Propulsion électrique des engins spatiaux

Introduction

Il existe déjà de nombreux sites webs consacrés à la propulsion électrique des engins spatiaux, aux technologies des moteurs ioniques ou à plasma comme le concept VASIMR. Le concept est maîtrisé, car plusieurs missions, dont SMART 1, ont déjà exploité des moteurs ioniques. Il n'est pas question ici d'en rappeler les détails, mais de discuter de l'exploitation de ces systèmes de propulsion dans le cadre d'un voyage habité aller-retour vers Mars. A priori, le concept semble intéressant car en propulsion chimique classique la masse des ergols embarqués dans les fusées est colossale. En ce qui concerne les moteurs ioniques ou à plasma, ils permettent précisément une grande économie de carburant. Le principe du moteur ionique est simple : il faut d'abord ioniser un gaz, puis accélérer les ions grâce à la force électromagnétique. Les ions sont ensuite éjectés à très grande vitesse (de l'ordre de 50 km/s) dans la direction opposée au déplacement de la fusée. Il existe 4 caractéristiques essentielles :

1. Exercice d'application : quelle durée pour atteindre 1 km/s ?

Pour se faire rapidement une idée, il est utile de prendre un exemple. Supposons que le vaisseau soit équipé d'un moteur ionique alimenté par des panneaux solaires ou un réacteur nucléaire. Prenons en considération les données du système NEXIS (Nuclear Electric Xenon Ion System) publiées dans la référence suivante :
J.E. Polk et al, An overview of the Nuclear Electric Xenon Ion System (NEXIS) Program, Joint AIAA Propulsion Conference, Huntsville, Alabama, 20-23 juillet 2003.
Ce système requiert 20 kW électrique pour obtenir une impulsion spécifique de 7500 secondes avec une poussée de 0,4 Newton. Supposons que nous disposions de 100 kW et prenons 5 moteurs à propulsion ionique de ce type. Cela fait une poussée de 2 Newtons. Si un souhaite augmenter la vitesse d'un vaisseau de X tonnes de 1 km/s, par exemple pour atteindre la vitesse de libération martienne à partir d'une orbite martienne déjà haute, combien de tonnes d'ergols faut-il et combien de temps doit durer la poussée ? Voici quelques équations importantes pour tout calculer :

Pour simplifier, nous avons considéré que le système de propulsion (moteurs et réservoirs) était inclus dans la masse de la charge utile, ainsi que le système de production électrique. En ce qui concerne la masse des ergols, comme on peut le voir sur le graphe ci-dessous, les calculs montrent que les besoins sont très faibles. C'est l'avantage fondamental des systèmes de propulsion ionique. A titre d'exemple, pour le même Delta V de 1 km/s, un vaisseau de 100 tonnes en propulsion chimique a besoin d'environ 25 tonnes d'ergols, là ou le besoin de la propulsion ionique reste inférieure à 2 tonnes !

Le graphe ci-dessous montre la durée nécessaire pour atteindre un Delta V de 1km/s en fonction de la masse du vaisseau. Ces durées sont colossales ! Pour un vaisseau de 10 tonnes tout compris, ce qui est très faible, il faut plus de 50 jours pour atteindre 1 km/s ! Pour un vaisseau de 100 tonnes, il faut près de 600 jours ! Nous sommes pourtant partis avec 5 moteurs ioniques et une puissance de 100 kW. Avec une telle puissance, les panneaux solaires deviennent gigantesques ou le réacteur nucléaire devient imposant.

Conclusion préliminaire :
Si l'enjeu est de gagner quelques dizaines de mètres par seconde et si le temps n'est pas une trop grande contrainte, un tel moteur peut s'avérer intéressant. Mais pour lancer un vaisseau habité vers Mars, avec un Delta V de l'ordre de 15 km/s à partir de l'orbite basse, une masse de plusieurs dizaines de tonnes et une durée de voyage déjà très importante, l'intérêt de la propulsion ionique paraît limité. On peut noter que cela vaut à la fois pour la propulsion ionique et la propulsion plasmique, dont les contraintes d'application sont similaires. Voyons néanmoins quelles sont les pistes qui pourraient nous faire changer d'avis ...

2. Et si on disposait de plus d'énergie ?

La quantité d'énergie disponible est un élément clé du problème. Si on dipose de plusieurs MegaWatts, il est possible de multiplier les petits moteurs ioniques pour gagner en poussée. Bien entendu, pour une telle puissance, la masse du système de propulsion n'est plus négligeable. Prenons un exemple et supposons que nous disposions d'un réacteur nucléaire de 10 MW. On pourrait atteindre plus de 100 tonnes de poussée ! Mais quelle serait la masse d'un telle centrale énergétique ? Très probablement plusieurs dizaines de tonnes. De plus, il faudrait également tenir compte de la masse des propulseurs ioniques. Dans ce cas, il serait préférable d'utiliser un VASIMR, car ce dernier permet une poussée plus importante avec en plus la possibilité de moduler la poussée et l'impulsion spécifique (d'où le nom VASIMR qui signifie VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket).
En conclusion, on voit qu'il y a un paramètre fondamental : le nombre de kg nécessaire à la production de chaque kW. Par exemple, si un réacteur nucléaire peut avoir une masse spécifique de 1kg / kW, pour 10 MW, cela fait seulement 10 tonnes. Mais une telle valeur est-elle possible ? Des études ont été menées par les Américains et les Russes.

