Des accélérateurs d'ions pour la propulsion spatiale
Stéphane Mazouffre, ICARE, CNRS, Orléans, France

Les travaux théoriques sur le voyage à travers l’espace du scientifique russe K. Tsiolkovsky au tout début du XXème siècle ont rapidement fait surgir l’idée d’utiliser des particules chargées électriquement pour propulser un vaisseau spatial. Les premiers propulseurs ioniques, ou propulseurs à plasma, voient en fait le jour au début des années 1960 en URSS, aux USA et en Europe suite à la mise au point et au développement de sources d’ions à fort courant. A partir des années 1970, les propulseurs ioniques équipent certains satellites géostationnaires, principalement en Russie. En 1998, la propulsion à plasma fait son entrée dans le domaine des missions spatiales scientifiques avec la sonde américaine Deep Space 1. L’aventure se poursuit actuellement avec la mission Dawn (NASA) et le lancement prochain de la sonde européenne Bepi Colombo (ESA) vers Mercure.

La propulsion ionique est aujourd’hui à un tournant de son histoire. L’industrie spatiale va en effet entrer très prochainement dans l’ère des satellites géostationnaires de communication « tout électrique ». Les satellites n’emploieront plus de propulseurs chimiques classiques mais l’ensemble des manœuvres (transfert d’orbite, maintient à poste et désorbitation en fin de vie) sera assuré par des propulseurs ioniques durant l’intégralité de la vie du satellite. Cette étape, qui constitue une véritable révolution dans le secteur spatial, est désormais possible grâce aux progrès scientifiques et technologiques accomplis au cours de la dernière décennie, notamment en France à travers une collaboration entre le CNRS, les Universités, le CNES et le motoriste Snecma.

L’équation fondamentale de la propulsion spatiale établie par K. Tsiolkovsky en 1903 indique que la masse de carburant nécessaire à la réalisation d’une manœuvre varie de façon non-linéaire avec la vitesse d’éjection en sortie du propulseur. Une grande vitesse d’éjection permet une consommation réduite, ce qui est contraire à l’intuition. En propulsion chimique traditionnelle, la vitesse d’éjection est limitée par l’énergie chimique contenue dans le carburant. On atteint au maximum 5 km/s. Lorsque la poussée est générée via l’accélération d’ions, la limite ultime devient la vitesse de la lumière. On comprend alors aisément l’intérêt principal de la propulsion ionique. Cette dernière possède d’autres points forts : la flexibilité, le contrôle fin de la poussée et une longue durée de tir. Il existe en contre-partie des inconvénients : la masse du système est grande, le fonctionnement ne peut se faire qu’à une pression basse, l’énergie doit être fournie de manière externe au carburant et le niveau de poussée reste très faible, puisque le record actuel est de 2,5 N. L’ensemble des propriétés de la propulsion ionique en font un candidat parfait pour i) les missions de longue durée où la masse de carburant est un critère limitatif, e.g. le vol de satellites de télécommunication et les missions interplanétaires, ii) les missions scientifiques nécessitant un contrôle ultra-précis de la trajectoire.

Il existe trois grandes familles de propulseurs ioniques. La division se base sur le principe de fonctionnement. Les propulseurs électrothermiques : un gaz est chauffé à très haute température via la création d’un plasma puis il est détendu à travers une tuyère. Les propulseurs électrostatiques : la poussée est produite par l’accélération d’ions à travers un champ électrique. Les propulseurs électromagnétiques : la poussée est obtenue grâce à l’accélération d’un plasma par une force de Lorentz. Ces trois familles regroupent une très grande variété de concepts, chacun avec ses points forts et ses point faibles, qui couvrent un vaste domaine de poussée (µN au N) et de vitesse d’éjection (1 à 100 km/s). A l’heure actuelle, deux technologies se détachent de l’ensemble par leur maturité et le retour d’expérience en vol. Les moteurs ioniques à grilles (MIG) et les propulseurs de Hall (PH). Le concept MIG repose sur la création d’un plasma à basse-pression suivit de l’extraction/accélération des ions par un jeu de grilles polarisées. Les PH sont des propulseurs sans grille dans lesquels l’accélération des ions est produite dans une décharge plasma magnétisée où les champs électriques et magnétiques sont perpendiculaires. Si les PH présentent une architecture simple, la physique en jeu reste mal connue. Les deux technologies offrent un rendement élevé (70 %) et de très bonnes performances. Les MIG génèrent une plus grande vitesse d’éjection et leur durée de tir est très longue. En contre-partie les PH offrent un rapport poussée/puissance plus élevé. Cette dernière caractéristique les rend aujourd’hui plus attractifs pour les satellites géostationnaires car le temps de manœuvre est réduit.

Les recherches actuelles en propulsion ionique se focalisent principalement sur le développement de MIG a fort courant d’ions en jouant sur la géométrie des grilles et sur la possibilité de mettre au point des PH à longue durée de vie et à forte vitesse d’éjection. Dans le cas des PH, les travaux ont conduit à l’émergence de deux nouvelles approches prometteuses : l’écrantage magnétique et le mode sans-parois. En parallèle, il existe des études variées sur de nouveaux concepts comme les propulseurs à chauffage cyclotronique, les propulseurs à ions négatifs et les propulseurs à tuyère magnétique. L’objectif est ici de supprimer le système de neutralisation du faisceau d’ions et de proposer un fonctionnement dual forte poussée/forte vitesse d’éjection.

propulsionionique

Propulseur de Hall PPS-Flex (CNRS-CNES) en tir avec du xénon en configuration d’écrantage magnétique (crédit J. Vaudolon ; ICARE-CNRS). Le plasma est confiné en sortie de la cavité en céramique. Il est détaché des parois ce qui réduit l’érosion et augmente la durée de vie. Le faisceau d’ions qui génère l’effet propulsif forme un jet de lumière bleutée en sortie du propulseur.




Pour en savoir plus :

Les propulseurs à plasma : Une technologie spatiale d’avant-garde.
S. Mazouffre, Reflets de la Physique, Revue de la Société Française de Physique, n° 14, p. 15-19 (mai 2009).

La propulsion ionique décolle enfin
P. Pajot, Science & Avenir hors-Série, p. 20 (octobre/novembre 2012)

Le blog de Stéphane Mazouffre




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