A MEMS-based solid propellant microthruster array for space and military applications

Since combustion is an easy way to achieve large quantities of energy from a small volume, we developed a MEMS based solid propellant microthruster array for small spacecraft and micro-air-vehicle applications. A thruster is composed of a fuel chamber layer, a top-side igniter with a micromachined nozzle in the same silicon layer. Layers are assembled by adhesive bonding to give final MEMS array. The thrust force is generated by the combustion of propellant stored in a few millimeter cube chamber. The micro-igniter is a polysilicon resistor deposited on a low stress SiO2/SiNx thin membrane to ensure a good heat transfer to the propellant and thus a low electric power consumption. A large range of thrust force is obtained simply by varying chamber and nozzle geometry parameters in one step of Deep Reactive Ion Etching (DRIE). Experimental tests of ignition and combustion employing home made (DB+x% BP) propellant composed of a Double-Base and Black-Powder. A temperature of 250 therefore degrees C, enough to propellant initiation, is reached for 40 mW of electric power. A combustion rate of about 3.4 mm/s is measured for DB+20% BP propellant and thrust ranges between 0.1 and 3,5 mN are obtained for BP ratio between 10% and 30% using a microthruster of 100 mu m of throat wide

Tuning the Reactivity of Nanoenergetic Gas Generators Based on Bismuth and Iodine oxidizers

There is a growing interest on novel energetic materials called Nanoenergetic Gas- Generators (NGGs) which are potential alternatives to traditional energetic materials including pyrotechnics, propellants, primers and solid rocket fuels. NGGs are formulations that utilize metal powders as a fuel and oxides or hydroxides as oxidizers that can rapidly release large amount of heat and gaseous products to generate shock waves. The heat and pressure discharge, impact sensitivity, long term stability and other critical properties depend on the particle size and shape, as well as assembling procedure and intermixing degree between the components. The extremely high energy density and the ability to tune the dynamic properties of the energetic system makes NGGs ideal candidates to dilute or replace traditional energetic materials for emerging applications. In terms of energy density, performance and controllability of dynamic properties, the energetic materials based on bismuth and iodine compounds are exceptional among the NGGs. The thermodynamic calculations and experimental study confirm that NGGs based on iodine and bismuth compounds mixed with aluminum nanoparticles are the most powerful formulations to date and can be used potentially in microthrusters technology with high thrust-to-weight ratio with controlled combustion and exhaust velocity for space applications. The resulting nano thermites generated significant value of pressure discharge up to 14.8 kPa m3/g. They can also be integrated with carbon nanotubes to form laminar composite yarns with high power actuation of up to 4700 W/kg, or be used in other emerging applications such as biocidal agents to effectively destroy harmful bacteria in seconds, with 22 mg/m2 minimal content over infected area

Microsystème de propulsion a propergol solide sur silicium : application au controle d'assiette de micro-drone

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 Head office for Armament (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.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 micro-usinée 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

Structural and electronic properties of doped oligothiophenes in the presence of p-toluenesulfonate acids

We investigate the geometric and electronic structure of singly oxidized oligothiophenes in the presence of the counterion named p-toluenesulfonate acid (p-TSA) by performing ab initio density functional theory calculations using Becke-Half-and-Half-Lee-Yang-and-Parr hybrid functional on chains of up to 12 thiophene rings. Different possibilities of positioning the counterion along the conjugated chain are studied. The calculations indicate that the side orientation is the most stable structure of pTh/pTSA complex. Further, the influence of the counterion on the charge distribution and structural geometry of charged oligothiophenes is also investigated. In the last part of the work, the solid-state packing effects are considered by studying the stacking of two conjugated chains in the presence of two counterions. Our results are consistent with several experimental observations on similar conjugated polymers

Modeling and design of an ultra low-power NEMS relays: application to logic gate inverters

International audienceIn this work we propose a design based on a nanoelectromechanical relay acting as a logic gate inverter. The proposedinverter is made of a double cantilever nanobeam actuated by a fixed central electrode carrying the input signals. The staticand dynamic behaviors of the ohmic nanoinverter gate are investigated using an electromechanical mathematical modelthat fully incorporates nonlinear form of the electrostatic force and the ohmic contact of the nanobeams’ tip with the fixedoutput electrode. The derived electromechanical model is used for electrical and energy analysis. Simulations are used toconfirm the functionality of the inverter. The analysis of the switching energy showed very low power consumptioncompared to classical CMOS inverters. It is shown that the proposed inverter dissipates only 0.45 fJ to code a ‘‘1’’ logicstateand 0.023 fJ to code a ‘‘0’’ logic-state

Approche expérimentale de l’élasticité d’ordre supérieur par la diffraction de rayons X mous

International audienceIl est bien établi que la réduction de la taille des structures mécaniques rend leur rapport surface/volume beaucoup plus important que pour les objets habituels, de sorte que leur capacité à interagir avec leur environnement est considérablement augmentée. Ce phénomène a été particulièrement utilisé dans le développement des capteurs micromécaniques, où un changement d’énergie de surface sur un côté d’une<br&gtpoutre induit sa déflexion. Bien que ce phénomène ait été mis en évidence pour un large éventail de molécules, la modélisation de la réponse mécanique d’une structure micromécanique à un changement d’énergie de surface a été peu étudiée. Il a été démontré que l’élasticité au second-gradient de la déformation fait naturellement apparaître l’équivalent de la tension de surface pour les solides, et semble donc<br&gtparticulièrement adaptée pour modéliser la déformation des solides soumis à un changement d’énergie de surface. La loi constitutive est cependant assez complexe, de sorte que l’identification expérimentale des paramètres constitutifs est un défi à relever. Les premiers résultats d’une approche originale sont rapportés dans ce document

Approche expérimentale de l’élasticité d’ordre supérieur par la diffraction de rayons X mous

International audienceIl est bien établi que la réduction de la taille des structures mécaniques rend leur rapport surface/volume beaucoup plus important que pour les objets habituels, de sorte que leur capacité à interagir avec leur environnement est considérablement augmentée. Ce phénomène a été particulièrement utilisé dans le développement des capteurs micromécaniques, où un changement d’énergie de surface sur un côté d’une<br&gtpoutre induit sa déflexion. Bien que ce phénomène ait été mis en évidence pour un large éventail de molécules, la modélisation de la réponse mécanique d’une structure micromécanique à un changement d’énergie de surface a été peu étudiée. Il a été démontré que l’élasticité au second-gradient de la déformation fait naturellement apparaître l’équivalent de la tension de surface pour les solides, et semble donc<br&gtparticulièrement adaptée pour modéliser la déformation des solides soumis à un changement d’énergie de surface. La loi constitutive est cependant assez complexe, de sorte que l’identification expérimentale des paramètres constitutifs est un défi à relever. Les premiers résultats d’une approche originale sont rapportés dans ce document