Le projet de lanceur électromagnétique à rail et l’alimentation par SMES

17/10/2015
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Publication 3EI 3EI 2015-82
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2015-82:14140
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Résumé

Le projet de lanceur électromagnétique à rail et  l’alimentation par SMES

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Le projet de lanceur électromagnétique à rail et l’alimentation par SMES La Revue 3EI n°82 Octobre 2015 Thème 17 Le projet de lanceur électromagnétique à rail et l’alimentation par SMES J. CICÉRON, P. TIXADOR*, P. LEHMANN**, A. BADEL*, M. AMIET*** * Institut Néel, G2ELab CNRS/G INP/UJF Bât E 25 rue des Martyrs, 38 042 Grenoble Cedex 09 - France ** ISL, 5 rue du Général Cassagnou - BP 70034, 68 301 SAINT-LOUIS Cedex - France *** DGA/DET/CEP, 7-9 rue des Mathurins, 92 221 Bagneux Cedex – France jeremie.ciceron@g2elab.grenoble-inp.fr MOTS-CLES – Lanceur électromagnétique, SMES, système d’alimentation impulsionnel, supraconducteurs haute température critique, S3EL. 1. Introduction La DGA soutient depuis 2004 un projet de lanceur électromagnétique alimenté par SMES. Pour cela, elle a réunis les compétences de l’Institut Saint Louis, spécialistes des lanceurs à rails, et du département application de la supraconductivité du CNRS Grenoble. Cette technologie continue d’être développée pour la DGA dans le cadre du projet BOSSE, commencé en décembre 2014. 2. Lanceur électromagnétique à rails 2.1 Description Les lanceurs électromagnétiques à rails sont constitués de deux rails conducteurs, parcourus par un courant I, entre lesquels se trouve un projectile comportant une ou plusieurs parties conductrices et pouvant glisser le long des rails (Figure 1). Sous l'action du champ magnétique créé par I, le projectile est soumis à la force de Laplace telle que : ⃗ = ⃗ × ⃗ ................................................(1) où  est la distance entre les rails et B l'induction magnétique au niveau du projectile. L'amplitude F de cette force appliquée au projectile est donnée par la relation fondamentale (2) où L' est le gradient d'inductance des rails selon l'axe longitudinal du lanceur: = = ...................................(2) Figure 1 : schéma d’un lanceur électromagnétique à rails et lanceur à rails PEGASUS de 10 MJ. Ces lanceurs permettent d’accélérer des projectiles jusqu'à des vitesses de plus de 2000 m/s avec des impulsions de courant ayant des valeurs maximales de quelques centaines de kA à quelques MA. Dès 1984, l'ISL a lancé des travaux de recherche exploratoire sur l'intérêt des lanceurs électriques et sur l'opportunité de démarrer un programme de recherche sur le sujet. À partir de 1995 l'ISL a conçu puis construit un lanceur à I I B B B I F rail projectile Résumé : Les lanceurs électromagnétiques à rails autorisent des vitesses extrêmement élevées, au- delà de 2000 m/s surclassant les canons à poudre. Cet article développe l’alimentation par une bobine supraconductrice qui constitue une source impulsionnelle de courant particulièrement bien adaptée. Les aimants supraconducteurs sont abordés, leur limite en énergie spécifique entre autres. Les gains potentiels de cette solution par rapport aux capacités utilisées actuellement sont exposés, l’énergie de départ est bien réduite pour un projectile et une vitesse donnés. Le travail réalisé pour le programme de développement de la DGA avec des laboratoires Grenoblois sur ce stockage magnétique supraconducteur est exposé. Les projets en cours dans le cadre du projet BOSSE pour poursuivre ce programme sont présentés. Le projet de lanceur électromagnétique à rail et l’alimentation par SMES La Revue 3EI n°82 