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Tout savoir sur la propulsion spatiale électrique

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Tout savoir sur la propulsion spatiale électrique

© ESA

Enjeu majeur pour le spatial, la consommation de carburant est souvent un frein aux missions. Remplacer les moteurs chimiques par des propulseurs électriques s’avère une étape décisive dans le développement des constellations de microsatellites. Pour tout comprendre à ce champ de recherche, découvrez l'éclairage détaillé de Stéphane Mazouffre, directeur de recherche au CNRS qui supervise actuellement les travaux de recherche du laboratoire Icare, à Orléans, dédié à la propulsion spatiale à plasma.

Objets de recherche depuis les années 1960, mis ensuite de côté, les propulseurs spatiaux électriques connaissent un retour en grâce. Ils produisent une poussée, certes plus faible que leurs homologues chimiques, mais nécessitant nettement moins de carburant. C’est l’un des enjeux majeurs des développements actuels dans le spatial. En effet, que ce soit pour positionner avec précision les constellations de microsatellites ou pour permettre aux sondes d’effectuer des missions plus longues dans notre système solaire, ce mode de propulsion augmente l’autonomie des appareils ainsi que leurs charges utiles. Plusieurs technologies commencent à se démarquer. Les recherches se poursuivent pour améliorer les performances des propulseurs et, surtout, les miniaturiser.

La propulsion électrique, encore appelée propulsion à plasma ou propulsion ionique, englobe un ensemble de technologies utilisées pour déplacer des satellites et des sondes dans l’espace. Les premiers travaux dans ce domaine datent du début des années 1960. Depuis cette époque, les technologies se sont grandement perfectionnées, les performances se sont améliorées et de nombreux concepts ont émergé. Ce mode de propulsion, longtemps réservé aux satellites de télécommunications, connaît aujourd’hui une expansion rapide portée par l’avènement du New Space et la montée en puissance des constellations. La propulsion électrique (PE) se différencie de la propulsion chimique, plus connue car installée sur les lanceurs et les missiles, du fait que l’énergie à l’origine de la force de poussée n’est pas contenue dans le carburant embarqué. On parle alors d’une source d’énergie externe. Cela peut sembler abstrait mais séparer la matière qui est éjectée de l’énergie qui l’expulse conduit à révolutionner le voyage spatial.

1. Principe : maîtriser l’apport d’énergie

La propulsion électrique, comme sa contrepartie chimique, génère une force propulsive grâce au principe de la conservation de la quantité de mouvement. L’éjection de masse dans une direction donnée induit un déplacement dans la direction opposée. Cette loi fondamentale de la physique permet de dériver l’équation qui gouverne la propulsion, ou équation de Tsiolkovski. Elle relie la vitesse du véhicule, sa masse, la masse de carburant et sa vitesse d’éjection. Malgré son apparente simplicité, cette équation est très riche. Elle explique notamment qu’il existe deux options pour qu’un vaisseau atteigne une grande vitesse : soit expulser une grande quantité de matière, soit éjecter de la matière avec une vitesse élevée. à faible vitesse d’éjection, la masse de carburant nécessaire au déplacement de l’engin est proche de la masse totale, ce qui est extrêmement contraignant. à l’opposé, une grande vitesse d’éjection permet de réduire de façon significative la fraction de carbu­rant à utiliser. La propulsion chimique, solide et liquide, est fondamentalement limitée par l’énergie stockée dans l’ergol sous forme de liaisons chimiques. En effet, la conversion d’énergie chimique en énergie cinétique, via une réaction de combustion, ne permet pas d’aller au-delà de 5 300 m/s. La propulsion électrique, qui convertit l’énergie électrique en énergie cinétique de particules chargées, est théoriquement illimitée en densité d’énergie. En conséquence, l’ultime limite pour la vitesse d’éjection de la matière est la vitesse de la lumière.

La PE se distingue par une très faible consommation de carburant. Cette caractéristique peut être mise à profit de plusieurs façons. En réduisant la masse et la taille du véhicule, la propulsion électrique induit une baisse importante du coût de lancement. La masse de carburant économisée peut être convertie en charge utile embarquée, ce qui augmente la rentabilité ou les capacités du véhicule. Finalement, la faible consommation de carburant conduit à une très longue durée de tir, ce qui autorise des manœuvres et des missions inenvisageables avec la seule propulsion chimique. La poussée produite par les propulseurs électriques est très faible, de quelques dizaines ou centaines de millinewtons (mN), alors que les moteurs chimiques peuvent délivrer plusieurs méganewtons (MN). Mais la propulsion électrique n’est pas intrinsèquement limitée en poussée. C’est la puissance disponible à bord du vaisseau qui détermine in fine la poussée générée. Aujourd’hui, la puissance électrique est produite par des panneaux solaires et éventuellement stockée dans des batteries pour une restitution lors des phases d’éclipse. La taille et la masse des panneaux solaires étant contraintes, un véhicule spatial dispose au maximum de quelques dizaines de kilowatts (kW) électriques à bord, une puissance très inférieure à ce qui peut être atteint en propulsion chimique.

Par comparaison, le lanceur Falcon 9 de Space X développe 19 GW de puissance instantanée au décollage. Un faible niveau de poussée a pour répercussion directe une durée de manœuvre orbitale longue. Cette caractéristique des propulseurs électriques actuels est contraignante, cependant elle n’empêche pas d’atteindre une vitesse finale élevée, donc de réaliser des missions exigeantes. La condition est que le propulseur fonctionne durant un temps très long. La durée de vie du système propulsif, qui est fonction de l’usure et de la détérioration de composants, devient alors un paramètre essentiel. Par conséquent, les technologies de propulsion électrique doivent être fiables, stables en performances et démontrer une probabilité de panne proche de zéro sur de longues périodes pouvant excéder plusieurs années.

2. Technologies : trois familles de propulseurs

L’ensemble des technologies de propulsion électrique pour les véhicules spatiaux repose sur la création d’un état plasma. Cet état, souvent qualifié de quatrième état de la matière, correspond à un gaz ionisé qui contient des particules chargées électriquement (électrons et ions) et qui réagit aux champs électriques et magnétiques. En propulsion, cet état est utilisé soit pour chauffer le carburant et atteindre une température supérieure à celle dégagée par une réaction chimique, soit pour accélérer des ions issus de la transformation du carburant. Notez que l’utilisation du terme carburant ou ergol en PE, pour la matière qui est finalement éjectée afin de produire la poussée, est un abus de langage. On ne cherche pas ici une matière capable de stocker puis de relâcher une grande quantité d’énergie chimique. On recherche une matière susceptible d’être ionisée facilement, à moindre coût énergétique.

Les carburants de la PE sont donc principalement des gaz atomiques lourds. Le plus courant aujourd’hui est le xénon qui offre un bon compromis entre tous les critères de sélection. Il est stocké à haute pression en phase supercritique sur les satellites afin de diminuer le volume du réservoir. Le principe de base de la propulsion électrique consiste à fournir de l’énergie sous forme électrique à un ergol à partir d’une source de puissance externe pour atteindre une énergie cinétique très supérieure à celle produite en propulsion chimique. La classification des concepts et des technologies est ainsi définie à partir de la manière dont l’énergie électrique est transférée à la matière pour générer de la poussée. On distingue trois grandes familles de propulseurs : les électrothermiques, les électrostatiques et les[…]

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