Présentation Finale, 29 Juin 2016

Bonjour !

Le 29 juin de cette année s'est déroulée la soutenance de mon projet sur les propulseurs ioniques dans le cadre du concours d'entrée au Grandes Ecoles. Pour ma filière :  le concours Banque PT.
Pour toutes les filières, cette épreuve se déroule à l'IUT Paris Descartes. Elle comporte la présentation du projet de TIPE (10 minutes de présentation/10 de questions) ainsi que l'épreuve d'Analyse de Document Scientifique (ADS) qui consiste en la préparation en 2h15 d'un oral portant sur un sujet inconnu (puis 10 minutes de présentation/10 de questions).

La présentation du projet de TIPE :

Ainsi, seules 10 minutes sont allouées à la présentation de nos travaux. Cette limite de temps conduit donc à un exercice de forte concision, voir d'élimination de certaines expériences.

Cependant, les jurés disposent d'une fiche synoptique qu'ils ont pu lire dans le temps qui précède l'entrée du candidat. Cette fiche synthétise le projet en un nombre de caractères limité.
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Le contenu de ma fiche synoptique :

Sujet : Étude d’un propulseur ionique

Le modèle économique de l´exploration spatiale est en pleine mutation. Les réductions budgétaires ont favorisé
l´avènement de technologies plus économes. Grâce à la miniaturisation généralisée des technologies, les
nanosatellites Cubesat sont à même d´accomplir les missions de leurs ancêtres de plus grande taille. Leur faible
poids permet une réduction drastique des coûts de lancement et motive l´utilisation d´un mode de propulsion
apparu en 1998 : la propulsion ionique.

Principe de fonctionnement :Un propulseur ionique électrostatique à grille est un système de propulsion spatiale. Un puissant champ
électrique permet l´accélération de particules chargées, inculquant une force de poussée sur le satellite. Bien
que les forces de poussées obtenues soient très faibles (de l´ordre du microNewton), l’absence de frottements
dans l´espace permet une accélération constante sur une grande durée. Le ratio énergie de propulsion / masse
embarquée fait du propulseur ionique une solution de choix pour les missions de longue durée.

Objectif :Concevoir et étudier un modèle de propulseur ionique adapté aux besoins d´un Cubesat.

Plan :
IntroductionPrésentation du système
I − La conception d´un modèle de propulseur ionique1 − La structure
Conception d´une structure répondant au cahier des charges du projet : répartition du poids, étude de plusieurs
solutions de guidage en rotation, placement des unités de propulsion.
2 − Le choix des composants
Critères qui ont conduit à l’utilisation d’un gel ionique : matrice qui contient les particules à accélérer.
Conception du circuit électrique pour l´obtention d’une différence de potentiel de 7000V. Nécessité d´utiliser
une cloche à vide.
II − Étude dynamique et analyse1 − Choix d´une solution pour le guidage en rotation
Évaluation des forces de frottement pour différentes solutions : liaison ponctuelle par billes d´acier magnétisées
ou contact aiguille−verre. Critères ayant mené au choix final : force de frottement réduite et faible encombrement.
2 − Évaluation de la force de poussée réelle
Élaboration d´une procédure permettant l’évaluation d’une force de poussée très faible : étude de la dynamique
rotationnelle de la structure, avec et sans activation des propulseurs. Analyse des résultats.
III − Comparaison avec un modèle théorique1 − Obtention de la force de poussée théorique
Choix des caractéristiques du modèle théorique. Obtention de la force de poussée théorique. Nature des
approximations qui entraînent une différence avec le modèle réel.
2 − Prédiction de l´autonomie du propulseur
Évaluation de la masse perdue pour la propulsion. Énergie disponible pour la propulsion.
ConclusionRéponse au cahier des charges et missions envisageables.

Étude de faisabilité du projet :− Comportement des composants dans le vide : résistances et réactions aux faibles pressions.
− Réalisation d´un premier prototype dans le but de vérifier l´expulsion des particules chargées : liquide
ionique conduit par capillarité et observation de la concentration de la solution.
− Échanges avec mes contacts : possibilité de mener à bien ce projet. Assimilation de connaissances générales
sur les propulseurs ioniques.

Bilan :Ce TIPE m´a permis d´entrevoir les difficultés qui entourent l´analyse des résultats d´une expérience. De plus,
j´ai pu prendre conscience de l´importance de comparer toute étude pratique à un modèle théorique. Ces travaux
m´ont permis de pousser plus avant mon intérêt pour la propulsion spatiale et mon goût pour la recherche.

