Archives de catégorie : Propulsion & Espace

Propulseur à eau

BlackSky est une constellation de plusieurs dizaines de microsatellites destinés à l’observation de la Terre. BlackSky se caractérisera par une fréquence de passage élevée, supérieure à celle de Planet par exemple, et par une offre de services assez large. Les premiers microsats de cette constellation devraient être lancés dans 1 an par un lanceur Falcon 9 de Space X.

Les satellites de BlackSky seront propulsés par le système Comet de Deep Space Industries.

Comet est un résistojet, un propulseur de type électrothermique. Le principe de base d’un résistojet est relativement simple : un ergol sous forme gazeuse est porté à haute température en traversant des éléments chauffants puis détendu à travers une tuyère. La détente transforme l’énergie thermique du gaz en énergie cinétique. La vitesse finale, donc l’impulsion spécifique générée par le système, dépend de la température qui se situe en général entre 1000 °C et 2000 °C. La poussée produite est plutôt liée au débit d’ergol qui peut être assez grand.
Ce type de propulseurs vole depuis les années 1960. L’impulsion spécifique est assez basse, autour de 100-200 s, i.e. comparable aux moteurs chimiques, mais la poussée, comprise entre 10 mN et 1 N, est relativement grande pour un système électrique. Via une optimisation des échanges de chaleur, le rendement peut dépasser 50 %.

Les résistojets sont bien adaptés pour les microsatellites. Le système est compact, simple, facile à intégrer et fonctionne à basse tension, donc peu onéreux. De plus l’efficacité est élevée. Par contre la faible Isp oblige à emporter une quantité d’ergol importante pour réaliser le Delta-v envisagé.
En plus de Comet, il y a d’autres systèmes disponibles chez Busek, SSTL, Mars Space Ltd ou à la TU de Delft par exemple, dont certains ont déjà volé.

En ce qui concerne les ergols pour les résistojets, de très nombreuses études ont été conduites et plusieurs composants ont été testés, voire utilisés, tels que l’ammoniac (NH3), l’hydrazine (N2H4), H2, N2, O2, Xe…
Le propulseurs Comet emploie de l’eau. Plusieurs résistojets ont déjà été testés avec H2O et certains (e.g. SSTL) ont été embarqués sur des satellites et utilisés pour des manoeuvres. L’eau est attractive en propulsion spatiale car son prix est bas, elle n’est pas toxique, se manipule facilement, il n’y a pas de risque de contamination du véhicule et elle se stocke sans difficultés sous forme liquide. Néanmoins ses propriétés physiques (e.g. chaleur latente de vaporisation) conduisent à une dépense énergétique importante.

Le lecteur intéressé trouvera d’autres informations sur BlackSky et Comet dans un article récent de Rémy Decourt publié sur le site Futura Science.

Propulseur aérobie

L’Agence Spatiale Européenne a publié sur son site le 5 mars dernier un article intitulé : « World first firing of air breathing electric thruster« . Il s’agit d’une brève description d’essais d’un propulseur électrique pour satellites fonctionnant avec de l’air comme carburant, c’est à dire d’un propulseur aérobie.

L’objectif est d’utiliser le gaz ambiant comme carburant pour limiter, voire annuler, la masse de carburant embarquée. Les propulseurs de Hall et les moteurs ioniques à grilles couramment employés sur les satellites géostationnaires fonctionnent avec du xénon, un gaz rare onéreux. En remplaçant le xénon par de l’air, on réduirait fortement la masse totale du satellite, ce qui se traduirait par une baisse significative du coût. On comprend donc l’intérêt de tels travaux.
Le journaliste Rémy Decourt, du magazine en ligne Futura Sciences, a publié récemment un article sur les propulseurs aérobies, auquel j’ai participé : « Ce moteur ionique étonnant carbure à l’atmosphère ».

Un tel propulseur ne peut fonctionner correctement qu’à une altitude relativement faible, autour de 150 km, car la densité de l’air diminue lorsque l’altitude augmente. Mais même à cette altitude, l’ensemble propulsif doit être équipé d’un collecteur ayant un diamètre relativement grand, générant donc une force de traînée supplémentaire, et d’un système de compression du gaz avant son injection dans la chambre à décharge plasma du propulseur. Un propulseur aérobie est donc un propulseur plus complexe, plus lourd et plus encombrant qu’un propulseur classique opérant avec du xénon.
Néanmoins, l’option aérobie est sans doute intéressante pour certaines missions à basse altitude car la durée n’est alors plus limitée par la quantité de carburant embarquée. Je pense en particulier à des missions scientifiques telles que GOCE.

