L’amélioration de la propulsion électrique de faible puissance se révèle prometteuse pour les futurs réseaux de satellites
L’industrie des satellites évolue rapidement, en particulier dans les secteurs de l’orbite terrestre basse et moyenne (OTB/OTM), pressant l’Europe à innover rapidement pour renforcer sa position stratégique mondiale. Le succès de l’Europe sur le marché des satellites est étroitement lié à de hautes performances, à une adéquation avec la production de masse, à une adaptabilité immédiate et à des prix compétitifs. Pour répondre efficacement aux exigences de ce marché cible, les systèmes de propulsion électrique de faible puissance se doivent d’être très flexibles et capables de fonctionner avec des propulseurs au xénon et au krypton dans une large gamme de puissance, allant jusqu’à 1 kW.
L’aube des systèmes de propulsion de faible puissance
S’appuyant sur les succès de CHEOPS I, le projet CHEOPS LOW POWER, financé par l’UE, entend apporter des avancées incrémentales au premier système européen de propulsion électrique de faible puissance d’ici le début de l’année 2025. La recherche porte sur des composants clés tels que le propulseur à effet Hall et le système de gestion des fluides, qui atteignent le niveau de maturité technologique (TRL) 7, ainsi que sur l’unité de traitement de la puissance, qui atteint le TRL 6. «Nous entendons relever les défis relatifs à la compacité, à la modularité, à l’allongement de la durée de vie, aux faibles coûts et aux taux de production élevés, ainsi qu’à la gestion flexible du propergol», explique Vanessa Vial, coordinatrice du projet. «Nous entendons également proposer une stratégie de qualification pour l’unité de propulsion afin de réduire les coûts récurrents grâce à une approche standardisée pour tous les clients.» Pour ce faire, CHEOPS LOW POWER adopte une stratégie de design-to-cost (conception à coût objectif), en utilisant des composants disponibles sur le marché et en déployant des approches de production allégées. Il se propose d’exploiter de nouvelles technologies et de développer des outils de conception numérique avancés pour la propulsion électrique afin de mieux anticiper les performances et le comportement des propulseurs dans leurs environnements opérationnels. Les chercheurs s’efforceront également de normaliser les diagnostics des propulseurs à effet Hall, jetant ainsi les bases de leur prochaine démonstration en orbite.
Accélérer l’innovation dans le domaine de la propulsion électrique de faible puissance
À la fin de la première phase du projet, les essais fonctionnels et mécaniques ont confirmé que l’unité de propulsion, l’unité de traitement de l’énergie et le système de gestion des fluides sont compatibles avec les propergols au xénon et au krypton, atteignant une puissance de 1 kW. Leurs performances ont atteint, voire dépassé, les références actuelles du domaine. Une étape importante a été franchie avec l’achèvement, en 2023 de la revue de conception fonctionnelle du système de propulsion électrique de faible puissance. Les essais de couplage sont planifiés pour la mi-2024, et l’examen de l’état de qualification pour la fin de l’année. Les chercheurs ont également amélioré HYPHEN-2, une plateforme de simulation multi-propulseurs, en appliquant de nouveaux algorithmes qui représentent plus précisément la décharge du plasma, la conception du propulseur et les conditions limites. Ces améliorations ont permis d’étendre les capacités de l’outil à l’évaluation des propergols alternatifs et à l’estimation de la durée de vie des systèmes de propulsion. Elles ont également permis une réduction considérable (33 %) du temps de simulation. Les méthodes de diagnostic ont été affinées et étendues afin de mieux appréhender et analyser les paramètres du plasma dans le système du propulseur. La spectroscopie d’émission optique combinée à un modèle collisionnel-radiatif s’est avérée efficace dans le cadre des campagnes d’essais. Les résultats des essais ont été comparés aux mesures effectuées par la sonde de Langmuir, ce qui a révélé un degré élevé de similitude dans les paramètres internes du plasma obtenus. «Ces résultats soulignent la valeur de la spectroscopie d’émission optique en tant qu’outil de diagnostic non invasif. Son déploiement dans des installations d’essai et la surveillance en vol est prometteuse pour la détection et la surveillance en temps réel des changements de paramètres critiques», explique Vanessa Vial. De plus, la fluorescence induite par laser résolue dans le temps a permis d’établir une corrélation entre le comportement transitoire ou oscillatoire de l’unité de propulsion et la physique sous-jacente à l’origine des instabilités ou des oscillations. «D’ici 2025, CHEOPS LOW POWER devrait révolutionner les marchés des satellites OTB/OTM dans le monde, en particulier le secteur des constellations de satellites. À terme, l’initiative entend transformer le secteur de la conception et de la fabrication de satellites en inaugurant une approche qui intègre dès le départ les capacités de l’industrie et les besoins des clients», conclut Vanessa Vial.
Mots‑clés
CHEOPS LOW POWER, propulsion électrique de faible puissance, propergol, xénon, krypton, propulseur à effet Hall, constellations de satellites