Category Archives: Propulsion & Espace

Signé Space X

La société américaine Space X vient de réussir la mise en orbite géostationnaire du satellite de télécommunication SES-10 de 5,3 tonnes à l’aide d’un lanceur Falcon 9 dont le premier étage avait déjà volé il y an un an. Nous venons d’entrée dans l’ère des lanceurs réutilisables. Une révolution s’annonce car le coût des vols orbitaux pourrait chuter drastiquement.

Certains diront que c’est du « déjà vu ». Mais il n’en est rien. Certes, la navette spatiale était réutilisée (seul le réservoir central n’était pas récupéré), mais à quel prix. Les spécialistes avancent souvent le chiffre de 500 millions de dollars par mission. Car de très nombreux éléments de la navette devaient être remplacés et la remise à niveau et les vérifications étaient longues et occupaient des centaines d’ingénieurs et techniciens. Or pour être rentable et effective, la stratégie de réutilisation doit minimiser la durée de remise en service et limiter le remplacement des composants.
Il y a bien sûr Blue Origin, l’entreprise de Jeff Bezos, connu pour être le fondateur et PDG d’Amazon, qui a déjà ré-utilisé son véhicule à plusieurs reprises, mais il s’agit ici de vols suborbitaux, avec des contraintes bien inférieures à celles que subit Falcon 9.

En seulement 15 ans, Space X aura révolutionné l’astronautique en bousculant les codes établis et surtout en prenant des risques à la fois technologiques et financiers. Mais c’est de cette façon que l’on progresse et que l’on devient un leader qui impose sa vision du domaine et indique la route à suivre. Et ce n’est sans doute pas fini.
On devrait prochainement assister au premier vol du lanceur Falcon Heavy capable de placer 22 tonnes en orbite géostationnaire. Et dans un futur proche, Space X ambitionne d’envoyer des touristes autour de la Lune et de faire atterrir sur la planète Mars une version modifiée de son vaisseau Dragon, le Red Dragon. Et pendant ce temps là, l’Europe, via ASL, prépare Ariane 6. Je vois là le reflet d’une ambition modeste, alors que nous avons la connaissance et les moyens financiers, et surtout, l’interdiction de rêver et de faire rêver. La Vieille Europe disent-ils de l’autre côté de l’Atlantique…

 

Articles sur l’EM-Drive

La publication au mois de décembre dernier dans le Journal of Propulsion and Power d’un article présentant une mesure de la poussée du propulseur EM-Drive par des chercheurs du laboratoire Eagleworks (voir mon billet du 2 janvier) a créée beaucoup de remous et de bruit au sein de la communauté scientifique et a suscité un vif intérêt chez les amateurs et les passionnés de technologies spatiales. Il était donc normal que les journalistes, plus ou moins spécialisés, s’accaparent d’un sujet plutôt brûlant afin de le transmettre aux lecteurs.

Le magazine Science & Vie vient ainsi de publier un article intitulé EmDrive – Le moteur spatial qui rend fou (S&V n°1194, mars 2017, pages 83-87). J’adore le titre qui reflète très bien la situation. Martin Tajmar de l’Université de Dresden en Allemagne et moi-même avons participé à la rédaction de cet article. Nos points de vue sont opposés. Martin, qui travaille sur les concepts avancées en propulsion spatiale, dont la manipulation de la gravité, est enthousiaste. Je suis beaucoup plus réservé. J’insiste sur le fait que l’EM-Drive ne respecte pas la conservation de la quantité de mouvement (sauf si le système est mystérieusement ouvert). J’expose aussi le problème des erreurs de mesures, en particulier la dilatation thermique des éléments du système (j’aurais sans doute du insister aussi sur les perturbations que peuvent engendrer les ondes radio-fréquences et la difficulté d’une mesure à l’échelle du micro-Newton). Néanmoins, je partage un point commun avec Martin : seul un concept révolutionnaire, EM-Drive ou autre, permettrait d’envisager sérieusement des voyages interplanétaires, en dehors de notre système solaire et extra-galactiques. Sans cela nous resterons confinés pour longtemps au voisinage de notre petite planète bleue.

Je conseille aussi la lecture d’un article paru dans le dernier numéro d’Aerospace America de l’American Institute of Aeronautics and Astronautics (je suis membre du comité Propulsion Electrique de l’AIAA). Cet article – dont vous trouverez une version ici – donne une vision claire, synthétique et objective des travaux sur le sujet. Les problèmes à résoudre pour diminuer la barre d’erreur sur la mesure de la poussée (dont celui de la thermique sur lequel j’insiste depuis longtemps) sont parfaitement exposés. Le lecteur intéressé trouvera aussi des informations sur les théories mises en avant pour expliquer une éventuelle poussée produite par l’EM-Drive (nouvelle particule, interactions avec le vide quantique, effet Woodward…).

