Archives de catégorie : Propulsion & Espace

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.

Satellite franco-israélien Venus

Dans la nuit du 1er au 2 août, la fusée Vega a, pour son dixième lancement, mis en orbite héliosynchrone à 720 km les satellites Optsat-3000 et Veμus.

Le satellite Venμs (Vegetation and Environment monitoring on a New Microsatellite) est issu d’une collaboration entre le CNES, l’agence spatiale israélienne et Arianespace.
Il s’agit d’un petit satellite de 280 kg dédié à l’observation de la Terre et à l’étude de la dynamique de la végétation. Venμs va permettre d’observer dans le visible et l’infrarouge la végétation de manière répétitive avec une période de deux jours, un record.

Mais la mission Venμs a également pour objectif la qualification en vol du propulseur de Hall de 300 Watts HET-300 développé est construit par la société israélienne Rafael. Pour en savoir plus je vous invite à lire l’article de Rémy Decourt paru récemment dans Futura Sciences et auquel j’ai participé.

Eléments pour nano-satellites

Je vous invite à visiter le side CubeSatShop sur lequel on peut trouver une très large gamme de produits testés et qualifiés et de vendeurs pour les CubeSats et les nano-satellites. Une preuve de plus que le domaine des nano- et micro-satellites est en pleine révolution. On peut désormais fabriquer en kit son CubeSat et ainsi l’adapter à la mission envisagée. Une fois le CubeSat assemblé et validé, on trouvera aussi une entreprise capable de le mettre en poste sur l’orbite prévue.

On trouve également sur le site CubeSatShop des informations pertinentes et bien synthétisées sur la technologie des CubeSats, leur histoire, les avantages et les limites et les avancées récentes.

MPCS 2017

Je rentre de Bari où je participais au congrès MicroPropulsion and CubeSats après avoir passé trois jours à Toulouse dans le cadre du séminaire E×B Plasmas for Space and Industrial Applications organisé par mon collègue J.-P. Boeuf du LAPLACE à Toulouse.

Le congrès MPCS est l’un des congrès les plus exaltants auxquels j’ai participé ces dernières années. J’ai énormément appris, je reviens la tête pleine d’idées et j’ai pu constater les progrès réalisés récemment dans le domaine de la propulsion électrique pour les Cubesats, nanosats et microsatellites. Le niveau de développement technologique des propulseurs à arc sous vide (VAT) et des propulseurs Electrospray m’a particulièrement frappé. Nous avons également eu des présentations passionnantes de nos collègues Autraliens (projet QB50), Japonais (missions HODOYOSHI-4 et PROCYON avec un MIG de 20 W) et Singapouriens (recherches conduites à l’Université de Technologie de Nanyang). J’ai aussi pu rencontrer pour la première fois les chercheurs chinois qui travaillent dans le domaine de la propulsion électrique. La rapidité avec laquelle les équipes chinoises avancent est très impressionnante. De notre côté, nous avons présenté des travaux récents sur nos propulseurs de Hall miniatures (50-100 W) et sur la configuration MS à écrantage magnétique.

Les deux jours passés à Bari sous le soleil d’Italie furent très agréables. Je tiens à remercier les organisateurs du congrès MPCS et bien sûr mon ami Francesco pour les belles visites qu’il a organisé et la délicieuse cuisine italienne qu’il nous a fait découvrir.

 

Aoba Velox 3

Aoba Velox 3 est le nom d’une mission en cours qui repose sur l’un des rares CubeSats équipé d’un système de propulsion électrique. Il s’agit d’un projet commun de nanosatellite entre le Japon (Kyushu Institute of Technology, Kyutech) et Singapour (Nanyang Technological University, NTU). L’université NTU a développé le CubeSat de taille 2U et pesant 2 kg. Ce dernier est équipé d’un micro propulseur pulsé (PPT) fonctionnant avec du PTFE (Teflon).

Le nanosatellite a été lancé en décembre 2016 vers l’ISS. Il a été déposé sur une orbite basse à 400 km d’altitude en janvier 2017. Le PPT sert à compenser la force de traînée qui freine le satellite et lui fait perdre de l’altitude. Grâce à la PE, la vitesse d’Aoba Velox 3 sera maintenue à 27,000km/h et la mission devrait durer six mois, contre 3 pour une mission identique sans propulsion.

A ce jour, très peu de CubeSats ont été équipés d’un système propulsif à causes des fortes contraintes imposées en terme de puissance disponible, masse, volume, thermique et composants électroniques.
On doit cependant mentionner la mission BricSat-P, fruit d’une collaboration entre l’United States Naval Academy et l’Université George Washington. Le CubeSat de 1,5 U était équipé de 4 micro-CAT (Cathode Arc Thruster ou Vacuum Arc Thruster) développée par l’équipe de Mikael Keidar à GWU. La mission a été lancée en mai 2015. Elle a démontré l’intérêt de la PE pour les nano-satellites et a ouvert la voie à de nombreux projets de CubeSats motorisés, telle que la mission CANYVAL-X pour laquelle les deux CubeSats seront équippés de micro-CAT.

