W
T/P=15 mN/kW
INNPULSE – RTRA – 25/02/2020 17INNPULSE
Propulseur 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 à
l’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 ablatée
Expansion du jet de plasma et macro particules
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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
spot cathodique
10 mm
1 mm
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Propulseur à Arc sous vide pulsé - Problématique
➢ La physique des VAT mal comprise
o 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)
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Propulseur à Arc sous vide pulsé – I-V & Imagerie
Cathode en tungstène
Imagerie :
Caméra photron 540000 fps
→ Accrochage non uniforme du pied
d’arc à la cathode
→ Ejection du flux d’ion dans des
directions privilégiées
→ Erosion non uniforme de la cathode
1 kA x 5 ms = 5 mC 2 kA x 200 V = 400 kW pic
5 mC x 100 V = 0.5 J 0.5 J @ 60 Hz = 30 W moy
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Propulseur à Arc sous vide pulsé – Vitesse des ions
Détermination des vitesses des différents ions à partir de la
deconvolution du courant mesuré par sonde de Faraday
➢ Vitesse moyenne des ions
émis : 25km/s
➢ Déconvolution non
concluante pour l’instant
➢ Analyse des espèces
émises par spectroscopie
d’émission
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VAT – Spectroscopie visible → UV
T=2 ms
Intégration 1 ms
T= 3.5 ms
Intégration 1 ms
Halpha
Possibilité d’en déduire la
densité de plasma
Th+ ou W
W
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Problèmes 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 …)
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Problèmes de modélisation des plasmas magnétisés
➢ Collaboration IMT – LAPLACE
▪ Exemple de problème lié à l’anisotropie de conductivité électronique
▪ 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
B
magnetic ▪ Leur résolution nécessite une approche asymptotique
cusps spécifique
▪ L’IMT met au point des méthodes (“micro-macro”)
permettant de résoudre ces problèmes
▪ Comparaison méthodes fluide et particulaires
festons magnétiques (“magnetic cusps”) utilisés pour
confiner les particules chargées dans une source
plasma ou dans le premier étage du propulseur ID-HALL
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Conclusion
➢ ID-HALL – Inductively coupled Double stage HALL thruster
o Nouveau concept breveté de propulseur de Hall bi-étage → contrôle séparé de la poussée et
de l’impulsion spécifique – LAPLACE-CNES
➔1er prototype construit et caractérisé au LAPLACE. Fonctionnement en double-étage
démontré. 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 et
spectroscopie UV. Rôle d’un champ magnétique extérieur étudié par modélisation (ONERA)
➢ LPPT – Liquid Pulsed Plasma Thruster. Propulseur plasma à arc pulsé à ergol liquide
o 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 satellites
o 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 très
anisotropes qui est en cours d’adaptation aux problématiques de propulseurs.
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