Sources :− Science Museum − Londres, UK
− MIT − Massachusetts, USA
− Wikipédia
− CNES Mag, N°63 Octobre 2014, article de Nicolas Arcis

Contacts :
− Gregory Emsellem, chef exécutif de The Elwing Company
− Nicolas Arcis, chef du service propulsion et pyrotechnie pour les satellites au CNES

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Les transparents de la présentation, suivis de leurs commentaires, en l'essence :

1° : Première diapositive

Présentation du sujet :

• les domaines d'application des propulseurs ioniques : correction de trajectoire, propulsion de satellites de faible poids (CubeSat)
• le principe de fonctionnement d'un propulseur ionique électrostatique à grille : propulsion d'ions grâce à une champs électrostatique qui conduit à la génération d'une force de poussée.
• les avantages liés à l'utilisation d'un propulseur ionique : excellent rendement, faibles coûts comparé aux autres solutions existantes, grande autonomie...

2° : Le plan, la démarche

 Démarche de la conduite du projet :

• Etude de faisabilité : expériences de faisabilité, tests, principalement réalisés en 1ère année
• Etablissement en parallèle du modèle (théorique) de fonctionnement du propulseur et du prototype (impression 3D) qui permettra l'étude expérimentale.
• La confrontation des résultats

 Le plan de la présentation.

 Un schéma qui présente le système de fonctionnement du prototype. Des unités de propulsions (ici deux) sont placés au bout des bras que comporte la strucutre. La structure est guidée en rotation autour d'un axe à l'aide d'une solution de liaison pivot, qui offre un couple de frottement. Une étude dynamique de la structure permettra d'obtenir par calculs la force de poussée générée par les unités de propulsion.

3°

 La réalisation du prototype :

• impression 3D
• "bras" d'accueils des 4 unités de propulsion. La force de poussée générée est schématisé par 4 flèches rouges.
• emplacements pour embarquer les composants électriques (pile et élévateur de tension)
• justification des formes : tester plusieurs solutions de guidage en rotation
• ce prototype est placé dans une cloche à vide afin d'annuler les effets de frottement de l'air

4°

 L'élévateur de tension : hacheur de type Step-Up dont le rapport cyclique détermine la tension de sortie. 9VDC sont convertis en 22.2250VDC. Ce hacheur-ci se trouve être une pièce issu de raquettes tue-mouches. Voir diapo 12 pour plus d'informations

 L'ergol : le produit qui, par son éjection, permet la génération d'une force de poussée. 

Ici, il s'agit de l'éjection de particules ioniques, les ions Na+ (Sodium) et Cl- (Chlorure) en solution aqueuse (du sel dissous dans l'eau). 

Du fait de la mise sous vide, il fallait trouver un moyen d'empêcher l’ébullition de la solution aqueuse. L'idée m'est venu d’utiliser le polyacrylate de sodium et ses propriétés ultra-absorbante. La solution ionique se trouve alors gélifié et reste stable sous vide. Je'ai pu me procurer du polyacrylate de sodium en le récupérant sur des couches de bébé, où il est utilisé pour ses propriétés absorantes.

5°

 Étude d'une première solution de guidage en rotation, inspiré des jeux pour enfants "Supermag".
Ce guidage en rotation consiste en l’association en série de de billes d'acier magnétisées.
Afin d'établir un ordre de grandeur du couple de frottement de cette solution, j'ai inculqué une vitesse de rotation initiale à la structure.
L'étude du coefficient de décroissance de la fréquence de rotation conduit, avec la connaissance du moment d'inertie (obtenu par le logiciel Solidworks), à l'obtention du moment de frottement, qui freine la structure.

6°

 Étude d'une seconde solution, inspirée des radiomètres de Crookes (contact verre - aiguille en métal)
La même démarche que précédemment a été appliqué afin d'obtenir le moment de frottement.

Malgré le fait que la première solution offre un moment de frottement 3 fois moindre que la seconde, c'est bien la seconde solution que j'ai retenu pour ce projet. En effet, les valeurs des moments de frottements demeurent du même ordre de grandeur, et la seconde solution se trouve être bien mon encombrante que la première (qui nécessite l'installation d'une potence, or la cloche à vide n'e possède qu'un faible volume). C'est donc la solution par contact verre-aiguille qui est retenue pour la suite du projet.

7°

 Réalisation de l'expérience clé de ce projet : l'expérience qui permet l'obtention la force de poussée du propulseur ionique.

