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AtelierAlimPlasma GREMI,Orléans1-3avril2019
Les alimentations pour la propulsion spatiale électrique
StéphaneMazouffre
Dir.Recherche,CNRS-ICAREResp.EquipePropulsionElectriqueDirecteurdulaboratoireORACLE
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Classificationdessystèmespropulsifs
Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE
Propulsionélectrique
Propulsionchimique Propulsionnucléaire
PropulsionparfaisceauxPropulsionexotique
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Propulsiond’unvéhiculespatial�conservationdelaquantitédemouvement
Equationdumvtpourunsystèmeàmassevariable:Fext Forcesextérieures
vrel Vitessed’éjection
v Vitesseduvéhicule
Poussée
relmvT !=
dtdmm
dtdm
relextrelextvvFvF =+=+ !
PrincipeAction–Réaction
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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
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Consommationd’ergol
Variationdelamassed’ergolavecΔv
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ−−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ=
eefp v
vmvvmm exp11exp 0
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Consommationd’ergol
Variationdelamassed’ergolavecΔv
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ−−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ=
eefp v
vmvvmm exp11exp 0
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Satellitedetélécommunication massesèche=2000kgopérationenorbiteGEO
Massetotalepourtransfertetcontrôled’orbite/attitude
Massed’unsatellite
SES - EPIC Workshop 2017
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CatégoriesenPE
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Propulseursélectrostatiques
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Rendement>électro-thermiquesRendement>électro-magnétiquepourP<50kWTrèsgrandevitessed’éjectionLesplusutilisésaujourd’huiTechnologies
PropulseursàcourantdeHall
Moteursioniquesàgrilles
Propulseursàeffetdechamp
Propulseursàliquideionique
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PropulseuràcourantdeHall
AccélérateursansgrillesàbarrièremagnétiquePasdegaineplasma,pasdelimitedecharged’espaceCourantd’ionsélevé(grandepoussée)
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PropulseurPPS®X000-MLpuissance=5kW
PropulseurHall
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PropulseurHall
Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE
PropulseurPPS20k-MLpuissance=20kW
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Composants
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PropulseuràcourantdeHall=sourceDC
3composantsnécessitentdelapuissance
Déchargecathode–anodeCathodeBobinesmagnétiques
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Déchargeplasma
Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE
Puissance:50Wà50kWCourant:0,3Aà100ATension:200Và600VStabilisationentensionCourantcontrôléparledébitd’ergol(xénon)
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Déchargeplasma
Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE
Puissance:50Wà50kWCourant:0,3Aà100ATension:200Và600VStabilisationentensionCourantcontrôléparledébitd’ergol(xénon)
DeltaSM400AR81500W,400V8A
DeltaSM1500CP3015kW,1500V30A
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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)
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Cathode
Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE
ElektroAutomaticPSI9200705kW200V70A
MagnaPowerXR2kW50V40A
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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
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Bobinesmagnétiques
Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE
Keithley2231A30390W3A30V
TTiQL355p100W4A25V
TTiQL355tp75W×25A15V
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Baied’alimentations
Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE
Moyend’essaisnationalPIVOINE-2G
Baied’alimentations14sources50W–30kWContrôleviaautomate
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Protection&Filtres
Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE
PicdecourantaudémarrageId=50–300Adurée=qq10µsProtégerlesalimentations
fusiblesdiodes
Shilin Yan, IEEE TPS 46 2018
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Protection&Filtres
Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE
FortesoscillationsdeId kHzauGHzmax.énergie≈15kHz(respiration)
Protection(lissage)viafiltreRLCouRL
�impactsurlesperformances!
FundamentalsofEP,D.Goebel
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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
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Alimentationsdevol
Alimentationspourlapropulsionspatialeélectrique S.Mazouffre,CNRS-ICARE
QualificationLongueduréedevieenenvironnementhostile(vide,radiations)
t>10000h(>1an)Cycles
n>5000Résistanceauxvibrations+chocsFiabilité>99,9%
architecturesimpleRapportP/mgrand
�Coûttrèsélevé