Petite histoire du moteur plasmique à effet Hall

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Dans la série "A la découverte de ces merveilleux moteurs plasmiques", après le Vasimr, voici le moteur à effet Hall.

Le moteur plasmique à effet Hall est un succès, méconnu, de l'astronautique russe, souvent présentée, à tort, comme "rustique". Ce moteur illustre en particulier le savoir-faire russe dans le domaine de la physique des plasmas.
Le moteur à effet Hall a fait l'objet de recherches aussi bien aux Etats-Unis qu'en Union Soviétique dès la fin des années 50, mais les américains abandonneront ces recherches à la fin des années 60, sans arriver à le mettre au point, pour concentrer leurs efforts sur le moteur ionique à grille. De leur côté, les russes arrivent à en maitriser le fonctionnement au début des années 70, et le moteur à effet Hall entame alors une grande carrière. Au début des années 80, ce sont près de 2000 ingénieurs et chercheurs qui travaillent sur ce moteur, dont le monde occidental n'apprendra l'existence qu'à la fin des années 80. Il sera utilisé au total sur plus d'une centaine de satellites.
En 1992, après la disparition de l'Union Soviétique, Etats-Unis et Europe ont accès à cette technologie, vendue par les russes, qui est bientôt utilisée sur le satellite STEX, et ensuite sur la sonde européenne Smart 1.
Le moteur PPS-1350 de Smart-1, développé par la Snecma, est en effet une adaptation directe du moteur russe SPT-100, tandis que de son côté, la NASA engage un programme de R&D dans le but d'augmenter la poussée et l'impulsion spécifique, aboutissant au 173M, qui a été testé à une puissance de 100 kW, soit 75 fois plus puissant que le moteur d'origine. Ces recherches financées par la NASA rendent le nouveau moteur très compétitif par rapport au moteur ionique à grille pour propulser des sondes interplanétaires, grâce à une impulsion spécifique portée au delà de 3000s.

http://fluid.ippt.gov.pl/sbarral/hall.html
http://www.answers.com/topic/hall-effect-thruster
http://gltrs.grc.nasa.gov/cgi-bin/GLTRS/browse.pl?2004/CR-2004-213099.html

Avantages :
- Impulsion spécifique plus élevée que les propulsions chimiques (1600s pour le SPT-100/PPS-1350, >3000s pour le NASA-173M)
- Une technologie éprouvée, utilisée depuis plus de 30 ans sur des satellites
- Densité de poussée supérieure au moteur ionique à grille

Inconvénients :
- Faible poussée, puissance modérée : solution adaptée au contrôle d'attitude des satellites et à la propulsion principale de sondes interplanétaires, mais inadaptée à la propulsion principale de vaisseaux habités
- Fonctionnement complexe et physique partiellement comprise, ce qui freine le développement de ce moteur, pour lequel on manque d'un modèle théorique rigoureux
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Quelques nouvelles des derniers développements du moteur à effet Hall au Glenn Research Center

Bilan 2005
http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2005/TM-2005-213876.pdf
(1.355KB, pdf, niveau de lecture: technique spécialisé)
A noter :
- Etude d'un véhicule de transfert délivrant 30t de LEO vers L1 au moyen de moteurs Hall d'une puissance totale de 584 kW, Isp=2700s
- Evaluation d'une architecture de mission martienne combinant propulsion cryogénique et propulsion Hall pour délivrer des charges cargos
- Test du moteur 400M à 65kW, Isp=4000s, gaz=krypton

Etude 2006
"Performance of Solar Electric Powered Deep Space Missions Using Hall Thruster Propulsion"
http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2006/TM-2006-214044.pdf
(3MB, pdf, niveau de lecture: technique spécialisé)
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Les russes sur Mars :
http://www.energia.ru/english/energia/mars/mars.html
http://www.energia.ru/english/energia/mars/works.html

Une centrale solaire de 15MW (audacieux à ce niveau de puissance), des moteurs à effet Hall produisant une poussée de 300N pour expédier un vaisseau de 600t vers Mars, pour une mission de 2 ans.
Je ne pensais pas que le moteur Hall pouvait être intéressant pour ce type de mission, donc je rectifie ce que j'ai écris plus haut ("inadapté aux vols habités"). Mais il faut quand même un assemblage d'au moins une centaine de moteurs...


