Archives de catégorie : Propulsion & Espace

MPCS 3

Je viens de participer à la 3ème édition du congrès international MicroPropulsion & CubeSats. Après Bari et Singapour, le congrès, organisé par mon collègue Michael Keidar, se déroulait à Washington D. C. Nous étions une soixantaine de scientifiques, majoritairement américains, réunis à l’Université G. Washington pendant deux jours pour débattre des avancées et nouveautés dans ce domaine en expansion rapide.
Contrairement aux deux premières éditions, un très faible nombre de conférences étaient dédiées aux propulseurs de Hall miniatures, ce qui montre que cette technologie devient mature, avec de nombreux acteurs, mais aussi que les autres technologies progressent.
Plusieurs présentations concernaient les propulseurs ElectroSprays, FEEP, PPT et VAT, avec des exemples de missions passées et à venir ainsi que les retours en vol des missions réalisées par des cubesats équipés des FEEP d’Enpulsion.
On a également parlé des développements des propulseur à micro-ondes de type résistojets (faible impulsion spécifique et forte densité de poussée) avec des carburants alternatifs type S02, H20, NH3, tels que ceux proposés par les sociétés Vacco et Momentus. Busek a révélée les dernières avancées sur son petit moteur ionique à grilles à di-iode équipée d’une cathode RF dérivée de leur moteur car l’iode reste difficile a employé avec cathodes à émetteurs thermoioniques.
Il a bien sûr été question de simulations numériques et de travaux plus fondamentaux, notamment sur les tuyères magnétiques. De notre côté, j’ai présenté les premiers résultats de Diffusion Thomson Incohérente obtenus sur une cathode et un propulseur de Hall de 200 W. Ces études ont été accueillies avec enthousiasme par la communauté ; une fois encore, la France est en avance.

La prochaine édition du congrès MPCS se tiendra à Pékin en Chine en Mai 2019. Quant à la cinquième édition, elle sera organisée en France à Toulouse par moi-même et mon ami Laurent Garrigues avec le soutien du CNES.

Space Propulsion 2018

L’édition 2018 du congrès Space Propulsion se tenait à Séville en Espagne du 14 au 18 mai.
Mon équipe était bien sûr sur place pour présenter des résultats de recherche sur l’écrantage magnétique des petits propulseurs de Hall (P < 300 W) et sur les cathodes/neutraliseurs.

Voilà d’après moi ce qu’il faut retenir de ce congrès :

      • Le nombre de participants avoisinait 700, ce qui démontre l’intérêt de ce congrès européen et sa place sur la scène internationale, son importance pour tous les acteurs du domaine et la bonne santé du secteur spatial.
      • Les travaux de R&D sur les micropropulseurs pour les satellites (CubeSats, micro- et mini-satellites)  prennent de l’importance avec une augmentation significative du nombre de laboratoires, instituts et entreprises (dont des startups) concernés. Aucun type de systèmes propulsifs n’est épargné avec des progrès à tous les niveaux : propulseurs, composants et systèmes. La « révolution d’échelle » est en marche avec à la clé un accès à l’espace plus simple, plus rapide, moins coûteux et des possibilités en termes de missions, exploitation et marché que l’on a encore du mal à cerner dans leur globalité.
      • De nouvelles expériences réalisées par mon collègue Martin Tajmar de l’Université de Dresden montrent qu’il est fort probable – comme je le pense, voir mon article du 2 janvier 2017 – que le concept d’EM-Drive ne génère aucune poussée, contrairement à ce que certains maintiennent depuis des années. Comme je l’ai expliqué à plusieurs reprises, la « poussée » qui semblait avoir été observée dans certaines manipulations est en fait un artefact, une erreur de mesure. Martin a par exemple expliqué lors de sa conférence au SP 2018 qu’il fallait prendre en compte les effets électromagnétiques (inductifs et capacitifs) au niveau des câbles et des structures. Il faut aussi se méfier des effets thermiques et des effets mécaniques dus à la pression de radiation du champ électromagnétique dans la cavité RF. Des expériences très minutieuses sont également en cours au NRL (voir le congrès IEPC 2017). Je suis convaincu qu’elles aboutiront à la conclusion que l’EM-Drive ne génère aucune force et que la loi de conservation de la quantité de mouvement n’est pas violée.

Falcon 9 Block 5

J’ai suivit hier soir en direct avec enchantement le lancement depuis Cap Canaveral de la fusée Falcon 9 Block 5 de Space X. Vol parfaitement réussi avec récupération du premier étage sur une barge située dans l’océan atlantique. Il s’agissait du vol inaugural de la nouvelle version du lanceur Falcon 9, la version quasi finale. Le modèle Block 5 nécessite une maintenance très réduite après récupération ce qui va faciliter sa réutilisation. E. Musk vise 24 heures entre deux lancements consécutifs. S’il y parvient – faisons lui confiance – le domaine connaîtra un bouleversement majeur.

Tout bouge très vite actuellement dans l’aérospatial. Space X réfléchit à la récupération du deuxième étage de Falcon 9 et de la coiffe, de quoi encore réduire les coûts. Blue Origin progresse aussi de son côté et pourrait bientôt concurrencer Space X. La Chine fait peu de bruit mais réalise des pas de géants dans tous les secteurs. L’Europe n’est pas en reste même si elle a les moyens de faire beaucoup mieux. Les grands acteurs se transforment et voient grand. Des startups se créent chaque jour partout sur la planète. Leurs dirigeants, dynamiques et motivés, proposent de nouveaux concepts, des innovations et solutions et des projets qui concernent l’orbite terrestre, la Lune, les astéroïdes, les planètes géantes et leurs satellites, voire les exoplanètes. Des frontières disparaissent. De nouvelles perspectives émergent. Le rêve devient petit à petit réalité.

L’avenir de l’homme se jouera dans l’espace, ou ne se jouera pas.
J’en suis convaincu.

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.