Si la génération de poussée par l’EM-Drive doit encore être confirmée par d’autres équipes à travers le monde, une chose est certaine : ce concept va continuer à faire couler beaucoup d’encre.

 

IPAIA 2017

Je rentre de Bari où j’étais invité au séminaire Ion Propulsion and Accelerator Industrial
Applications (IPAIA2017). J’ai énormément apprécié ces trois jours passé en petit groupe – nous étions une quarantaine de participants – à échanger sur la physique des accélérateurs d’ions et des technologies associées, dont la propulsion spatiale. Les discussions furent riches et passionnées ; j’ai beaucoup appris, comme toujours lorsque je suis en congrès, colloque ou séminaire. En ce qui me concerne, j’ai mis en avant nos derniers résultats sur l’écrantage magnétique pour les propulseurs de Hall et sur les caractéristiques d’un accélérateur d’ions sans parois.

Plusieurs présentations étaient dédiées au développement de sources d’ions à très faible puissance (< 100 W) pour les nano et les microsatellites. On a ainsi pu suivre des exposés concernant des travaux récents sur des propulseurs de Hall et des propulseurs Helicon miniatures. Je constate des avancées importantes et rapides dans le domaine de la micropropulsion depuis quelques années. Il y a beaucoup d’effervescence, d’enthousiasme et d’énergie dépensée pour faire progresser tous les concepts (Mini Hall, micro RIT, Helicon, propulseur ECR, PPT, VAT, FEEP…) afin de les porter à un haut niveau de maturité, voire de les qualifier pour le vol.

Et puis ce séminaire fut l’occasion de retrouver des amis et des collègues et de profiter de l’Italie du sud, de son climat, de ses habitants, de ses produits. Je profite de ce billet pour remercier une fois de plus mon ami Francesco pour l’organisation parfaite de ces trois jours et pour cette virée nocturne dans la petite ville d’Alberobello avec un dîner qui restera gravé dans ma mémoire.

 

EM-Drive

Ces dernières semaines j’ai été contacté à de nombreuses reprises par des journalistes (Huffington Post, Science&Vie, Science&Avenir…) au sujet de l’EM-Drive.

L’EM-Drive est un concept de propulseur pour véhicules spatiaux imaginé par l’ingénieur britannique Roger Shawyer en 2001. Il s’agit d’un système qui, contrairement aux propulseurs chimiques, ioniques, nucléaires et photoniques, générerait une poussée sans éjecter (ou absorber) de matière, donc sans consommer de carburant. On imagine très bien les immenses perspectives qu’ouvriraient un tel propulseur dans le domaine spatial, en particulier pour les voyages interplanétaires. Dans l’EM-Drive, la force serait produite à partir d’une onde à haute fréquence emprisonnée dans une cavité résonante non-symétrique (de forme conique). J’invite le lecteur qui souhaite en savoir d’avantage à lire la page Wikipédia consacrée à ce système propulsif : RF resonant cavity thruster.

Depuis 2001, l’EM-Drive a été l’objet de nombreuses publications sur des sites internet plus ou moins sérieux ainsi que dans des revues de vulgarisation scientifique. Plusieurs travaux lui ont été consacrés un peu partout sur la planète et cette invention a été présentée à des congrès pseudo-scientifiques, et, plus récemment, à des congrès scientifiques. Par exemple mon collègue M. Tajmar de l’Université de Dresden en Allemagne a donné une conférence au congrès Joint Propulsion Conference en juillet 2015 à Orlando sur des mesures de poussée réalisées avec un modèle d’EM-Drive. La conférence, à laquelle j’ai assisté, concluait par une absence de force de poussée. Le lecteur intéressé peut trouver l’ensemble des informations dans l’article AIAA correspondant : Martin Tajmar and G. Fiedler, Direct Thrust Measurements of an EMDrive and Evaluation of Possible Side-Effects, 51st Joint Propulsion Conference, Orlando, FL, AIAA paper 2015-4083.