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Ce qui est très intéressant dans tout ça est que les progrès sur les panneaux solaires en couches minces, et la réduction de masse qui en résulte, rendent crédible cette source d'énergie pour alimenter des moteurs Hall suffisamment puissants (disposés en clusters, chaque moteur produisant une poussée de l'ordre de 1 à 3N) pour des missions habitées, alors qu'habituellement, la solution envisagée est un générateur nucléaire.

La différence est que les russes semblent être capable de construire les grandes structures de cette centrale solaire, c'est de la technologie disponible, alors qu'on est loin de disposer d'un générateur électronucléaire spatial de puissance équivalente.
Cette solution russe semble donc assez crédible techniquement, avec leur 30 ans d'expérience des moteurs Hall.

A+


Un exemple de cluster de moteurs Hall, vu chez un fabriquant américain :
http://www.busek.com/bht.htm
http://www.busek.com/low_power.htm
(remarquer les canons à électrons de neutralisation du faisceau, extrémité en rouge)

Dire que ces petits machins qui produisent à peine un souffle peuvent pousser un vaisseau interplanétaire de plusieurs centaines de tonnes...
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Le site de Fakel, inventeur et leader mondial du moteur à effet Hall :
http://users.gazinter.net/fakel/index_eng.html

Les moteurs Hall russes utilisés depuis 1971 :
http://users.gazinter.net/fakel/launch_eng.html

Noter que la mission russe vers Phobos utiliserait trois SPT-140.
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@lambda0 a écrit:
Les moteurs Hall russes utilisés depuis 1971 :
http://users.gazinter.net/fakel/launch_eng.html

Je ne sais plus sur quelle sonde interplanétaire de première génération et sur le Voshkod les russes avaient utilisé des moteurs "ioniques". Pourrait-on avoir plus de précisions ?
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Patrick
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@lambda0 a écrit:Le site de Fakel, inventeur et leader mondial du moteur à effet Hall :
http://users.gazinter.net/fakel/index_eng.html

Les moteurs Hall russes utilisés depuis 1971 :
http://users.gazinter.net/fakel/launch_eng.html

Noter que la mission russe vers Phobos utiliserait trois SPT-140.

Géniaux ces liens, et cette info concernant la mission le retour d'échantillons de Phobos. Il est vrai que pour une telle mission, il vaut mieux partir le plus léger possible.
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Patrick R2 a écrit:
Je ne sais plus sur quelle sonde interplanétaire de première génération et sur le Voshkod les russes avaient utilisé des moteurs "ioniques". Pourrait-on avoir plus de précisions ?

C'était Zond-2 vers Mars, en 1964, qui utilisait six moteurs plasmiques (PPT) pour le contrôle d'attitude.
http://en.wikipedia.org/wiki/Zond_2

Les russes ont expérimenté plusieurs principes avant de se concentrer sur le moteur Hall vers 1970.

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Pour relancer ce fil, j'ai intégré dans le fichier Excel récapitulatif des performances des moteurs électriques ("Propulseurs électriques.xls") à :
http://minilien.com/?E0tTxNrMFd
les caractéristiques du moteur Hall VHITAL alimenté au Bismuth.

Pour plus d'infos sur ce moteur, voir le pdf sur le site "In-Space Propulsion" :
http://minilien.com/?13jBbM9wBj

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@Henri a écrit:Pour relancer ce fil, j'ai intégré dans le fichier Excel récapitulatif des performances des moteurs électriques ("Propulseurs électriques.xls") à :
http://minilien.com/?E0tTxNrMFd
les caractéristiques du moteur Hall VHITAL alimenté au Bismuth.