Il y a déjà eu de nombreuses recherches dans le passé sur des propulseurs aérobies basés sur des PH, MIG, PPT et arcjets. On a par exemple étudié dans mon équipe les performances d’un propulseur de Hall fonctionnant avec de l’azote (N2). Les travaux dans leur ensemble montrent que les performances en termes de poussée et rendement sont relativement faibles, bien inférieures à celles obtenues avec du xénon. Cette détérioration a deux origines principales : i) l’énergie d’ionisation de N2, O2 et O est élevée et ii) de part leur faible masse ces composés ont un temps de résidence dans le propulseur relativement court. Mais la baisse du rendement, point négatif, peut largement être compensée par le gain lié à l’emploi d’un carburant  » externe « . Pour les PH et MIG, il faut aussi résoudre le problème de la cathode et du neutraliseur qui fonctionnent actuellement avec un plasma de xénon et dont les matériaux sont sensibles à l’oxygène.

On peut bien sûr imaginer d’autres carburants pour d’autres missions. La société américaine BUSEK développe par exemple un concept similaire mais pour l’exploration de la planète Mars dont l’atmosphère est composée majoritairement de CO2.

Falcon Heavy

Décollage de la fusée Falcon Heavy de Space X depuis Cap Canaveral le 6 février 2018.

Je viens de regarder en direct (21h45 heure de Paris) le lancement de la fusée Falcon Heavy depuis Cape Canaveral sur le site de Space X. Avec ses 27 moteurs Merlin 1D qui lui donnent la capacité de placer 63,8 tonnes de charge utile en orbite basse, Falcon Heavy est aujourd’hui le lanceur le plus puissant en service. Mais il reste néanmoins loin derrière la gigantesque fusée Saturn V.

Waouh ! Extrêmement impressionnant. Une superbe réussite pour l’entreprise d’Elon Musk. Un fait majeur dans l’histoire de l’Homo-Spatialis. Le 6 février 2018 ne sera plus désormais un jour comme les autres. Et que dire de l’atterrissage synchronisé des deux boosters latéraux ! Un moment presque magique. Je vous invite à visionner cette séquence si vous ne l’avez pas vue.

Même si l’étage central n’est pas récupéré (pour l’instant Space X ne donne pas d’information sur l’atterrissage prévu sur la barge en mer), c’est un grand événement qu’il faut célébrer. Un pas de plus vers la conquête du système solaire.
Les images du Tesla Roadster voguant dans l’espace avec Monsieur Starman équipé de sa combinaison spatiale étaient elles aussi à couper le souffle.

Il y a du génie dans tout ça. Il est évident que Space X a encore plusieurs longuers d’avance, mais un tel événement suivit par des millions de personnes ne manquera pas de motiver les concurrents. L’histoire est loin d’être terminée. Tant mieux.

PS : J’ai eu la chance de visiter le complexe de lancement 39 (LC 39) de Cape Canaveral, d’où sont partis Saturn V et la navette spatiale, il y a deux ans et demi. Le pas de tir 39A était alors en cours de réaménagement pour accueillir le lanceur Falcon Heavy.

Singapour

Je viens de passer une semaine à Singapour où j’assistais à la deuxième édition de la conférence MicroPropulsion & CubeSats (MPCS 2018). Nos collègues de l’Université (Nanyang Technological University, NTU) avaient réuni environ 70 chercheurs, spécialistes en propulsion et technologies spatiales pour la plupart. Je dois avouer qu’il s’agit de l’un des meilleurs congrès auquel j’ai participé ces dernières années. Il y a plusieurs raisons à cela.

Tout d’abord, la taille, en termes de participants, étant très réduite, on peut aisément échanger et approfondir certains sujets. Deuxièmement, le thème de la conférence est riche et parfaitement en phase avec la situation actuelle. Le domaine des petits satellites est en expansion rapide et les idées et projets foisonnent. Le congrès MPCS offre la possibilité de se tenir informé précisément des avancées et découvertes dans le domaine des systèmes de propulsion miniatures. Troisièmement, la tenue du congrès à Singapour a permis aux chercheurs européens de rencontrer (souvent pour la première fois) leurs homologues chinois. On a pu constater l’étendue et la qualité des travaux menés dans ce grand pays qui pourrait dans un avenir proche gérer la planète. Finalement, le lieu a sans doute influencé de manière positive mon sentiment. Singapour est un micro-état de 720 km2, situé à un carrefour stratégique, qui en 40 ans a réussit à se hisser en haut des classements alors que ce bout de terre ne possèdait au départ aucune ressource, si ce n’est des citoyens déterminés, confiants et enthousiastes.