Octobre 2015 Thème 18 rails de moyen calibre (≤ 50 mm) de 6 m de long [1, 2]. Ce lanceur, PEGASUS, a été opérationnel début 1998. Il est alimenté par une source d’énergie capacitive modulaire composée de 200 modules 50kJ. Celle-ci est distribuée le long du tube du lanceur et l'injection du courant est synchronisée avec le passage du projectile (alimentation appelée "distribution spatio-temporelle de l'énergie" dite "DES"). Le courant dans les rails monte jusqu’à 1MA. 2.2 Alimentation 2.2.1 Solution actuelle Un lanceur électromagnétique est pratiquement un court-circuit surtout au début du tir. En première approximation, la résistance et l’inductance du lanceur sont en effet proportionnelles à la distance (x) du projectile par rapport à sa position initiale. Une source de type inductive est donc obligatoire. Pour pouvoir utiliser une capacité, un circuit de mise en forme est par conséquent indispensable. Il s’agit d’une inductance et d’une diode dite de « crowbar » (Figure 2). L’inductance possède une résistance R. L’énergie de la capacité est transférée à cette inductance qui alimente ensuite le lanceur. La résistance R entraîne des pertes qui sont importantes pour les petits lanceurs, mais beaucoup moins pour les gros lanceurs. Figure 2 : alimentation d’un lanceur avec une capacité comme source impulsionnelle. 2.2.2 Inductance supraconductrice C’est finalement une inductance qui alimente le lanceur dans le cas de capacités comme source impulsionnelle (Figure 2). Dans ces conditions, pourquoi ne pas utiliser directement une inductance comme source ? Il faut par contre que la constante de temps de l’inductance soit suffisamment élevée pour que son énergie soit transférée au lanceur et non transformée en effet Joule. Une inductance supraconductrice serait-elle la solution ? Pour répondre à cette question, nous allons présenter les bobines supraconductrices comme système de stockage puis les travaux menés dans ce domaine avec la DGA. 3. Bobine supraconductrice - SMES 3.1 Présentation Une inductance supraconductrice (inductance propre L) court-circuitée stocke de l'énergie magnétique (Wmag) via le courant (I) qui reste constant puisque la résistance du supraconducteur est nulle. Wmag  1 2 L I2  1 2 B H dxdydz Espace  (3) Une bobine supraconductrice soigneusement court- circuitée supérieure peut présenter une constante de temps de 105 ans [3]. La même bobine en cuivre à 300 K, aurait une constante de temps de 20 µs. La supraconductivité est donc indispensable pour un stockage magnétique sur des durées supérieures au 10ième de seconde. Quand le court-circuit est ouvert, l'énergie stockée est transférée en totalité ou en partie à la charge en réduisant le courant de la bobine. Ce dispositif de stockage magnétique est généralement désigné sous son acronyme anglais : SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage [4.5]). Un SMES est une source de courant. C’est le dual d'un condensateur, source de tension. Trois éléments principaux composent un SMES comme source impulsionnelle: aimant supraconducteur avec sa structure mécanique pour reprendre les forces de Lorentz, système cryogénique (cryostat (enceinte cryogénique), cryoréfrigérateur y compris son compresseur, …), contrôle/commande/régulation de l’ensemble (cycles de fonctionnement, cryogénie, protection de l'aimant, …). 