Archives de catégorie : Propulsion & Espace

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.

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.

Paire de propulseurs de Hall de 5 kW installés sur le bras robotisé du satellite Eutelsat 172B d’Airbus (crédit: Airbus). On aperçoit également les 2 cathodes externes.

Le lanceur Ariane V a lancé cette nuit avec succès (mission VA 237) le satellite de télécommunication Eutelsat 172B qui va rejoindre l’orbite géostationnaire grâce à la propulsion électrique.
Le satellite est basé sur la plateforme Eurostar E3000 d’Airbus en version tout électrique qui est équipée de 5 propulseurs de Hall de 5 kW. Quatre propulseurs sont installés par paires (un principal et un de réserve, qui fonctionneront sans doute alternativement) sur deux bras robotiques déployables alors que le cinquième est fixé sur la structure. Les propulseurs vont assurer le transfert d’orbite mais aussi les manouvres de maintien à poste tout au long de la vie du satellite. On distingue clairement sur la photographie ci-dessus 2 propulseurs de Hall de 5 kW installés sur un des bras du satellite.

L’utilisation de la propulsion électrique permet de diviser drastiquement la quantité de carburant à embarquer. Deux options s’offrent alors à l’opérateur : garder la masse constante mais remplacer la masse d’ergol par de la charge utile ou alors réduire la masse du satellite pour diminuer le coût du lancement. Cette dernière option a été retenue pour Eutelsat 172B dont la masse est de 3,5 tonnes, contre 6 tonnes pour un satellite équivalent propulsé par des moteurs chimiques.

Airbus n’est pas le premier fabricant de satellites à passer au « tout électrique ». Le constructeur américain Boeing a déjà fait voler deux satellites électriques il y a deux ans (voir mon article du 17 octobre 2015) basés sur sa plateforme 702SP. Néanmoins, les satellites de Boeing sont équipés de moteurs ioniques à grilles et non de propulseurs de Hall. Si ils permettent, grâce à une vitesse d’éjection des ions plus élevée, d’économiser une masse de carburant plus importante, le temps nécessaire au transfert d’orbite est plus long car le niveau de poussée d’un MIG et nettement plus faible que celui d’un PH. Eutelsat 172B mettra 4 mois pour rejoindre son orbite de travail alors que les satellites de Boeing ont mis 6 et 7 mois.

Nous sommes définitivement entrés dans l’ère des satellites « tout électrique ». On estime aujourd’hui que les satellites à propulsion électrique représenteront 50% du marché des satellites de télécommunication à l’horizon 2020. Je reste convaincu qu’au cours de la prochaine décennie, la propulsion électrique équipera une grande partie des satellites d’observation, les constellations de petits satellites de télécommunication ainsi que les micro-satellites et les CubeSats. On devrait assister à la miniaturisation des systèmes propulsifs (par exemple des MIG et PH miniatures) et à l’émergence de nouvelles technologies telles que les FEEPs (propulseurs à effet de champ) et les VATs (propulseurs à arc sous vide).

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…

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.

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.

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.

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.

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.