1.3 Int´ erˆ et pour la Propulsion Electrique
1.3.1 Maturit´ e des Propulseurs Electriques
Suite aux ´etudes de Tsiolkovsky qui a notamment travaill´e sur la propulsion chimique, le concept de propulsion ´electrique fut introduit par Robert H. Goddard en 1906. Il d´eposa le premier brevet d’un propulseur ´electrostatique en 1920 [2, 4].
Par la suite, il faut attendre 1980 et le d´ebut de la conquˆete spatiale pour que la propulsion ´electrique fasse v´eritablement son apparition. Citons `a ce titre les avanc´ees majeures avec les travaux de A. V. Cleaver [9] et de D. G. Sheperd [10]
dans les ann´ees 80 et le d´eveloppement des premiers propulseurs op´erationnels grˆace aux travaux de E. Stuhlinger4 [11,12,13,14]. La concurrence technologique entre les Etats Unis d’Am´erique (USA) et l’URSS dans les ann´ees 60-70 constituera aussi un facteur majeur pour le d´eveloppement des diff´erentes technologies des propulseurs ´electriques (SERT I : Space Electric Rocket Test pour les USA ; et ZOND : Zond (sonde) et METEOR :Meteor (m´et´eorologie) pour l’URSS).
Aujourd’hui, les moteurs tout ´electrique sont matures et ont ´et´e utilis´es avec succ`es pour r´ealiser des missions r´eelles hors laboratoire. Parmi les nombreux vols dans les domaines spatiaux lointains, citons les plus c´el`ebres avec METEOR 1, DEEP SPACE 1 et SMART 1, dont on va expliciter le moteur de propulsion dans les prochains paragraphes.
1.3.1.1 Satellite Meteor et les Propulseurs SPTs
Les concepts de moteurs commercialis´es sont les propulseurs Russes SPTs (Sta-tionary Plasma Thrusters), les propulseurs NSTAR (NASA Solar Technology Ap-plication Readiness) des Am´ericains, et le PPS-1350 (Propulseur Plasma Station-naire) du groupe Fran¸cais SAFRAN. Les moteurs SPTs appartiennent `a la famille des propulseurs ´electromagn´etiques (voir la section 1.2.4). Ces engins ont ´et´e d´ e-velopp´es par le chercheur et ing´enieur Russe A. I. Morozov et les membres de son
´
equipe. Ils ont ´equip´e la famille des satellites Meteor d´edi´es `a la r´ecolte de donn´ees m´et´eorologiques. C’est ainsi que le 29 D´ecembre 1971, le premier satellite Meteor-18 muni de deux propulseurs SPT-50 a ´et´e mis en orbite. Les tests effectu´es sur ce vaisseau spatial au cours de son fonctionnement en 1972 ont ´et´e concluants, la pouss´ee obtenue par l’analyse des donn´ees du satellite sur les param`etres de la correction d’orbite ´etant conformes `a celles obtenues pendant les tests et les simu-lations effectu´es en laboratoire. De plus, les deux prototypes ont pu fonctionner et assurer un transfert d’orbite d’une hauteur de 17 km avec une pouss´ee de 20 mN pendant 170 heures. Ces prototypes avaient une efficacit´e comprise entre 0,15 et 0,45. La r´eussite de cette mission est due en grande partie au Professeur A. I.
Morozov [16,17,18, 19]. Une illustration de Meteor-18 et d’un moteur SPT-50 est donn´ee sur la Figure 1.1.
4. Ernst Stuhlinger (19 D´ecembre 1913 - 25 Mai 2008) ´etait un scientifique Am´ericain (d’ori-gine Allemande). Ses travaux ont ´enorm´ement contribu´e au d´eveloppement des moteurs ioniques pour la propulsion spatiale ´electrique.
1.3. Int´erˆet pour la Propulsion Electrique 13
(a) Satellite Meteor (b) SPT-50
Figure 1.1 – Repr´esentation g´en´erale du satellite Meteor : a) Meteor-18 avec 1-emplacement des propulseurs SPTs, 2- R´eservoir de X´enon. b) Un moteur SPT-50.