3.2 Performances Les véritables limites de l'énergie stockée dans un SMES sont la reprise des forces considérable de Lorentz liée à l’induction magnétique et aux fortes densités de courant dans les supraconducteurs, ainsi que la stabilité de l’aimant. Le théorème du Viriel [6] donne une relation entre le poids de la structure mécanique qui reprend les forces d’un aimant et l’énergie magnétique (Wmag) de cet aimant. La limite ultime est donnée lorsque toute la structure travaille uniquement en traction. L’expression de la masse minimale est alors : M min  d  Wmag (4)  : contrainte de traction admissible ; d : densité du matériau de structure. Pour une contrainte de 100 MPa dans l’acier, le théorème du viriel donne une valeur ultime d'énergie stockée par unité de masse de 12,5 kJ/kg. Des contraintes supérieures à 100 MPa sont possibles, mais l'énergie massique sera toujours limitée à quelques dizaines de kJ/kg. Le diagramme de Ragone (Figure 3), compare la puissance et l'énergie par unité de masse pour les SMES et d’autres technologies plus mûres. Pour les SMES, la zone grise indique les valeurs atteintes actuellement. La zone noire couvre des valeurs théoriquement possibles, mais qui nécessitent des recherches et des développements. Si un SMES ne stocke qu’une densité massique d’énergie modérée, il peut libérer l’énergie dans un temps extrêmement Circuit de mise en forme Lanceur L  dL dx x R  dR dx x Le projet de lanceur électromagnétique à rail et l’alimentation par SMES La Revue 3EI n°82 Octobre 2015 Thème 19 court. La puissance par unité de masse n'a pas de limite théorique et est donnée par le produit du courant de l'aimant et de la tension maximale admissible. Pour atteindre des puissances élevées, des courants importants et une excellente isolation électrique sont donc indispensables. Ces caractéristiques font des SMES des sources de puissance et non d’énergie. Le SMES se place résolument pour les puissances élevées et des temps de décharge courts. C’est une source impulsionnelle d'énergie très bien adaptée au lanceur électromagnétique. Figure 3 : Diagramme de Ragone pour les SMES, batteries, volants d’inertie et capacités 4. Alimentation directe par un SMES Pour toutes les raisons exposées précédemment, le SMES convient tout particulièrement comme source d'énergie pour le lanceur électromagnétique. Le rendement de conversion d'énergie avec un SMES est plus élevé comparé aux capacités puisqu’il n’y a plus de pertes dans le circuit de mise en forme. Le principe est simple : la source primaire charge l’aimant. Une fois chargé, le SMES est court-circuité et le projectile est mis dans le lanceur. Il suffit alors d’ouvrir l’interrupteur pour déclencher le tir. Le choix de l’énergie initiale du SMES est un paramètre important. Il est intéressant de surdimensionner le SMES en énergie pour que le courant varie peu lors de la décharge pour maintenir une poussée régulière (Eq. (2)) pendant tout le tir. Pour augmenter le courant de décharge d’un SMES, l’aimant peut être subdivisé en plusieurs bobines chargées en série et déchargées en parallèle [7]. C’est le principe d’alimentation XRAM. Plusieurs calculs ont été menés pour quantifier les gains potentiels de l’alimentation directe par SMES. Ils sont regroupés dans le tableau 1 en considérant un petit et un « gros » lanceur. Deux hypothèses ont été étudiées avec le SMES : même énergie initiale (Wcapa = WSMES) ou bien même courant maximum. Le gain apporté par le SMES apparaît nettement sur le rendement énergétique du système. En fait ce gain est important avant tout pour le dimensionnement de la source initiale, peu surdimensionnée par rapport au besoin réel, l’énergie cinétique du projectile. C’est d’autant plus important que l’énergie volumique ou massique d’un SMES reste modérée. Ce point est cependant à nuancer puisque pour maintenir une poussée importante pendant tout le tir, il est préférable de surdimensionner le SMES en énergie. L’énergie dissipée n’est pas vraiment la grandeur pertinente puisqu’il faut considérer l’énergie pour le système de refroidissement d’un SMES. Celle-ci est