La force générée par les unités de propulsion se trouve être trop faible pour surpasser la force de frottement statique. Une astuce est donc utilisé afin d'évaluer tout de même la force de poussée généré :

1 - La structure est placé dans la cloche à vide avec un fréquence de rotation initiale, propulseurs débranchés. Une webcam film l'évolution de la fréquence de rotation de la structure.
2 - La structure est placé dans la cloche à vide avec un fréquence de rotation initiale, propulseurs branchés. Une webcam film l'évolution de la fréquence de rotation de la structure.

La comparaison des deux décélérations de la fréquence de rotation permet, par connaissance du moment d'inertie et du bras de levier (la distance entre le centre et l'axe de rotation), l'obtention de la force généré par les 4 unités de propulsions. Le résultat est alors divisé par 4 afin de ramner ce résultat à la considération d'une seule unité de propulsion

Plusieurs lancés ont été effectué afin d'établir une "moyenne" du coefficient de décélération. Les mesures et la considération des erreurs de mesure ont conduit à l'établissement du résultat d'une force de poussée de 6,7µN par unité de propulsion, avec une incertitude de 2,3µN (voir Diapo 11 pour plus d'infos).

8°

• Chaîne d'énergie
• Détermination de la puissance d'entrée par mesure de la consommation du système, on "suppose" dans un premier temps un rendement de 1. Soit Pélec = Pprop = produit de la force de poussée et de la vitesse d'éjection des particules
• Application du théorème de l'énergie cinétique à une masse "m" d'ions chlorure.
• Obtention de la force de poussée et déduction d'un rendement hypothétique.

9°

 Présentation des caractéristiques du propulseur créé et étudié :

 - Débit d'éjection

 - Rapport de performance

• Performance comparée virtuelle : si un propulseur ionique était capable de générer une force de poussée de 500N, son débit d'éjection serait 100 fois plus faible que celui d'un propulseur au propergol liquide. Soit à masse égale d'ergol embarqué, le propulseur ionique possèderait une autonomie 100 fois plus importante.
• Calcul de l'impulsion spécifique du propulseur.

10°

•   Autonomie : en énergie électrique, virtuellement infini (production d'énergie solaire) ; en ergol, immense (27 ans de propulsion avec seulement 10 grammes de sel)
• Missions envisageables
• Présentation des contacts

Ici s'achève les 10 minutes de présentation (j'ai dans les faits parlé 9'53'').

J'avais également préparé quelques diapositives pouvant m'aider à répondre aux quelques questions du jury. Le jour J, aucune ne m'a servi. Les voici :

11°

 12°

 13°

 14°

 15°

Ici s'achève mon projet de TIPE de classe préparatoire.

Ce projet m'aura véritablement passionné durant ces deux ans. Comme je l’écrivais dans ma fiche synoptique, ce projet m'a permis de développer mon goût pour la recherche en plus de mon intérêt pour domaine spatial. La réalisation de ce TIPE aura été pour moi la meilleure des matières en prépa.

En plus d'être passionnant, ce projet se sera trouvé être vraiment très, très payant au vu de la note que j'ai obtenu à cet oral.

Je tiens encore une fois à remercier mes contacts : Gregory Emsellem et Nicolas Arcis, qui m'ont apporté de très précieuses informations sur les propulseurs ioniques, ainsi que Mr Gamelon, Mme Lechuga et l'équipe du labo de La Martinière Monplaisir.

À la rentrée 2016, j'aurais le plaisir de rejoindre la merveilleuse École Centrale de Nantes !

N'hésitez surtout pas à me contacter : paul.aquin@gmail.com

À bientôt !

Huitième et Neuvième expériences : Étude de la Dynamique Rotationnelle d'un Prototype de Propulseur Ionique Électrostatique à Grille, 14 octore 2015

          Une fois la structure conçue, il est devenu possible de réaliser un choix parmi les différentes solutions de liaison pivot. À terme nous étudierons la dynamique rotationnelle de la structure afin de déterminer la force générée par les propulseurs.

 

Schéma de l'expérience permettant de déterminer la force de poussée

L'évolution de la vitesse de rotation du prototype, la connaissance de son inertie (donné fourni par le logiciel Solidworks) et la caractérisation du moments de frottement nous permettront de déterminer la force de poussée générée.

La procédure que je vais vous présenter tend à connaitre les caractéristiques du frottement freinant le prototype dans son mouvement de rotation.


J'ai choisi d'étudier deux types de liaison pivot, toutes deux inspirées par des systèmes existants :

• Une liaison type "toupie supermag" : inspiré des jeux de notre enfance, cette liaison consiste en une succession de bille d'acier maintenues en contact les unes avec les autres par l'attraction magnétique générée par des barreaux aimantés :

Une toupie supermag

La liaison pivot du prototype inspirée des toupies supermag : solution par bille d'acier et aimant en néodine.