Pour plus d'infos sur ce moteur, voir le pdf sur le site "In-Space Propulsion" :
http://minilien.com/?13jBbM9wBj

Merci pour cette mise à jour.

Voici un article qui récapitule les caractéristiques respectives des deux grandes variantes du moteur Hall, le SPT et le TAL:
http://alfven.princeton.edu/papers/ChoueiriPoP01b.pdf

Les SPT ont été développés par Fakel (voir lien plus haut).
Les TAL proviennent de TsNIIMASH http://www.tse.ru/TSE-eng.htm
Le TAL D55 a été utilisé sur le satellite STEX et est évoqué ici :
http://directory.eoportal.org/pres_STEXSpaceTechnologyExperiment.html

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Merci pour ces docs,
Mais mes petits calculs me confirment toujours que tant que la puissance propulsive de l'ensemble source d'énergie+moteurs ne tournera pas au moins à quelques kW/kg, on tape dans des missions trop longues pour un équipage et son support de vie.
Voir les différents onglets du fichier Excel à :
http://minilien.com/?B90ZjPE236

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Ce qui est probablement impraticable avec des moteurs Hall...
Par contre, si on peut descendre à 1-1.5 kg/kW avec des MPDT d'Isp=8000 s, avec une centrale de 100-150 MW, on peut faire le trajet en 100 j environ, ce qui permet de revenir sur la même conjonction, en ayant passé 1 mois sur Mars, et de boucler la mission en 9-10 mois.
Centrale solaire: 0.5 kg/kW (cf films minces)
PPU: 0.5 kg/kW (moins massif que PPU depuis nucléaire)
Moteurs: 0.2 kg/kW (HOPE prend 263kg/2.5 MW par moteur)
Soit au total: 1.2 kg/kW

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@lambda0 a écrit:Ce qui est probablement impraticable avec des moteurs Hall...
Par contre, si on peut descendre à 1-1.5 kg/kW avec des MPDT d'Isp=8000 s, avec une centrale de 100-150 MW, on peut faire le trajet en 100 j environ, ce qui permet de revenir sur la même conjonction, en ayant passé 1 mois sur Mars, et de boucler la mission en 9-10 mois.
Centrale solaire: 0.5 kg/kW (cf films minces)
PPU: 0.5 kg/kW (moins massif que PPU depuis nucléaire)
Moteurs: 0.2 kg/kW (HOPE prend 263kg/2.5 MW par moteur)
Soit au total: 1.2 kg/kW

A+
Avec des couches minces on atteint 4kWe/kg (0,25 kg/KWe) voir le record dont j'ai parlé dans un fil précédent, ca devrait donner le double en masse spécifique (kg/KWe) pour un dispositif avec structures de maintien.
Dans :
http://trajectory.grc.nasa.gov/aboutus/papers/STAIF-2003-177.pdf
les valeurs données :
PPU : 1.25 kg/kWe (pour un générateur nucléaire, mais on doit effectivement pouvoir atteindre 0,5 kg/kWe pour une alim photovoltaïque dont la FEM est taillée pour les tensions d'alimentation du MPD)
Moteurs : 263/2500= 0,11 kg/kWe
Au total j'atteinds ainsi : 1,11 kg/kWe = 1,7 kg/kWpropulsif
(tenir compte du rendement de 64,5%)

Maintenant 10 mois, ca fait encore des tonnes et des tonnes d'aliments à transporter...

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@Henri a écrit:Avec des couches minces on atteint 4kWe/kg (0,25 kg/KWe) voir le record dont j'ai parlé dans un fil précédent, ca devrait donner le double en masse spécifique (kg/KWe) pour un dispositif avec structures de maintien....
Maintenant 10 mois, ca fait encore des tonnes et des tonnes d'aliments à transporter...