Mon séjour à Singapour m’a permis de visiter le laboratoire de propulsion électrique du Professeur Shuyan Xu, directeur du Plasma Sources and Applications Centre (PSAC). J’ai été impressionné par la rapidité avec laquelle la jeune équipe du Prof. Xu a pris en main le sujet de la PE et construit une infrastructure de haut niveau en seulement deux ans. Les études qui y sont actuellement menées suivent des approches innovantes. Elles devraient aboutir rapidement à des résultats remarquables qui pourraient bouleverser le domaine de la micro-propulsion spatiale.
J’ai eu la possibilité de parcourir le centre de recherche sur les technologies des satellites, également situé sur le campus de l’Université. J’ai ainsi vu pour la première fois des vrais Cubesats et micro-satellites. Il est évident que la proximité de ce centre offre au groupe du Prof. Xu des avantages et opportunités.

Notez que le troisième congrès MPCS sera organisé au mois de juillet prochain aux Etats-Unis par mon amis le Prof. Michael Keidar de l’Université George Washington. La 4ème édition pourrait avoir lieu en Chine en 2019 et si tout va bien, je devrais organiser la 5ème édition en France en 2020.

Base de données sur nanosats

Nanosatellite database, by Erik

Il s’agit d’une base de données sur les nano-satellites (typiquemment, masse < 10 kg) qui contient une quantité incroyable d’information sur les missions (passées, en cours et à venir), les entreprises, les équipements, les lanceurs et cetera. On y trouve aussi des informations sur les systèmes propulsifs actuellement disponibles. Je vous recommande ce cite si le domaine des nano-satellites, en pleine expansion actuellement, vous intéresse.

Je rapelle aux lecteurs que les CubeSats représentent une catégorie particulière de nano- et micro-satellites basées sur la norme U où 1U correspond à un volume de 10×10×10 cm3, soit 1 litre. On parle donc de Cubesat de taille 1U, 2U, 3U… Typiquement, une satellite de taille 1U a une masse de ∼1 kg.

R. G. Jahn

Je viens d’apprendre par le président de l’ERPS la disparition du professeur Robert G. Jahn. Il est décédé hier à Princeton dans le New Jersey.
C’est une grande perte et une bien triste nouvelle pour la communauté de la propulsion spatiale et de la physique des plasmas. R. G. Jahn était un géant, comme l’a écrit un collègue, et l’un des pilliers, des pères fondateurs de la propulsion électrique avec Ernst Stuhlinger, Alexey I. Morozov et Horst W. Loeb.

R. G. Jahn a publié en 1968 un ouvrage de référence intitulé Physics of Electric Propulsion. Nous l’avons tous lu et nous nous en sommes tous inspiré. Ce livre aura bientôt cinquante ans, et pourtant tout y est, ou presque. A la lecture de ce petit livre rouge, on constate que Jahn était à la fois un excellent physicien mais aussi un très bon pédagogue. Ceux qui l’ont cotoyé et ceux qui ont étudié sous sa direction ne me contrediront pas.

Que ce grand homme repose en paix.

Apollo IV

Apollo 4

Le lanceur américain Saturn V sur son pas de tir avant son premier décollage dans le cadre de la mission Apollo 4.

C’était il y a exactement 50 ans. La gigantesque fusée Saturn V décollait du Kennedy Space Center en Floride pour la première fois. Il s’agissait de la mission non-habitée Apollo 4 du programme lunaire américain qui amènerait les premiers hommes sur la Lune deux ans plus tard.

Superbe photographie prise au levé du soleil. Magnifique lanceur, l’un des plus puissants construit jusqu’ici avec la navette spatiale, que j’ai eu la chance de voir au Johnson Space Center à Houston au Texas en 2001 ainsi qu’au KSC en Floride en 2015. J’ai aussi pu voir deux autres constructions imposantes : le hangar d’assemblage de Saturn 5 et le chariot qui la transportait du hangar au pas de tir. Pour l’anecdote, sur le hangar est dessiné le plus grand drapeau américain au monde.
Les lecteurs intéressés trouveront de nombreuses informations sur la mission Apollo 4, le lanceur Saturn V et le programme lunaire sur le site Space.com de la NASA.

La conquête spatiale ne s’est bien sûr pas arrêtée après la course à la Lune. Il y a eu la réalisation de plusieurs stations spatiales dont l’ISS, le télescope Hubble, la fantastique épopée de la navette spatiale, le développement de dizaines de lanceurs, l’envoie de nombreuses sondes scientifiques vers les planètes lointaines et au-delà du système solaire, l’exploration de Mars avec des rovers, la mesure du fond diffus cosmologique, la découverte de centaines d’exoplanètes… Malgré tous ces accomplissements majeurs, je trouve que l’on manque d’ambition. Il est désormais temps de s’élever à nouveau, de partir conquérir notre environnement proche, d’explorer en profondeur les planètes lointaines et leurs satellites et d’imaginer des solutions pour sortir de la zone d’influence du Soleil et partir à la découverte des exoplanètes et peut-être d’autres mondes. Bref, il est grand temps de passer à l’action et de faire rêver à nouveau.