Mais un pas a été franchi en décembre dernier avec la publication d’un article dans le Journal of Propulsion and Power, journal de référence dans le domaine de la propulsion spatiale, dans lequel mon équipe a déjà publié à plusieurs reprises : Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum, par H. White, P. March, J. Lawrence, J. Vera, A. Sylvester, D. Brady, et P. Bailey. Les chercheurs de la division Eagleworks de la Nasa, basée au Centre spatial Johnson à Houston au Texas, expliquent avoir mesuré une poussée générée par leur EM-Drive de l’ordre de 1,2 mN/kW. Cette poussée est très faible, bien inférieure à certains chiffres publiés au cours des années passées mais aussi bien inférieure à ce que délivre aujourd’hui un propulseur de Hall (50 mN/kW). Mais cette publication a généré une onde de choc sur Internet, les réseaux sociaux et dans la presse.

J’ai lu avec attention l’article de l’équipe américaine.
D’après moi, les rapporteurs n’auraient pas dû accepter cet article car plusieurs points expérimentaux restent obscurs. Je suis persuadé, comme de très nombreux collègues et experts du domaine, que nous avons à faire à des artéfacts de mesures. Il faut garder en tête que la faible amplitude de la force à déterminer revient à mesurer une variation de distance de quelques nanomètres dans un environnement complexe, chaud et avec un système massif. Ce qui ressemble à un signal de poussée provient très probablement d’effets thermiques anisotropes (dilatation des matériaux) ou de perturbations électromagnétiques dues à l’onde RF. J’encourage d’ailleurs les chercheurs d’Eagleworks, ou d’autres laboratoires, à réaliser des expériences avec une cavité symétrique qui ne doit pas produire de poussée.

En fait, depuis les premiers échos sur l’EM-Drive, je suis convaincu que le concept ne conduira nulle part. Je n’y crois tout simplement pas. La raison est très simple : ce concept de propulseur viole la loi de conservation de la quantité de mouvement. Et par là, il contredit le théorème de Noether qui relie symétrie et lois de conservation et qui est l’un des piliers de la Physique(1). Autrement dit, si le principe de l’EM-Drive était vrai, aucune quantité ne se conserverait et toutes les lois connues de la Physique seraient fausses.

L’EM-Drive n’est rien d’autre que de la pseudoscience (voir à ce sujet l’excellent papier de L. Tramiel dans le volume 39 du Skeptical Inquirer) et cette invention est à ranger au panthéon des idées folles de la science avec la fusion froide, la mémoire de l’eau, les rayons N, les machines à mouvement perpétuel et bien d’autres encore.

Des équipes de recherche sérieuses, mais aussi des savants fous amateurs, vont certainement continuer à travailler sur l’EM-Drive(2). J’ai peu de doute sur ce point là. Ce sujet devrait donc faire encore couler beaucoup d’encre et suciter d’intenses discusions sur les forums dans les mois et années à venir. J’ai même peur que la boucle ne se referme jamais. Car même si il est un jour prochain démontré que cette invention n’est qu’une supercherie de plus et qu’aucune force propulsive n’est produite, certains s’acharneront et crieront au complot.

1 La quantité de mouvement est conservée si le système physique considéré est fermé, c’est à dire qu’il n’intéragit pas (aucun échange de matière et d’énergie) avec l’environnement ou un autre système. Certains partisans de l’EM-Drive explique alors que leur machine ne serait pas un système fermé car elle intéragirait avec le vide quantique. C’est une stratégie classique pour les pseudosciences : lorsque l’idée contredit les théories scientifiques établies, ses partisans invoquent la mécanique quantique ou d’hypothètiques particules.

2 Voilà ce que je suggère à ceux et celles qui souhaitent travailler sur le concept de l’EM-Drive et vérifier si oui ou non une force propulsive est générée : 1) Tester une cavité symétrique qui ne doit produire aucune force, 2) Chauffer la cavité sans injecter de puissance RF et observer le signal, 3) Faire des expériences à forte puissance (1-5 kW) où le niveau de poussée devrait atteindre (d’après l’article paru dans JPP) quelques mN et être ainsi plus facilement mesurable.

L’Astronomie – Magazine de la SAF

J’ai participé au mois de novembre à l’écriture d’un article sur la propulsion électrique pour les véhicules spatiaux pour la revue L’Astronomie. Il s’agit d’un magazine mensuel d’astronomie (fondé en 1882 par Camille Flammarion) et édité par la Société astronomique de France.
L’article, rédigé par J.P. Martin, est paru dans le n°99 vol. 130 dans la rubrique Spatial. Une version au format pdf est téléchargeable ici. L’article est une bonne introduction à la PE ; il décrit les principes et avantages, l’utilisation et les missions ainsi que les défis à relever. Il intéressera les lecteurs non-spécialistes du domaine, curieux et voulant en savoir d’avantage sur cette technologie en plein essor. L’article parle aussi brièvement de notre exposition au Palais de la Découverte.