rapidement élevée : un cryoréfrigérateur « classique » consomme 7 kW soit 25,2 MJ/heure. Petit lanceur (Wcinétique = 1,4 kJ) Gros lanceur (Wcinétique = 800 kJ) Capas SMES Capas SMES Wo (MJ) Imax (kA) Wdis (kJ) 0,11 160 108 0,11 60 30 0,03 160 28 3 800 2100 10 435 630 2,5 800 750 Tableau 1 : Performances comparées de lanceurs alimentés par capacité ou SMES. 5. Projet DGA/CNRS/ISL Compte tenu des potentialités militaires des SMES notamment pour les lanceurs électromagnétiques à rails, la DGA a mené un programme important dans le domaine. Il s’est décliné en deux phases :  Phase 1 (2004 – 2007) avec Nexans et le CNRS pour développer la technologie de base des SMES avec des supraconducteurs à haute température critique, qui a permis la construction d’un SMES de 800kJ en rubans BiSrCaCuO [8]. Ce SMES (SMES I) était refroidi à 20 K par conduction thermique.  Phase 2 (2008-2011) avec l’ISL et le CNRS pour développer notamment les SMES adaptés aux lanceurs, optimiser la chaîne d’alimentation et améliorer la densité d’énergie des SMES. Dans la phase 2, nous avons modifié profondément les SMES I [9] pour avoir deux enroulements indépendants (Figure 4), pour pouvoir les décharger séquentiellement et modéliser un lanceur à distribution spatio-temporelle. Un des deux enroulements permettait de connecter trois sous enroulements en série ou en parallèle pour tester le procédé XRAM de multiplication du courant. 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10 4 10 5 0,01 0,1 1 10 100 1000 Puissancespcifique(kW/kg) Energie spcifique (Wh/kg) Super capacits Batteries Capacits dilectriques SMES Batteries Volant inertie Énergie spécifique (Wh/kg) Le projet de lanceur électromagnétique à rail et l’alimentation par SMES La Revue 3EI n°82 Octobre 2015 Thème 20 Figure 4 : SMES II avec deux enroulements électriquement indépendants La phase 3 du projet vient de démarrer dans le cadre du projet BOSSE (2014-2017). Ce projet a pour objectif la fabrication de deux démonstrateurs technologiques différents. D'une part un SMES à forte densité d'énergie, D'autre part, un concept innovant d'un SMES couplé à un lanceur, dénommé S3EL pour Self Supplied Superconducting Electromagnetic Launcher. 5.1. SMES haute densité d’énergie L'objectif de ce démonstrateur est d'améliorer la densité d'énergie massique des SMES et de battre le record de densité d'énergie d'un aimant supraconducteur, record détenu actuellement par un détecteur pour l'astrophysique 13,4 kJ/kg [10] (550 kJ / 41 kg pour l’aimant). Nous utiliserons pour cela des conducteurs supraconducteurs haute température critique de seconde génération de type ReBCO (Rare Earth Baryum Cuivre Oxygène), refroidis à 4,2°K. Ces conducteurs sont aujourd'hui les plus performants à haut champ disponibles en grandes longueurs. Néanmoins, à cause de la structure cristalline 2D des supraconducteurs Rebco, le courant critique de ces conducteurs dépends très fortement de l'orientation du champ magnétique par rapport à la surface du ruban. Par exemple à 10T à 4.2°K, on a un courant critique de 4600A/cm si le champ B est orienté parallèlement au ruban (champ longitudinal) et seulement de 800A/cm si le champ est perpendiculaire au ruban (champ transverse), soit une différence de facteur 6 (Figure 5). Cette forte anisotropie du conducteur impacte nos choix de design. Il est bien connu [11] que pour un matériau isotrope, la géométrie de bobinage qui permet d'obtenir la meilleure densité d'énergie est le solénoïde. Cependant, dans notre cas, pour pouvoir tirer parti des performances exceptionnelles de transport de courant des rubans ReBCO, il est préférable de minimiser la composante transverse du champ B auquel sont soumis les conducteurs. C'est pourquoi