Réponse ici :
https://www.forum-conquete-spatiale.fr/viewtopic.forum?p=15813#15813
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L'actualité: new engine called NASA's Evolutionary Xenon Thruster (NEXT)
poussée variable, 6,9kw, 0,236N
http://www.newscientistspace.com/article/dn9616-new-ion-engine-could-propel-spacecraft-to-titan.html

Mais le lien ci-dessous est top pour vue d'ensemble illustrée de ce que font les ricains:
http://www.engin.umich.edu/dept/aero/spacelab/thrusters/thrusters.html

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La NASA (Glenn Research Center) a terminé la conception et teste le moteur à effet Hall 1000M, d'une puissance de 150 kW (env. 100 fois plus puissant que le PPS-1350 de Smart-1), à Isp=2800s
http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/2005/RP/RPP-jacobson.html
http://www.grc.nasa.gov/WWW/hall/

Application envisagée : acheminement de cargo pour des missions lunaires

Voir également le rapport d'activité 2005 du GRC, au chapitre propulsion
http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/2005/
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Super intéressant, l'acheminement "économique" de cargo vers la Lune va devenir d'actualité ...

A noter ce doc cité en référence :
"Solar Electric Propulsion Vehicle Design Study for Cargo Transfer to Earth-Moon L1" ( http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2002/TM-2002-211970.pdf )
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Steph a écrit:Super intéressant, l'acheminement "économique" de cargo vers la Lune va devenir d'actualité ...

A noter ce doc cité en référence :
"Solar Electric Propulsion Vehicle Design Study for Cargo Transfer to Earth-Moon L1" ( http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2002/TM-2002-211970.pdf )

Les serveurs de rapports de la NASA ont été restructurés cette année, ce qui fait qu'il y a pas mal de liens "morts".
On peut trouver ce rapport maintenant depuis :
http://ntrs.nasa.gov/search.jsp
en donnant la référence : TM-2002-211970

Je copie le résumé :
A design study for a cargo transfer vehicle using solar electric propulsion was performed for NASA's Revolutionary Aerospace Systems Concepts program. Targeted for 2016, the solar electric propulsion (SEP) transfer vehicle is required to deliver a propellant supply module with a mass of approximately 36 metric tons from Low Earth Orbit to the first Earth-Moon libration point (LL1) within 270 days. Following an examination of propulsion and power technology options, a SEP transfer vehicle design was selected that incorporated large-area (approx. 2700 sq m) thin film solar arrays and a clustered engine configuration of eight 50 kW gridded ion thrusters mounted on an articulated boom. Refinement of the SEP vehicle design was performed iteratively to properly estimate the required xenon propellant load for the out-bound orbit transfer. The SEP vehicle performance, including the xenon propellant estimation, was verified via the SNAP trajectory code. Further efforts are underway to extend this system model to other orbit transfer missions.


Ce n'est pas particulièrement rapide, mais pour acheminer du frêt (pour construire une base par exemple...), ça peut être intéressant.
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Je rassemble ici quelques éléments de ma bibliographie sur le moteur Hall, que j'ai essayé de classer par ordre de généralité et de facilité de lecture, et également chronologique pour les développements NASA : les premiers sont des présentations générales, ou traitant des applications, les articles suivants sont plus techniques et peuvent demander quelques connaissances en électromagnétisme et physique des plasmas.

"Advanced Hall electric propulsion for future in-space propulsion"
Ref NASA: TM-2001-210676
http://myfreefilehosting.com/f/25ad5be46c_0.34MB
Un article introductif déjà un peu ancien, décrivant les applications envisagées pour le moteur Hall. Schéma, et quelques rappels historiques, en particulier sur les premiers moteurs Hall utilisés par les russes à partir de 1971. Intéressant aussi pour base de comparaison des développements sur la période 2001-2006.
Lecture facile.

"Overview of Russian electric propulsion activities"
http://myfreefilehosting.com/f/6bbcfa9d7f_1.26MB
Une presentation générale des développements russes en propulsion électrique, en particulier sur le moteur Hall. On y trouvera quelques statistiques sur les moteurs Hall utilisés depuis trente ans sur les satellites russes, une allusion au projet de vol habité martien de Energia, ainsi qu'à la prochaine sonde vers Phobos, qui devrait être propulsée par trois moteurs SPT-140. Fakel développe les moteurs de type SPT, TsNIIMASH développe les moteurs de type TAL, décrits plus loin.
Lecture facile.