Une petite correction est cependant nécessaire.
Ce n’est pas la quantité de carburant qui limite la durée de vie d’un propulseur (Je n’ai pas dit cela ! Une mauvaise interprétation comme cela peut arriver) mais bien les interactions entre les ions du plasma et les éléments du système (grilles, parois, cathode… selon la technologie). La quantité de carburant embarqué peut limiter la durée de la mission si cette durée est inférieure à la durée du vie du moteur. C’est en général le cas pour les missions interplanétaires.

Ariane 5

Décollage du lanceur Ariane 5 depuis Kourou le 17 novembre 2016 avec à son bord 4 satellites Galileo (Credit: ESA–Stephane Corvaja, 2016)

Voici une superbe photographie du lanceur européen Ariane V décollant de la base de Kourou en Guyanne le 17 novembre dernier avec à son bord quatre satellites pour le système européen de navigation Galileo. Cette photographie est particulièrement intéressante, et rare, car on distingue une partie de l’intérieur de la tuyère du propulseur cryogénique Vulcain à hydrogène et oxygène liquide. L’image illustre aussi parfaitement, notamment à travers les panaches de gaz chaud expulsés par les deux boosters à poudre, toute la puissance mise en jeu lors du lancement d’une fusée.
Il faut noter que c’est la première fois que le lanceur Ariane 5 avait pour mission l’envoi dans l’espace de satellites de la constellation Galileo. Les 14 précédents satellites ont été déployés avec 7 lanceurs Soyouz. Les 4 satellites ont rejoint leur orbite circulaire à 22922 km au terme d’un vol de seulement 3h35.

De nombreuses images très impressionnantes du 89ème décollage d’Ariane 5, le 75ème d’affilé sans incident, sont disponibles sur le site SpaceFlightNow (merci Julien). Ce cite unique, de grande qualité et parfaitement à jour se focalise principalement sur les lanceurs, les missions et les lancements. Tous les passionnés y trouveront leur compte.

Astronautique : informations et données

Le lecteur intéressé peut trouver de nombreuses informations et données concernant le domaine de l’Astronautique sur la page personnelle de Gunter Krebs :
Gunter’s Space Page.

Le site est sérieux et les informations sont mises à jour régulièrement.
On y trouve en particulier des données intéressantes et utiles sur les technologies spatiales, les lanceurs les satellites et les missions.

Ce site est à ma connaissance l’une des meilleures références pour les CubeSats, des nano-satellites (1 à 10 kg) dont les dimensions sont normalisées. L’unité de base, le U, est un cube d’un décimètre de côté dont le volume est exactement 1 litre. Le format des CubeSats a été défini en 1999 afin de réduire les coûts de lancement des très petits satellites et démocratiser ainsi l’accès à l’espace. Ce format permet par exemple aux universités de placer en orbite leurs propres satellites. De très nombreux lancements de CubeSats ont déjà été réalisés et le nombre de projets est en croissance exponentielle car la miniaturisation de l’électronique a grandement augmenter les capacités des CubeSats qui peuvent désormais mener des missions complexes et à fort potentiel.

Je recommande aussi la lecture de la La page Wikipedia CubeSat qui contient des information sur l’histoire des Cubesats et leur architecture.

Explosion du lanceur Falcon 9 : une piste sérieuse

Le jeudi 1 septembre, une fusée Falcon 9 de SpaceX explosait sur son pas de tir lors d’une phase de test avant lancement. Cet accident a eu un grand retentissement car il a surpris beaucoup de monde et mis en doute le modèle SpaceX et sa capacité à reprendre rapidement les tirs pour satisfaire les commandes. Je n’ai pas commenté l’accident à l’époque. J’ai appris à être prudent ; je sais que dans des moments là il faut prendre du recul et analyser les données disponibles, un travail long et fastidieux mais nécessaire.

Un article, paru hier sans Space News (SpaceX’s Musk says sabotage unlikely cause of Sept. 1 explosion, but still a worry), nous en dit plus sur la cause probable de l’explosion. Après examens des données de télémétrie et des débris retrouvés, les experts s’orientent vers une explosion du réservoir d’hélium du deuxième étage. Notez que dans le cas de Falcon 9 les réservoirs d’hélium liquide sont placés dans le réservoir d’oxygène liquide, une configuration assez singulière.

