ELEC 2102 Projet dlectricit 2

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ELEC 2102 Projet délectricité 2

• Physique de lélectricité
• Danielle Vanhoenacker-Janvier
• Denis Flandre
• Damien Grenier

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Objectifs du projet

• Comprendre et modéliser un dispositif électrique
• établir plusieurs modèles dun dispositif
  électrique, modèles de plus en plus précis, et
  comprendre les phénomènes physiques prépondérants
  qui y sont mis en uvre
• en interaction avec le cours INGI 2716
  (programmation C)
• initiation aux techniques de modélisation par
  éléments finis

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Sujet 2003

• Modélisation dunlanceurélectromagnétique

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Quest quun lanceur électromagnétique ?

• Il sagit de dispositifs destinés à projeter des
  objets ð Sortes de  canons électriques 
• Deux catégories de lanceurs
• canons à rails
• lanceur à induction

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Canons à rails principe

• Deux rails alimentés sous une différence de
  potentiel V et un projectile, conducteur,
  glissant entre ces deux rails
• La boucle de courant crée un champ B orthogonal
  au plan des rails
• Une force égale à BLI s exerce sur le projectile

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Canons à rails

• Avantages et inconvénients
• Concept assez simple
• Difficultés de réalisation
• contact électrique glissant entre les rails et le
  projectile ð pour des courants important, une
  feuille d aluminium est collée à larrière du
  projectile vaporisée dès que le courant circule,
  elle crée un plasma qui pousse le projectile
• une force sexerce aussi sur les rails ð problème
  de maintenir mécaniquement les rails parallèles

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Lanceur à induction principe

• Deux bobines concentriques
• La première alimentée sous une tension
  alternative crée un champ B alternatif
• La seconde est une simple spire mise en
  court-circuit elle est le siège de courants
  induits qui du fait de la loi de Lenz ont pour
  effet déloigner le projectile de la bobine
  inductrice

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Lanceur à induction

• L alimentation de la bobine inductrice se fait
  par simple décharge d un condensateur (circuit
  oscillant)
• Un guidage du projectile est nécessaire

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Applications potentielles

• Par rapport à un canon à poudre classique, les
  lanceurs électromagnétiques permettent
  datteindre des vitesses de sortie plus élevées ð
  il ny a pas de limite théorique
• 1ère application militaire pure une vitesse
  plus élevée des projectiles permet de percer des
  blindages plus épais.

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Applications potentielles

• Un lanceur électromagnétique permet de dépasser
  le seuil des 3 à 4 km/s et donc denvisager des
  lancements de satellites
• L idée nest pas récente (cf.  De la terre à la
  lune , Jules Verne, 1865)
• Un moteur dapogée reste toutefois nécessaire
  pour placer le satellite sur une trajectoire qui
  ne repasse pas par son point de départ!
• Attention aussi au problème de frottement dans
  lair contrairement à une fusée, la vitesse est
  dans ce cas maximale quand lair est dense!

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Projets étudiés aux USA dans les années 1980 -
1990

• Beaucoup de travaux financés dans ces années là
  dans le cadre du programme  Strategic Defence
  Initiative  plus connu sous le nom de
   Starwars  ð déploiement dun parapluie
  antimissile.
• Après labandon du projet, recherche
  d application civiles
• Lidée semble de nouveau dactualité en ce
  moment...

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Projets étudiés aux USA dans les années 1980 -
1990

• Lancement de satellites de moins de 100kg
• rampe de lancement de 960m inclinée à 25
  (utilisation de l effet de portance de l air)
• coût de placement en orbite estimé à 5000/kg au
  lieu de 26000/kg pour un lancement par fusée
  conventionnelle

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Projets étudiés aux USA dans les années 1980 -
1990

• Récupération doxygène à la surface de la lune
  (le régolite y contient 44 d oxygène) et envoi
  par canon électrique vers un dépôt situé au point
  de Lagrange L2
• objectif construction d un vaisseau spatial
  pour un expédition vers Mars (le carburant y
  représenterait 78 du poids du vaisseau)
• vitesse déjection 2,33 km/s
• utilisation dune source d énergie électrique
  abondante dans lespace

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Autres applications envisagées

• Les lanceurs électromagnétiques ne seraient
  rentables que pour les faibles charges utiles
• Microsatellites pour réseaux de communication et
  en particulier leur remplacement 1 à 1 quand
  détruit
• Expédition de déchets nucléaires dans lespace
  (dirigés directement vers le soleil), par petites
  quantités pour limiter les risques de pollution
  accidentelle (un lanceur électromagnétique serait
  par ailleurs a priori plus fiable quune fusée)
• Les amateurs de Science Fiction en imagineront
  facilement dautres...

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Sujet 2003

• Ce quon vous demande de concevoir et réaliser

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Les lanceurs UCL...

• Les lanceurs électromagnétiques qui seront
  étudiée et réalisés durant lannée 2003 sont
• des lanceurs à induction
• montés sur un noyau en fer (profils en E)ð on
  travaillera à un niveau de puissance relativement
  faible de telle sorte que leffet de
  concentration des champs magnétique par des
  matériaux à forte perméabilité joue son plein
  effet
• lançant des projectiles dans différents
  matériaux (cuivre, aluminium, acier).

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Les lanceurs UCL...

• Chaque groupe se voit imposer
• la dimension du profil en E de base
• la nature du matériau et les dimensions du
  projectile
• et doit chercher à optimiser le rapport de
  conversion dénergie, à savoir le rapport entre
  lénergie électri-que initiale (stockée dans le
  banc de condensateur et de valeur identique pour
  tous les groupes) et lénergie mécanique fournie
  (énergie cinétique de sortie)

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Les lanceurs UCL...

• Paramètres sur lesquels on peut agir
• dimension, nombre de spires et diamètre des
  conducteurs de la bobine inductrice
• capacité totale C du banc de condensateur et de
  sa tension de charge V (à ½ CV² constant!)

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Travail à réaliser (dici Pâques)

• Modélisation du lanceur par éventuellement
  plusieurs approches
• modèle de réluctance
• modèle par éléments finis
• modèle circuit dont la valeur des éléments a été
  déterminé par le modèle de réluctance ou le
  modèle éléments finis
• Recherche de linfluence des différents
  paramètres et définition dun optimum

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Validation (après Pâques)

• Réalisation dun lanceur selon vos plans
• Essai et mesure de la vitesse de sortie obtenue
• Rédaction du rapport, comparaison entre le
  résultat prédit et le résultat obtenu.

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Informations

• transparents disponibles sur le site
  FSA/ELEC/EMIC puis dans cours
• logiciel déléments finis utilisé GETDP,
  disponible à ladresse http//www.geuz.org/getdp
• logiciel de maillage GMSH, disponible à
  ladresse http//www.geuz.org/gmsh
• relire le chapitre sur les circuits
  magnétiques...

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Organisation

• Les délégués fournissent la liste des groupes
  pour jeudi 30/1 18h
• Mélange ELEC/ELME par groupe obligatoire car
  seuls les ELEC ont suivi le cours complet
  ELEC2350
• Prochaine séance lundi 3/2/03 même local, remise
  des documents et des paramètres
• Encadrement de chaque groupe par des assistants.

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The end

• BON TRAVAIL!