Définir l’avenir de la propulsion électrique pour les opérations et les transports dans l’espace
Pour atteindre son orbite opérationnelle et être maintenu à poste dans l’espace, un satellite doit être capable de manœuvrer en utilisant ses propres propulseurs. Généralement, cela se fait à l’aide de systèmes de propulsion chimique. Les choses sont toutefois en train de changer. Si la propulsion chimique est efficace pour fournir l’énorme poussée nécessaire à la mise en orbite d’un satellite, elle est moins adaptée à la propulsion une fois que le satellite se trouve dans l’espace. En outre, les propulseurs chimiques et la structure de stockage utilisée dans les systèmes de propulsion chimique sont complexes – et coûteux. Un système de propulsion électrique (EPS) constitue une alternative possible. En offrant une poussée avec des vitesses d’échappement élevées, un EPS réduit la quantité de propergol nécessaire pour une application donnée. Toute réduction de la masse de propergol peut diminuer considérablement la masse totale d’un astronef ou d’un satellite lors de son lancement. Il est alors possible d’utiliser des lanceurs plus petits pour mettre la masse souhaitée sur une orbite donnée ou atteindre une cible dans l’espace lointain, ce qui réduit les coûts de l’ensemble de la mission. Malgré cet avantage potentiel, un EPS n’a pas les niveaux de performance ou de maturité nécessaires pour être utilisé à grande échelle. Il y a néanmoins une exception à la règle: la technologie de propulsion à effet Hall, sur laquelle c’est concentré le projet CHEOPS (Consortium for Hall Effect Orbital Propulsion System), financé par l’UE. «Lorsqu’il s’agit de densité de poussée élevée, la technologie de propulsion à effet Hall arrive en tête», déclare Idris Habbassi, coordinateur du projet CHEOPS et responsable des programmes de R&T sur les EPS spatiaux chez Safran. «Du propulseur à la cathode, en passant par le transformateur de puissance (Power Process Unit) et le système de gestion du débit (Flow Management System), ce projet s’est efforcé d’apporter les changements technologiques progressifs nécessaires pour améliorer les techniques de pointe en matière d’EPS.» Dirigé par Safran Aircraft Engines, le consortium CHEOPS est composé de certains des principaux fabricants européens de satellites, notamment Airbus Space, OHB System et Thales Alenia Space, ainsi que de représentants de la chaîne d’approvisionnement de l’EPS et du monde universitaire.
Améliorer les propulseurs à effet Hall
Les propulseurs à effet Hall (HET) emploient un champ magnétique pour limiter le mouvement axial des électrons. Ils utilisent ensuite ce mouvement afin d’ioniser le propergol, d’accélérer les ions pour produire la poussée et de neutraliser les ions dans le panache. Dans le cadre du projet CHEOPS, le but des chercheurs consistait à développer trois EPS différents basés sur le principe du HET. Il s’agissait d’un EPS de faible puissance pour les applications en orbite terrestre basse, d’un EPS bimodal pour les applications géosynchrones et d’un EPS de 20 kW à forte poussée pour les applications dédiées à l’exploration. «Chacun des HET proposés est développé en fonction des besoins du marché et en appliquant des changements technologiques progressifs aux produits EPS existants», explique Idris Habbassi. D’autres travaux ont porté sur le développement d’outils de conception numérique avancés pour la propulsion électrique. «Ces outils nous permettent de mieux comprendre le comportement observable ainsi que les interactions avec la plateforme satellitaire et de prédire les performances d’une conception donnée», ajoute Idris Habbassi. «Il s’agit notamment d’utiliser des propulseurs alternatifs et d’être en mesure d’estimer la durée de vie d’un système.»
Au-delà de l’état de l’art
Le projet a réussi à permettre à la propulsion spatiale de repousser les limites des techniques de pointe développées jusqu’à présent. «CHEOPS s’est penché sur des technologies complexes qui favoriseront à l’avenir de nouveaux types de missions spatiales, en permettant d’utiliser de petits astronefs transportant des charges utiles plus lourdes et plus sophistiquées», explique Idris Habbassi. «Ce faisant, nous avons renforcé la compétitivité européenne au niveau mondial en ce qui concerne les systèmes de propulsion électrique.» Tous les partenaires du consortium s’efforcent maintenant de faire évoluer les technologies en vue de leur utilisation dans les futures missions spatiales et de se conformer à toutes les exigences commerciales et réglementaires.
Mots‑clés
CHEOPS, espace, système de propulsion électrique, satellite, système de propulsion chimique, technologie de propulsion à effet Hall, Safran, Airbus, OHB System, Thales, propulseurs à effet Hall