L’hypothèse d’une rupture du réservoir d’hélium (He) qui sert à pressuriser le réservoir d’oxygène liquide (LOX) est tout à fait plausible. Très vite d’ailleurs les spécialistes de la propulsion chimique liquide des lanceurs se sont orientés vers cette hypothèse. Le réservoir de He est pressurisé à environ 350 bars. Il est souvent en matériaux composite tissés pour résister (COPV – Composite Overwrapped Pressure Vessel). La technologie est très difficile à maitriser et assurer la reproductibilité des propriétés des réservoirs reste difficile.
Si le réservoir se fissure ou explose, l’onde de pression générée peut percer/détruire le réservoir de LOX, de kérosène (ou autre) et surtout vaporiser l’oxygène (où générer de petites gouttelettes) ce qui lui permet de réagir avec le carburant et d’enflammer le mélange. D’après les spécialistes, les données de télémétries sont compatibles avec un phénomène rapide type propagation d’onde et changement de phase du LOX. Reste à savoir pourquoi le réservoir d’hélium a lâché. Sans doute un défaut dans la structure, ce qui ne pardonne pas à une telle pression.

La bonne nouvelle est que malgré tout SpaceX prévoit un nouveau lancement de sa fusée Falcon 9 pour novembre.

Congrès JPC 2016

Je m’apprête à quitter Salt Lake City dans l’Utah où je viens de passer quatre jours, sans voir grand chose de la ville et de ses environs d’ailleurs, confiné entre mon hôtel et le palais des congrès, qui, entre parenthèses, est gigantesque. On ne s’attend pas à un bâtiment aussi imposant dans une ville qui compte moins de 200000 habitants.

J’étais à SLC pour la 52ème édition de la Joint Propulsion Conference, qui est une référence aux Etats-Unis dans le domaine de la propulsion spatiale. C’est la troisième fois que je participe à ce congrès et je dois dire que cette édition était riche et intéressante en ce qui concerne la propulsion électrique. Ce fut aussi l’occasion de revoir de nombreux collègues et amis, d’échanger sur divers sujets et de préparer des travaux futurs.

Il y a eu beaucoup d’exposés, en particulier du JPL, sur le propulseurs HERMeS et la mission ARRM, de nombreux résultats sur les cathodes, plusieurs travaux très intéressants sur la micropropulsion (je reste impressioné par le développement des FEEP par Fotec en Autriche). La simulation numérique progresse également, avec une approche nouvelle pour traiter le transport électronique anormal qui inclue l’amortissement Landau par les ions.

Quant à moi, je présentais les récents travaux de l’équipe sur l’écrantage magnétique, où Magnetic Shielding en anglais. Les études ont été menées avec le propulseur ISCT200-MS, la version MS de notre propulseur à aimants de 200 W. L’exposé a eu un très fort impact dans la communauté et j’ai reçu de nombreuses, et sincères, félicitations. Il y a d’après moi trois raisons qui expliquent l’intérêt porté à nos travaux et l’enthousiasme de mes collègues :

  • le ISCT200-MS est le plus petit propulseur en MS au monde avec un écrantage de très bonne qualité,
  • nous avons utilisé une anode, qui sert aussi d’injecteur de gaz, fabriquée par impression 3D ; c’est la première fois que l’I3D est utilisée sur un propulseur européen, et la deuxième fois au monde,
  • nous avons prouvé par spectroscopie de LIF sur les ions métastables qu’il n’y avait pas d’ions avec une énergie supérieure au seuil de pulvérisation du BN-SiO2 au niveau de parois. C’est la raison principale à notre succès car il s’agit de la première preuve directe de l’efficacité de la configuration MS à réduire, voire supprimer, l’érosion des parois du canal de décharge, ce qui rallonge considérablement la durée de vie du système propulsif.

Periscope

Je connaissais bien sûr  l’application Periscope de nom.
Mais hier j’ai eu l’occasion de la mettre à profit. J’en suis sortit enchanté et convaincu de son utilité.

J’étais au  Palais de la Découverte à Paris où se tient toujours notre exposition « Explorons l’Univers avec la Propulsion Ionique » (voir mon billet du 27 mars). En plus du public de visiteurs, je recevais des collègues de l’INSIS du CNRS et des étudiants de l’IPSA.
Les responsables de la communication du CNRS m’ont proposé d’utiliser Periscope pour interagir en direct avec des internautes. Je me suis volontiers prêté au jeu. La vidéo est disponible ici.
J’ai ainsi pu répondre pendant vingt minutes à de nombreuses questions sur la propulsion, partager mon point de vue et présenter les travaux de mon équipe.
J’ai sincèrement apprécié ce moment d’échange et j’ai pu mesurer le potentiel et l’intérêt de Periscope.
On réfléchit désormais avec mes étudiants à une utilisation plus systématique de l’outil pour tenir informé tous les passionnés sur nos recherches et les avancées dans le domaine de la propulsion spatiale.