Miniaturisation en PE

ISCT100

Propulseur de Hall miniature ISCT100 opérant sous vide avec du xénon à 100 W.

Cheurs lecteurs, vous trouverez sur le site de Futura Sciences un article au sujet de la propulsion électrique écrit par Remy Decourt : Une propulsion électrique pour les satellites. (1) . Cet article est le fruit d’une interview que j’ai accordée au journaliste et qui a été suivie de plusieurs échanges. J’avais déjà eu l’occasion de travailler avec Rémy Decourt à deux reprises avant la parution de ce nouvel article de presse.

Cette fois-ci, le thème couvert est la micropropulsion pour les satellites, en particulier pour les nano-satellites, catégorie dans laquelle rentrent les CubeSats. Par définition, un nano-satellite a une masse comprise entre 1 kg et 10 kg. Les micro-satellites ont quant à eux une masse allant de 10 kg à 200 kg. Au-delà de 200 kg, on parle de mini-satellites puis de (gros) satellites. Sous la barre du kg, il est question de pico-satellites. Notez que les limites données ne sont pas strictes

Le nombre de nano- et micro-satellites est en pleine expansion avec des projets et objectifs variés. En particulier on voit se répandre aujourd’hui deux grandes idées : i) remplacer les satellites standards, notamment dans le domaine des télécommunications (e.g. le projet One Web), par des constellations de petits satellites et ii) lancer une exploration à grande échelle du système solaire en multipliant le nombre de sondes interplanétaires miniatures. La généralisation des nano- et micro-satellites devrait être à l’origine d’une véritable révolution dans le domaine de l’aérospatial. L’accès à l’espace va d’abord être facilité grâce à une baisse importante des coûts. La miniaturisation va de plus augmenter la flexibilité, permettre des scénarii des missions variés, maintenir un niveau de technologie élevé via un taux de remplacement élevé et diminuer les risques d’échec grâce à la redondance.

Cependant, afin d’assurer des missions complexes et longues, il devient nécessaire d’équiper les nano- et micro-satellites de systèmes propulsifs adaptés autorisant des manœuvres telles que les transferts d’orbites, la correction de trajectoire et la désorbitation en fin de vie. L’unité de base pour les nanosatellites, donc pour les CubeSats, est le « U » qui correspond à un cube de 10×10×10 cm3, soit 1 litre. Le volume et la masse étant très limités, la propulsion chimique n’est pas adaptée. Les propulseurs à gaz froids peuvent être employés mais cette solution n’est pas optimale. En conséquence, il est nécessaire d’équiper les nano- et micro-satellites de propulseurs électriques qui permettent grâce à une vitesse d’éjection de la masse d’appui élevée de réduire de façon significative la masse de carburant à embarquer.
Il y a deux stratégies et voies de recherches sur lesquelles travaillent plusieurs laboratoires, instituts et entreprises dans le monde pour répondre à ce besoin :
1) Développer de nouveaux concepts et ou faire évoluer des technologies existantes, par exemple les propulseurs à effet de champ (FEEP), les propulseurs à arc sous vide (VAT) et les propulseurs sans cathode (Helicon, ECR, moteur ionique RF),
2) Miniaturiser les technologies couramment embarquées sur les satellites de télécommunication, les satellites d’observations et les sondes scientifiques et ayant fait leurs preuves : il s’agit en particulier des propulseurs de Hall, des moteurs ioniques à grilles et des résistojets. Aux contraintes de masse et de taille, vient s’ajouter un problème de puissance disponible à bord. Sachant que le rayonnement solaire génère une puissance moyenne de 1350 W/m2 dans la haute atmosphère terrestre, un CubeSat 1U équipé de panneaux solaires produit donc environ 3 W lorsqu’il est éclairé sur une face. On doit de plus prendre en considération des contraintes thermiques et mécaniques. Le développement d’un système propulsif pour nano- et micro-satellites est donc extrêmement complexe.

L’article de Futura-Sciences traite de la micropropulsion et plus spécifiquement de la miniaturisation des propulseurs de Hall, un thème de recherche sur lequel mon équipe planche depuis plusieurs mois. L’article aborde aussi le concept de propulseur sans parois qui offre l’avantage d’être simple et compact et qui fonctionne à puissance continue (DC) ce qui ouvre la voie au mode direct drive, c’est à dire à une connexion directe entre les panneaux solaires et le propulseurs.
L’article mentionne aussi les défis scientifiques et technologiques liés aux neutraliseurs (sources d’électrons permettant la neutralisation du faisceau d’ions) et aux nouveaux carburants qui devront se stocker sous forme liquide ou solide.

(1) Je vous invite aussi à lire cet autre article de Rémy Decourt : Les satellites électriques, une solution d’avenir, sur le site Futura-Sciences.