"NASA's Hall thruster program"
Ref NASA: TM-2001-211215
http://myfreefilehosting.com/f/1ad5f05216_0.3MB
Le plan de développement de la NASA sur le moteur Hall, à partir de 2001. Pour information.

"Laboratory model 50 kW Hall thruster"
Ref NASA: TM-2002-211887
http://myfreefilehosting.com/f/e01c82e375_0.57MB
Quelques résultats de test du moteur NASA-457M en 2002. Photos du moteur, de l'équipement de test, ...et tableaux de chiffres

"Ion engine and Hall thruster development at the NASA Glenn Research Center"
Ref NASA: TM-2002-211969
http://myfreefilehosting.com/f/9c0dbb1e21_0.55MB
Un rapport de 2002 un peu plus général mettant en parallèle le développement du moteur ionique à grille (NSTAR) et le programme de développement du moteur Hall.

"Development and characterization of high-efficiency , high specific impulse xenon Hall thruster"
http://myfreefilehosting.com/f/1b31106388_5.23MB
Ref NASA: CR-2004-213099
Une thèse de 400 pages ! Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur le moteur à effet Hall sans jamais oser le demander. Cette thèse soutenue en 2004 porte sur le développement du moteur NASA-173M et du NASA-457M, et en particulier sur l'augmentation de l'impulsion spécifique. Nombreux schémas, photos de moteurs et de bancs de test, abondante bibliographie.
Un superbe travail de recherche.

"An overview of Hall thruster development at NASA's John H. Glenn Research Center"
http://myfreefilehosting.com/f/645b303f85_1.29MB
Ref NASA: TM-2005-213876
Un état d'avancement des développements en 2005...
Noter le nouvel objectif de développer un moteur de 600 kW (440 fois plus puissant que le moteur de Smart-1), au terme d'un plan s'achevant en 2009. Références à une utilisation pour acheminer du cargo vers la Lune et Mars.

"Performances of solar electric powered deep space missions using Hall thruster propulsion"
http://myfreefilehosting.com/f/213a8452ae_3.03MB
Ref NASA: TM-2006-214044
Analyse de missions vers Jupiter, Saturne, Neptune. Comparaisons avec le moteur à grille NEXT.

"Fundamental difference between the two Hall thruster variants"
http://myfreefilehosting.com/f/59921437bb_0.5MB
Cet article décrit les deux principales variantes du moteur Hall, le SPT et le TAL. Pour rappel, le PPS-1350 qui poussait Smart-1 était du premier type (SPT-100, dans la nomenclature russe), qui est le plus répandu.

"The VHITAL program to demonstrate the performance and lifetime of a bismuth-fueled very high Isp Hall thruster"
http://minilien.com/?bac5MkS5V7
Alors que la plupart des articles précédents traitaient du Hall version SPT, celui-ci décrit un travail en cours sur la version TAL, alimenté au bismuth. Cette version permet d'obtenir une impulsion spécifique plus importante que les SPT au xénon/krypton. Analyse de mission et comparaison avec un moteur à grille.

"Progress on the development of a direct evaporation bismuth Hall thruster"
http://myfreefilehosting.com/f/b60d442df9_0.19MB
Etat d'avancement et résultats de mesures... Quelques photos de moteur en fonctionnement et appareillage.

Il y a aussi un peu de recherche sur le sujet en France :
- au laboratoire d'aérothermique d'Orléans :
http://www.cnrs-orleans.fr/~webaero/theme4.htm
- à la SNECMA (qui a fourni le moteur de Smart-1, PPS-1350)

Références diverses :
En Russie :
http://users.gazinter.net/fakel/index_eng.html

Aux Etats-Unis :
http://www.busek.com/
http://www.busek.com/halleffect.html

Quelques nouvelles récentes :
http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=21954
http://www.gatech.edu/news-room/release.php?id=1281
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La semaine dernière Snecma a inauguré son nouveau pôle "propulsion plasmique" à Vernon.