• Une liaison pivot inspirée des radiomètres de Crookes, que j'avais déjà pu évoquer dans mon précédent article : il s'agit de réaliser un contact verre-aiguille

Une radiomètre de Crookes. Source : Wikipédia  

Solution inspirée des radiomètres de Crookes

          Afin de caractériser les frottements, j'ai inculqué à chacune des solutions une vitesse initiale puis étudié la décroissance de la fréquence de rotation.

Expérience Crookes 1 : évolution du temps nécessaire à la réalisation d'un tour en fonction du temps écoulé

Expérience Crookes 2

Expérience Crookes 3

Expérience Supermag 1

Expérience Supermag 2

          Étude des résultats : traitement par la réalisation d'un programme python

J'ai pu réaliser une présentation du traitement de ces données, je vous retranscrit donc les diapositives de cet exposé commenté dans les légendes :

Les expériences suivantes seront réaliser à l'air libre : en effet, nous souhaitons dans un premier lieu donner un rapport de performance entre les deux solutions Crookes et Supermag

Bien que nous ayons put démontrer que la liaison la plus performante est la liaison de type supermag, nous choisirons de poursuivre notre étude à l'aide d'un liaison de type Crookes. En effet, celle-ci est bien plus simple à mettre en place dans l'enceinte de la cloche à vide. La cloche étant trop petit pour accueillir une potence, il nous faudrait réaliser une solution bien plus complexe, avec par exemple un puissant aimant disposé sur la partie supérieur de la cloche. Nous pouvons qualifier d'acceptable la préférence de la solution Crookes plutôt que la solution Supermag du fait que celles-ci présentent des frottements du même ordre de grandeur.

Nous réalisons à présent un expérience sous vide, nous affranchissant ainsi des frottements de l'air.

C'est un étrange résultat que nous obtenons : il semblerait que ce soient les vitesses les plus élevées qui fassent intervenir le modèle de frottement sec, et les plus faibles qui fassent intervenir le modèle de frottement fluide. Ce résultat que nous pourrions qualifier d'aberrant, je ne sais encore l'expliquer.

Ce traitement de donné nous permet de déterminer le coefficient de frottement fluide instantané en fonction de la fréquence de rotation (attention, cette fois-ci l'échelle de la fréquence de rotation est ben croissante, de gauche à droite). Nous pouvons voir que le coefficient n'est pas contant. Pour la partie la plus à droite, cela s'explique du fait de la fonction log qui intervient dans l'équation, qui ajouté à l'imprécision lors de la prise des points en fonction du temps (précision à 1/10e de seconde) donne lieu à des résultats oscillants. Pour la partie gauche, nous pouvons observer évolution linéaire : qui pourrait s'expliquer par l'inexactitude du modèle de frottement fluide appliqué à la réalité.

Une fois les propulseurs mis en marche et la prototype placé sous la cloche à vide, je l'y ais laissé 52 minutes durant. Le coefficient de frottement fluide utilisé à été pris à 1,2µN.m/s afin d'avoir un ordre de grandeur de ce coefficient, bien que ce ne soit par forcément celui-ci que nous retrouverions pour ces vitesses très faibles. J'ai pu observer grâce à une caméra une différence d'angle de 4°, mais dans le mauvais sens de rotation... Les données présentées dans cette diapositive s'appliquerait si la rotation avait eu lieu dans le bon sens. La seule explication que je peux trouver à ce phénomène, c'est que ce sont des vibrations qui ont fait bouger la structure, indépendamment de la force généré par les propulseurs. Les forces de poussées seraient trop faible pour vaincre le frottement statique.

          Les résultats obtenu avec cette expérience n'ont pas réellement permis de déterminer la force de poussée de façon rigoureuse, nous mettrons donc en place une nouvelle procédure afin de déterminer cette force avec plus de précision : Il s’agira de laisser la structure dans un mouvement de rotation, avec et sans propulseur activé, nous éviterons ainsi le problème d'un frottement statique trop élevé. La différence d'évolution de la fréquence de rotation nous permettra ainsi de caractériser la force de poussée.
 Nous tenterons également de mettre en évidence l'éjection des ions de la matrice de polyacrylate de sodium à l'aide d'une chambre à brouillard ou de papier photométrique.