1.3.1.2 Deep Space 1 (DS1) et le moteur NSTAR
La sonde spatiale DS1 a servi pour la premi`ere mission interplan´etaire. Elle int`egre un engin `a grille de propulsion ionique, issue de la NASA (National Ae-ronautics and Space Administration). Son moteur est un produit du programme NSTAR (NASA Solar Technology Application Readiness) d´evelopp´e et con¸cu par les chercheurs et ing´enieurs de l’´equipe NASA GRC, JPL et Hughes/Boeing. Elle a ´et´e lanc´ee le 24 Octobre 1998 et termina sa mission le 18 D´ecembre 2001. L’ex-p´edition fut un grand succ`es et permit de valider les performances de la propulsion
´
electrique en particulier celle des moteurs de la s´erie NSTAR pour les mission dans les espaces lointains. Ce moteur propulsa le v´ehicule spatial sur environ 263.179.600 km avec un incr´ement de vitesse Δv `a plus de 4,3 km/s. Pour cette op´eration la masse de X´enon consomm´ee (environ 82 kg) a permis au moteur NSTAR de fournir des pouss´ees comprises entre 19 mN et 92 mN pour des puissances ´electriques de 0.5 `a 2.3 kW. L’Isp correspondante fut de 1900 `a 3100s (plus de dix fois sup´erieure
`
a celle d’un moteur chimique conventionnel) pour plus de 16000 heures de fonc-tionnement o`u son efficacit´e η a vari´e entre 0,42 et 0,62. Le voyage de DS1 fut le plus suivi de l’histoire et le plus productif en publications scientifiques [20]. La Figure 1.2 montre DS1 et son propulseur ionique.
1.3.1.3 SMART-1 et le PPS-1350
L’agence spatiale europ´eenne ESA (European Space Agency) cr´e´ee en Mai 1975 (comparativement `a la NASA : Juillet 1958) a envoy´e sa premi`ere sonde lunaire 100% ´electrique SMART-1 (Small Mission for Advanced Research in Technology) le 27 Septembre 2003. SMART-1 ´etait ´equip´e d’un propulseur plasmique `a effet Hall appel´e PPS-1350 con¸cu par le constructeur Fran¸cais SNECMA du groupe SAFRAN. Ce propulseur ´electrique est l’´equivalent du SPT-100 du constructeur Russe Fakel. Mis en orbite g´eostationnaire par le lanceur Ariane-5, le satellite a atteint son orbite lunaire en Novembre 2004 pour accomplir ses missions scienti-fiques. Grˆace `a son moteur `a plasma d´elivrant 68 mN de pouss´ee avec une Isp de 1640 s pour une puissance maximale de 1,19 kW fournie par les deux panneaux
(a) SD1 en vol (b) Le Propulseur NSTAR
Figure 1.2 – a) Le satellite DS1 de la NASA en vol dans l’espace, la lumi`ere bleu est le jet du fluide propulsif provenant de l’ionisation du X´enon. b) Le moteur ionique `a grille avec 30 cm de diam`etre pour un poids de 8.3 kg qui a servi de moyen de propulsion de DS1. (Cr´edit photo : NASA)
solaires int´egr´es `a son plateforme. SMART-1 a parcouru plus de 100×106 km en consommant seulement 82 kg de X´enon. Le PPS-1350 a pu produire des pouss´ees pendant une dur´ee cumul´ee d’environ 4958 heures dont 240 heures de mani`ere continue, c’est-`a-dire sans interruption de puissance. Cette mission fut une grande r´eussite, et le moteur `a effet Hall de la SNECMA utilis´e d´etient le record en terme de dur´ee de vie avec plus de 10500 heures au point nominal sans d´efaillance et sans d´egradation notable des performances. Le Tableau 1.3 resume les grandeurs caract´eristiques relatives `a la sonde SMART-1 [21, 22]. La Figure 1.3 illustre la mission SMART-1 et une photo du PPS-1350.
Grandeur valeur
Masse totale (m0) 370 kg Masse de carburant (Xe) 82kg Incr´ement de vitesse (Δv) 3,7 km/s Puissance ´electrique (Pel) 1,14 kw
Pouss´ee (T) 68mN
Impulsion Sp´ecifique Isp 1540 s Efficacit´e (η) 0,45- 0,60
Table 1.3 – Les valeurs moyennes des grandeurs caract´eristiques de la mission interplan´etaire tout ´electrique SMART-1 de l’agence spatiale europ´eenne (ESA).