Propulsion électrique (spatial)

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher
Page d'aide sur l'homonymie Pour les articles homonymes, voir Propulsion électrique.

La propulsion électrique dans le domaine spatial est un type de propulsion à réaction dans laquelle l'électricité est utilisée comme source d'énergie pour accélérer le fluide. Ce type de propulsion spatiale contrairement à la propulsion chimique ne fournit pas des poussées suffisamment importantes (poussée < 1 newton soit 100 gramme-force) pour placer en orbite des satellites artificiels mais dans l'espace elle permet grâce à une impulsion spécifique très élevée de réduire de manière très importante (jusqu'à 10 fois) par rapport aux autres types de propulsion la masse d'ergols nécessaire pour manœuvrer un engin dans l'espace. L'énergie électrique est fournie généralement par des panneaux solaires.

Des prototypes de propulseurs ont été développés dans les années 1960 mais ce n'est que depuis les années 2000 que son emploi s'est généralisé sur les satellites circulant en orbite géostationnaire pour les corrections orbitales et sur certaines sondes spatiales pour l'exploration du système solaire (Smart 1, Dawn, Hayabusa). De nombreuses techniques coexistent mais deux filières sont particulièrement développées : les moteurs à effet Hall et les moteurs ioniques à grilles.

Historique[modifier | modifier le code]

Le concept de la propulsion électrique spatiale est décrit de manière relativement simultanée et indépendante en 1906 par les pionniers du domaine spatial Robert Goddard en 1906 et Constantin Tsiolkovsky en 1911. Différents modalités de mise en œuvre sont décrites par Hermann Oberth en 1929 puis par Shepherd et Cleaver en Grande-Bretagne en 1949. Les premières recherches pratiques démarrent dans les années 1960 au début de l'ère spatiale. Elles sont menées aux États-Unis par le centre de recherche Glenn de la NASA, par le JPL et par les laboratoires de recherche Hughes et en Union soviétique par plusieurs laboratoires de recherche. Les premiers propulseurs électriques expérimentaux utilisés dans l'espace sont des moteurs ioniques utilisant comme fluide du mercure ou du césium. Les recherches soviétiques se concentrent sur les moteurs à effet Hall tandis que les chercheurs américains s'intéressent plus particulièrement aux moteurs ioniques à grilles[1].

L'installation d'un couple de moteurs SPT-60 à bord des satellites météorologiques soviétiques Meteor (premier lancement en 1971) constituent la première application opérationnelle de la propulsion électrique spatiale. Ces moteurs à effet Hall sont utilisés pour maintenir les satellites sur leur orbite. Le Japon lance en 1995 le satellite Engineering Test Satellite VI qui est équipé d'un moteur ionique à grilles. Aux États-Unis la première utilisation commerciale débute en 1997 avec le lancement de satellites de télécommunications Hughes équipés de moteurs XIPS (Xenon Ion Propulsion System). La sonde spatiale Deep Space 1 lancée en 1998 est le premier engin destiné à explorer le système solaire dont la propulsion principale est assurée par un moteur électrique[1]

Principe de fonctionnement[modifier | modifier le code]

Elle produit une poussée moins élevée que celle des propulsions chimiques mais la poussée s'exerce beaucoup plus longtemps.

Mais il y a des inconvénients :

  • la durée des missions est allongée en raison de la faible poussée.
  • la puissance des panneaux étant limitée, par conséquent cela réduit aussi la poussée du moteur.

Le propulseur magnétoplasmadynamique se rapproche de ce type de propulsion.

Familles de propulseurs[modifier | modifier le code]

Les propulseurs électriques peuvent être rangés dans trois catégories :

  • Les propulseurs électrochimiques dans lesquels un fluide est porté à une température élevée par une décharge électrique. Le gaz résultant se détend dans une tuyère. Ce sont les arcjets, propulseurs électrothermiques à hydrazine.
  • Les propulseurs électromagnétiques dans les lesquels le fluide est utilisé sous forme de plasma ionisé qui est accéléré par une interaction entre les champs électrique et magnétique : ce sont les propulseurs magnéto plasma dynamique MPD, propulseur à plasma pulsé PPT
  • Les propulseurs électrostatiques dans les lesquels le fluide est utilisé sous forme de ions accélérés par un champ électrique. Ce sont les moteurs ioniques, les propulseurs à effet Hall.
Principales caractéristiques des moteurs spatiaux électriques
Mécanisme d'accélération Moteur Impulsion spécifique (s) Poussée (N) (valeurs indicatives)
Propulsion électrothermique Résistojet
Arcjet 500 - 2 000 0.15 - 0.30
Propulsion électromagnétique
(forces de Lorentz)
Propulseur magnétoplasmadynamique (MPD) et LFA (Lorentz Force Accelerator) 1 000 - 10 000 20 - 200
propulseur à force ponderomotrice (ElPT) 1 000 - 10 000 1×10−3 - 100
MPD pulsé = Propulseur à plasma pulsé (en) (PPT)
Propulsion électrostatique Césium contact 7 000 4×10−3
Propulseur à émission de champ (FEEP) 5 000 - 8 000 10×10−6 - 2.5×10−3
Moteur ionique à grilles 3 000-8 000 0,05-0,5
Propulseur RIT (Radiofrequency ionisation thruster) 18×10−3 - 100×10−3
Helicon Double Layer
Propulseur à effet Hall (SPT, PPS, ALT) 1 000 - 3 000 10×10−3 - 1.5

Applications[modifier | modifier le code]

Contrôle d'attitude[modifier | modifier le code]

Maintien à poste des satellites en orbite géostationnaire[modifier | modifier le code]

Propulsion interplanétaire ; sondes spatiales[modifier | modifier le code]

La sonde spatiale de la NASA Deep Space 1 lancée en 1998 est la première à utiliser comme propulsion spatiale un moteur électrique. La sonde Smart-1 de l'Agence spatiale européenne est lancée en 2004 et se place en orbite autour de celle-ci à l'aide de la propulsion électrique. Elle utilise le moteur PPS-1350 de Snecma qui produit une poussée de 9 grammes-force. C'est la première sonde européenne à rejoindre un corps du système solaire et à s'y être satellisé à l'aide d'une propulsion électrique.

Exemples de moteurs[modifier | modifier le code]

Parmi ces moteur figurent :

  • le PPS-1350 d'une poussée de 9 grammes-force.
  • le PPS-5000 d'une poussée de trente-deux grammes-force qui fonctionne pendant 15 000 heures et qui consomme 5 kW de puissance électrique ; le moteur de la SNECMA est adopté en 2015 pour la nouvelle famille de Spacebus Neo[2].
  • le PPS-20k qui consomme 20 kW de puissance et produit une poussée de 100 grammes-force.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters, p. 2-3
  2. Pierre-François Mouriaux, « Le moteur PPS-5000 équipera les satellites Neosat », dans Air & Cosmos, no 2486, 29 janvier 2016

Sources[modifier | modifier le code]

  • (en) Dan M. Goebel et Ira Katz, Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters, JPL SPACE SCIENCE AND TECHNOLOGY SERIES, , 493 p. (lire en ligne)
  • (en) George P Sutton et Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements 8e édition, Wiley, (ISBN 978-0-470-08024-5)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]