Impression 3D #2 : Propulseur ionique, septembre-octobre 2015

           La pièce définitive devait répondre au cahier des charges suivant :

• Accueillir les différents composants fonctionnels (gel ionique, grilles accélératrices)
• Embarquer le système électrique du projet (élévateur de tension, piles)
• Proposer différentes liaisons pivots de faible frottement

 Pour ce qui est des liaisons pivots, j'ai décidé d'étudier 3 solutions différentes : 
 1° Une liaison pivot verre-aiguille, inspiré des radiomètre de Crookes

Radiomètre de Crookes - Source : Wikipédia

          La pièce va donc présenter un emplacement pour loger un verre de montre, ce dernier sera ensuite mis en contact avec une aiguille verticale. Afin que l’équilibre se fasse de lui même, il est dans notre intérêt de placer le centre de gravité de la pièce (représenté par un disque noir et blanc) en dessous du point de contact.

 2° Suspendre le dispositif par un fil (attaché par le petit perçage de dessus de la pièce)

3° Réaliser une suspension par chaine de bille aimanté : il s'agirait de placer un aimant un néodine dans le trou du "chapeau" de la pièce, puis ajouter une succession de billes en métal ; roulant successivement l'une sur l'autre elle réalise ainsi une liaison pivot de faible frottement (le système des toupie en Supermag)

Propulseur ionique #2.1

Vue en pointillé

Vue de dessus

Vue de dessous

Les précédentes expériences avaient soulevé un problème aussi gênant que simple : la présence de l'entrée/sortie d'air dans la cloche à vide empêche de poser des objets à plat. D'où la réalisation d'une nouvelle pièce : 

Socle propulseur ionique

Socle - Vue de dessous

 Le flux d'air est dévié autour de la base de cette pièce, et la saigné circulaire permet d'accueillir le mat et l'aiguille.

Et voilà ce que ça donne une fois imprimé :  

Propulseur ionique en pivot verre-aiguille

Septième expérience : Gel ionique, 23 septembre 2015

          Première expérience pour cette année en PT* : Le gel ionique,

La précédente expérience avait pu montrer à quel point un liquide est difficile à gérer sous vide : le dégazage systématique de la solution entraînait une projection d'eau sur les composants. 

La solution se trouve dans une idée très simple : En me rappelant les expériences que j'avais vu étant petit à la fête de la science à Lyon, je me suis souvenu du comportement extrêmement absorbant des cristaux présentes dans le couche de bébé.

Ce composant, le polyacrylate de sodium, est également utilisé pour la rétention d'eau au pied de certaines plantation. Mieux irrigués, les plantes demandent un arrosage moins fréquent.

           Mon lycée n'ayant pas de polyacrylate de sodium dans ses fonds de tiroir, j'ai décidé d'extraire ce composant directement depuis des couches de bébé :

Couche ouverte, séparation coton/polyacrylate

Polyacrylate de sodium

Eau + polyacrylate = gel humide

Gel humide de solution salée

Gel placé sous vide : aucune réaction, pas d’ébullition

          Nous avons pu observer que la capacité d'absorption du polyacrylate de sodium est moins importante pour une solution d'eau salée, mais toujours satisfaisante. 
Explications sur scienceamusante.net :
«

• Il est possible de faire la même expérience avec de l'eau contenant du sel en même proportion que dans l'urine (quelques g/L) : la vitesse d'absorption sera beaucoup plus lente car les ions contenus dans l'eau vont gêner les fonctions carboxylate R-COO^– du polymère de capter l'eau. Il faut donc utiliser plus de poudre que prévu dans une couche-culotte afin d'absorber l'urine rapidement.
• On peut noter que la réaction est réversible (avec de l'eau distillée) : si on laisse sécher lentement le gel dans un four à basse température (50°C), pendant quelques heures, on peut réutiliser la poudre pour une nouvelle expérience. Cela vient du fait que l'eau est simplement emprisonnée, mais ne réagit pas chimiquement avec le polymère ; c'est une absorption réversible.

»
 
           Bien que mes concentrations en sels soient bien supérieur à quelques g/L, l'absorption est toujours remarquable. Aussi, on apprend que récupérer la poudre composée de sel et de polyacrylate de sodium s’assimile à la cuisson des meringues (four porte ouverte, 50°C).
 Enfin et surtout, ce gel une fois placé sous vide reste neutre, aucune ébullition n'est observable bien qu'il reste humide. 

           Nous pouvons conclure qu'utiliser un "gel ionique" serait la solution à notre problème précédent : ce composant suinte de l'eau salée, laissant possible l'accélération des ions se situant en périphérie ; il n'y a pas de réaction chimique avec le polyacrylate de sodium et il est très facile de se procurer ce dernier.