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.

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