Microsystème de propulsion à propergol solide sur silicium : application au contrôle d'assiete de micro-drone

• Auteur / Autrice : Amar Chaalane
• Direction : Carole Rossi, Daniel Estève
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, technologie des composants pour l'électronique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique

Drones

Microactionneurs

Propulsion par réaction

Propergols

Mots clés libres

Micropropulsion

Micro initiateur thermique

Micro combustion

Propergol solide

Pyro MEMS

Usinage céramique

Résumé

Les travaux de cette thèse ont porté sur la conception, la réalisation et la caractérisation de matrices de micro-propulseurs à propergol solide intégrés sur silicium. Ces structures sont dédiées la stabilisation de drone miniature et pouvant aussi être utilisées pour la propulsion des Micro/Nano-Satellites. Les travaux se sont effectués dans le cadre d'un projet financé par la Direction Générale pour l'Armement (DGA) en collaboration entre le LAAS-CNRS et la société PROTAC du groupe THALES. Le principe de fonctionnement d'un micropropulseur repose sur l'initiation thermique d'un matériau pyrotechnique de type propergol introduit dans la cavité des micropropulseurs. Une fois soumis à une polarisation de type courant, une résistance microusinée sur une membrane diélectrique très fine chauffe le propergol par effet Joule jusqu'à initié de l'auto-combustion. Les gaz générés vont traverser la micro-tuyère et fournir la poussée. Après avoir évalué les besoins en propulsion pour la stabilisation d'un drone miniature en vol, nous avons opté pour la micropropulsion à propergol solide qui présente de nombreux avantages pour l'application visée : c'est une technologie simple, nécessitant peu de puissance de fonctionnement (quelque 100mW) et qui est adaptable facilement au besoin de la mission. Les forces générées sont réglables entre quelques 100µN jusqu'au N en modifiant seulement - pour un type utilisé de propergol - la dimension du col de tuyère. Au cours de ce manuscrit de thèse, nous présenterons tout d'abord les spécifications de la DGA qui ont guidées nos conceptions, nous présenterons ensuite la technologie de fabrication et d'assemblage mis en œuvre au sein de la centrale technologique du LAAS. Et en fin, les résultats de caractérisation qui valident le fonctionnement et la gamme de poussée accessible par cette technologie seront donnés.

This work concerns the conception, the realization and the characterization of solid propellant microthruster array integrated on silicon. These MEMS devices are devoted the stabilization of small drone and also be used as propulsion module for Micro/Nano-Satellites. This study was made within a national project financed by the French Military Agency (Direction Générale pour l'Armement 'DGA') in partnership between the LAAS-CNRS and the PROTAC of THALES group. The concept is based on the high rate combustion of solid propellant or explosive stored in a micromachined chamber. The ignition process is insured by heating effect of a polysilicon resistor micromachined on thin membrane. The generated gases are accelerated throw the micro-nozzle and supply the thrust force. In a first step, we estimated the propulsion forces needed for stabilize the small drone in flight. He solid propellant micropropulsion mode is chosen because it is not complicated technology, need low power supply and generate a large rang of trust. For a specified energetic material, the generated force is adjustable from few 100µN to N simply by modifying the nozzle throat dimension. In this manuscript, we present first of all, the DGA specifications used for conception, the technology of manufacturing and assembly developed at LAAS. Finally, the thrust characterization results are given.