ERPS

ERPS est l’acronyme de Electric Rocket Propulsion Society.

Je viens d’intégrer le comité de direction de cette prestigieuse société savante dont les principaux objectifs sont de promouvoir la propulsion électrique pour les satellites et de faciliter l’accès aux connaissances. C’est par exemple l’ERPS qui archive les compte-rendus des congrès IEPC. Cette société s’emploie également à décerner des prix et des récompenses, dont la fameuse médaille Stuhlinger, en l’honneur de ce physicien qui a beaucoup fait progresser le domaine de la propulsion ionique. Cette distinction compte parmi ses récipiendaires A. I. Morozov, R. G. Jahn et H. W. Loeb.

J’ai appris ma nomination la semaine dernière lors du congrès IEPC à Atlanta. J’ai été très touché car j’y vois là un signe de reconnaissance de la communauté pour mes travaux, ceux de mon équipe et de tous les étudiants, doctorants et chercheurs qui m’accompagnent depuis 15 ans.

IEPC 2017

Je rentre tout juste d’Atlanta en Géorgie où j’ai assisté au congrès International Electric Propulsion Conference 2017, ou IEPC 2017 pour faire court, organisé par mon collègue et ami Mitchell Walker, professeur au Georgia Institute of Technology (Georgia Tech).

Excellent congrès, qui a regroupé environ 600 chercheurs, ingénieurs, managers et entrepreneurs, et dont l’organisation était parfaite ; mais personne n’en doutait. Pour la première fois, j’étais membre du comité scientifique, ce qui m’a permis de participer très activement à la préparation et au bon déroulement de l’événement.
Un rapide bilan de l’édition 2017 de l’IEPC fait ressortir plusieurs faits marquants :

  • Les propulseurs de Hall dominent toujours le domaine de la propulsion électrique et leur plage de fonctionnement s’étend désormais de quelques dizaines de Watts à 300 kW. Les présentations dédiés au PH concernaient 22 sessions sur 72 en incluants les cathodes.
  • Le domaine de la micropropulsion (puissance < 200 W) s’étend,  de nombreuses technologies arrivent à maturité (HT, RIT, FEEP, VAT, Electrospays) et d’autres progressent (ECR, sources sans neutraliseur). Cela reflète la montéee en puissance des Cubesats et des micro-satellites.
  • Le besoin de techniques de diagnostic avancées et précises ainsi que d’outils de simulation numérique sophistiqués et robustes est très clair. On noite d’ailleurs de très grands progrès dans ce deux domaines
  • Le nombre de présentations à caractère fondamental ou très scientifique diminue au profit de présentations plus techniques, ce qui est un signe de maturité.

Mon équipe était impliquée dans plus d’une douzaine de présentations ce qui, me semble-t-il, démontre la qualité de nos travaux et la reconnaissance de nos collègues.

Le prochain congrès sera organisé par mon collègue Alexander Reissner et se déroulera à Vienne en Autriche au cours de l’automne 2018. Je suis cette fois aussi membre du comité scientifique.

Air & Cosmos

J’ai participé avec le journaliste Rémy Decourt à l’écriture d’un article sur la propulsion électrique pour les nano-satellites et les micro-satellites qui fait partie d’un dossier spécial dans la revue Air & Cosmos n°2560 du 8 septembre.

Ce dossier paraît au moment où s’ouvre à Paris la 21ème conférence World Satellite Business Week consacrée au marché des satellites et organisée par le cabinet de conseils Euroconsult. Cette conférence va se dérouler alors que les scénarii sur l’avenir du secteur spatial sont plutôt flous. En effet, le marché des satellites géostationnaires de télécommunication stagne, le nombre de lancement de petits satellites (cubesats et microsats) explose, les constellations se développent et plusieurs nouveaux lanceurs dédiés aux petits satellites devraient faire leur apparition très prochainement. En ce qui concerne la PE, il y a d’un côté des incertitudes quant au modèle économique pour les grosses plateformes « tout électrique » (liées en partie à la longue durée des changements d’orbite due à la faible poussée produite, ce qui peut être handicapant pour le transfert vers l’orbite de travail et aussi les manoeuvres d’évitement de débris) et de l’autre côté une augmentation significative des projets en recherche et développement pour la micro-propulsion avec l’apparition de concepts innovants en terme d’architecture, de performance, d’ergols et la création de nombreuses startups un peu partout dans le monde.