Le réacteur SAFE-400 a ainsi une masse spécifique d'environ 5kg/kW, ce qui est remarquable. Ce réacteur n'a pas été qualifié pour le vol spatial et l'estimation de masse n'inclut pas d'éventuels dispositifs de protection contre les radiations si des astronautes sont embarqués dans le même vaisseau. Il faut donc être prudent sur les valeurs qui sont avancées. Malgré tout, cela donne un ordre d'idée de ce qu'il est possible de faire avec les technologies actuelles.
Remarque : une fois le vaisseau lancé, le réacteur nucléaire est toujours là. Avec des ergols supplémentaires, on peut poursuivre l'accélération pour réduire la durée du trajet vers Mars. Cela nous amène directement au chapitre suivant !

3. Mars en 39 jours, la proposition utopique de Franklin Chang-Diaz

Chang-Diaz, spécialiste du moteur VASIMR, a publié un article révolutionnaire dans lequel il affirme que Mars peut être ralliée en 39 jours. Voici un résumé tiré de la référence suivante :
A survey of missions using VASIMR for flexible space exploration Cet article est disponible dans la liste des publications de la société Ad Astra. En Français, on peut également voir la synthèse parue dans la revue Ciel & Espace n°477, pages 10-13, février 2010. Voici un résumé du concept :

Ce concept est intéressant (voir ci-dessus le vaisseau de Chang-Diaz), mais tel qu'il est présenté, il est totalement utopique pour les raisons suivantes :

Il s'agissait en fait d'un exercice d'application pour voir les limites temporelles qu'on pouvait atteindre. Les médias ont retenu le nombre fantastique de 39 jours, ce qui, du point de vue communication était bien joué, mais ce nombre n'est pas réaliste. De façon plus sérieuse, Chang-Diaz et ses co-auteurs ont proposé des variantes sensiblement plus longues et plus crédibles d'un point de vue technologique.
Conclusion : nous n'irons pas sur Mars en 39 jours avec un vaisseau de 600 tonnes. Mais alors, que faire avec la propulsion ionique ?

4. Exploiter la propulsion ionique à bon escient

Il existe 2 stratégies totalement différentes. La première consiste à exploiter la propulsion électrique pour réduire la durée de la mission de façon drastique, de manière à mettre en oeuvre une mission de type opposition. La deuxième consiste à rester sur une mission de type conjonction et à exploiter la propulsion électrique uniquement pour réduire la masse initiale en orbite basse. En général, les scénarios basés sur la propulsion électrique suggèrent l'utilisation d'un réacteur nucléaire. Toutefois, l'exploitation d'un réacteur nucléaire comporte certains risques, qui ne sont pas nécessairement plus importants que ceux liés à l'exploitation de la propulsion chimique, mais encore faut-il le prouver et convaincre les décideurs. Une alternative est l'utilisation de panneaux solaires, si la puissance requise n'est pas trop importante. Pour illustrer notre propos, nous proposons une mission d'opposition qui utilise un réacteur nucléaire et une mission de conjonction qui utilise des panneaux solaires. Ces 2 scénarios sont décrits ci-dessous.

  1. Mission d'opposition
    Il s'agit typiquement d'un scénario similaire à celui proposé par Chang-Diaz avec des valeurs réalistes. Une étude allemande, basée sur une architecture de mission identique à celle de la mission de référence de la NASA DRM 3.0 avec 6 astronautes a montré qu'il était possible d'exploiter la propulsion électrique de façon efficace, en permettant une grande flexibilité de la mission, avec un retour de Mars pratiquement à tout moment. Voici la référence de cette étude : T.D. Schmidt et W. Seboldt, M. Auweter-Kurtz, "Flexible piloted Mars mission using continuous electric propulsion", Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 43, n°6, novembre-décembre 2006 . Les caractéristiques du scénario sont les suivantes (ordres de grandeur) : Remarque : dans cette étude, la satellisation en orbite terrestre du vaisseau de retour n'est pas prévue (elle requiert davantage d'ergols). Le système de propulsion interplanétaire est donc perdu, ce qui est dommmage. Par ailleurs, il faudrait également prévoir une déviation du vaisseau interplanétaire et une séparation avec la capsule de sorte que le réacteur nucléaire n'entre pas directement dans l'atmosphère terrestre, ni à la fin de la mission, ni à aucun autre moment de sa future trajectoire dans le système solaire. Malgré tout, en termes de flexibilité et d'IMLEO, ce scénario est compétitif, d'autant plus qu'il est basé sur l'envoi de 6 astronautes, alors que nous préconisons d'en envoyer moins. Il mérite donc d'être approfondi.

  2. Mission de conjonction :
    Voici un scénario qui exploite la propulsion électrique pour réduire au maximum la masse initiale en orbite basse avec une puissance électrique très modeste fournie par des panneaux solaires. Dans le concept 2-4-2 avec 2 astronautes par vaisseau et 4 sur Mars, l'IMLEO a déjà été réduite à moins de 500 tonnes en prenant des hypothèses relativement conservatrices. Voyons comment nous pourrions encore la réduire. Les valeurs données sont approximatives. Malgré tout, elle montre l'ampleur des gains possibles en exploitant la propulsion électrique.

Conclusion

La propulsion électrique permet une économie d'ergols substantielle. Malgré la faible poussée qu'elle procure et la forte puissance électrique qu'elle requiert, il est possible de l'exploiter pour réduire l'IMLEO ou réduire la durée de la mission grâce à un scénario de type opposition. Il existe déjà des systèmes de propulsion électrique et des études avancées ont déjà été menées concernant les systèmes énergétiques spatiaux de forte puissance. La faisabilité semble donc assurée. Un paramètre important du problème est la masse spécifique du système énergétique qui s'exprime en kilogramme par kiloWatt. Pour obtenir des megaWatts de puissance, un réacteur nucléaire est probablement incontournable, ce qui peut poser des problèmes écologiques, éthiques et politiques. A moins de construire d'immenses panneaux solaires ultralégers ? Affaire à suivre ...

ps : merci aux membres du forum de la conquête spatiale pour leur aide !

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