nous nous orientons vers l'étude d'une bobine toroïdale plutôt que solénoïdale (figure 6). Figure 5 : Courant critique d’un ruban ReBCO à 4.2°K en fonction de l’angle Ө entre le champ B et la normale au ruban. Figure 6 : Pré-design du SMES II (diamètre total : 633mm) 5.2. Démonstrateur S3EL Le concept S3EL (Figure 7), breveté par la DGA et le CNRS [12], est un lanceur électromagnétique alimenté par SMES, mais a ceci de particulier que le SMES est un dipôle parallèle aux rails du lanceur. Ceci a pour avantage que le champ B généré par le SMES est utile pour augmenter l’induction magnétique entre les rails (principe du lanceur dit « augmenté »). On peut ainsi réduire considérablement le courant de fonctionnement du lanceur pour une même accélération du projectile. Un autre avantage du S3EL est qu’il permet de récupérer dans le SMES une partie de l’énergie de magnétisation des rails une fois le tir effectué et ainsi d’améliorer le rendement énergétique du tir. Le projet de lanceur électromagnétique à rail et l’alimentation par SMES La Revue 3EI n°82 Octobre 2015 Thème 21 Figure 7 : schéma de principe du lanceur S3EL 6. Conclusion Les lanceurs électromagnétiques à rails permettent d’envoyer des projectiles à plus de 2000 m/s. Les solutions actuelles pour leur alimentation ne sont pas pleinement satisfaisantes notamment en termes d’encombrement. Un aimant supraconducteur constitue une source impulsionnelle de courant bien adaptée au lanceur. De nombreux défis demeurent pour développer la technologie existante et explorer de nouvelles solutions. Références [1] P. Lehmann, H. Peter, J. Wey, "First Experimental Results with the ISL 10 MJ DES Railgun PEGASUS", IEEE Trans. On Magnetics, vol. 37, 2001, pp. 435-439. [2] P. Lehmann, Les lanceurs électromagnétiques à rails de l’Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis, La Revue de l'Électricité et de l'Électronique (REE), 2000, pp. 88-93. [3] J. File, R.G. Mills, "Observation of persistent current in a superconducting solenoid", Physical Review Letters, vol. 10, 1963, pp. 93-96. [4] W. Hassenzahl, “Superconducting Magnetic Energy Storage”, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 25, 1989, pp. 750-758. [5] C. A. Luongo, "Superconducting Storage Systems: an overview", IEEE Transactions on Magnetics, vol. 32, 1996, pp. 2214-2223. [6] F. C. Moon, “The virial theorem and scaling laws for superconducting magnet systems”, Journal Applied Physics, vol. 53, 1982, pp. 9112-9121. [7] P. Dedié, V. Brommer, A. Badel, P. Tixador, Three-Stage Superconducting XRAM Generator, To be published in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, August 2011. [8] P. Tixador, B. Bellin, M. Deleglise, J.C. Vallier, C.E. Bruzek, S. Pavard, J.M. Saugrain, “Design of a 800 kJ HTS SMES”, IEEE Trans¬actions on Applied Superconductivity, vol. 17, 2007, pp. 1707-1710. [9] A. Badel, P. Tixador, K. Berger, M. Deleglise, “Design and preliminary tests of a twin coil HTS SMES for pulse power operation”, Superconductor Science and Technology, vol. 24, 2011, 055010. [10] A. Yamamoto, Y. Makida, H. Yamaoka, H. Ohmiya, K. Tanaka, T. Haruyama, T. Yoshida, K. Yoshimura, S. Matsuda, K. Kikuchi, Y. Ootani, and S. Mizumaki, “A Thin Superconducting Solenoid Magnet for Particle Astrophysics”, IEEE Transaction on Applied Superconductivity, vol. 12, 2002, pp. 438-441. [11] W. Hassenzahl, “A comparison of the conductor requirements for energy storage devices made with ideal coil geometries,” IEEE Trans. Magn., vol. 25, no. 2, pp. 1799–1802, Mar. 1989. [12] A. Badel, P. Tixador, M. Amiet,"Optimized use of superconducting magnetic energy storage for electromagnetic rail launcher powering" Supercond. Sci. Technol. 25 (2012) 014006 (9pp).