Auparavant, ces activités étaient menées à Melun-Villaroche.

Je me souviens d'avoir assisté aux premières présentations de la coopération avec Fakel en 1992/1993. Les premiers travaux portaient sur une version améliorée du SPT-100, le SPT Mk2 "Aton". A la suite de quelques surprises en cours de développement, les travaux se sont ensuite dirigés vers des SPT-100 européanisés (montés notamment sur Astra 1K et sur les Inmarsat 4) et sur le PPS-1350 (SMART-1).

Aujourd'hui, Snecma dispose de moteurs qualifiés d'excellente qualité mais se heurte toujours à la frilosité des opérateurs de satellites. Un PPS-X000 de forte puissance (5-10 kW) et "forte" poussée (350 mN) est également en court de développement.
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Frilosité compréhensible, les panneaux solaires souffrent beaucoup durant la lente traversée des ceintures de Van Halen.

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@Henri a écrit:Frilosité compréhensible, les panneaux solaires souffrent beaucoup durant la lente traversée des ceintures de Van Halen.
N'y-a-t-il pourtant pas déjà des satellites qui croisent dans ces régions ? (satellites de navigation il me semble)
Sinon, il y a aussi les applications de contrôle d'attitude, pour les moteurs de faible puissance.

@Aspic a écrit:La semaine dernière Snecma a inauguré son nouveau pôle "propulsion plasmique" à Vernon.
Auparavant, ces activités étaient menées à Melun-Villaroche.
Je me souviens d'avoir assisté aux premières présentations de la coopération avec Fakel en 1992/1993. Les premiers travaux portaient sur une version améliorée du SPT-100, le SPT Mk2 "Aton". A la suite de quelques surprises en cours de développement, les travaux se sont ensuite dirigés vers des SPT-100 européanisés (montés notamment sur Astra 1K et sur les Inmarsat 4) et sur le PPS-1350 (SMART-1).
Aujourd'hui, Snecma dispose de moteurs qualifiés d'excellente qualité mais se heurte toujours à la frilosité des opérateurs de satellites. Un PPS-X000 de forte puissance (5-10 kW) et "forte" poussée (350 mN) est également en court de développement.
J'avais vu en effet quelques allusions au PPS-5000, sur lequel ils semblaient avoir un peu amélioré l'Isp (à 2000 s contre 1600 s pour le PPS-1350), mais il est difficile d'avoir des informations précises là-dessus.
En attendant, les américains semblent bien investir dans cette technologie depuis une dizaine d'années, testent déjà des moteurs expérimentaux à 150 kW, mais pour d'autres applications que les satellites.

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@lambda0 a écrit:Aux Etats-Unis :
http://www.busek.com/
http://www.busek.com/halleffect.html
A ce sujet :
http://www.spacedaily.com/reports/The_First_US_Hall_Thruster_Is_Operational_In_Space_999.html
"Busek announces the historic launch and successful in-space operation of its BHT-200 Hall Effect Thruster. The Busek Thruster, part of the Microsatellite Propulsion Integration (MPI) Experiment, was integrated on the Air Force Research Laboratory's (AFRL) TacSat-2 satellite, under the direction of the DoD Space Test Program, which launched December 16, 2006 from the NASA Wallops Flight Facility on Wallops Island, VA. (...)"
La suite sur le lien précité.
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Comme le budget spatial des militaires US est maintenant supérieur à celui de la NASA, ils s'offrent le luxe de financer et tester les technologies hors de portée des budgets spatiaux civils. (ou considérés à "risques" par les opérateurs commerciaux)
Encore une fois la frontière entre R&D militaire et R&D civile (ou entre R&D publique et R&D à vocation commerciale) est difficile à délimiter...

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Il y a déjà un satellite US qui a utilisé un moteur Hall en 1998 (STEX), mais ça devait être encore un moteur russe.
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