l’énergie peut être fournie au liquide propulsif est indépendant de la masse du liquide propulsif : pour cette raison des très grandes poussées peuvent être atteintes. L’autre grande famille des propulseurs spatiaux est constituée des propulseurs électriques. Au contraire des propulseurs chimiques, les propulseurs électriques ne sont pas "à énergie limitée" parce qu’ils séparent leur source d’énergie du liquide propulsif. Ils utilisent une source d’énergie externe (comme l’énergie solaire transformée en électricité par les panneaux solaires). Ainsi en théorie l’énergie qui peut être fournie au liquide propulsif est illimitée (dans la réalité elle est limitée par la taille du système d’alimentation) : mais de très grandes vitesses d’éjection peuvent être atteintes. Ces propulseurs sont dit, cependant "à puissance limitée" parce que la puissance qui peut être fournie au fluide propulsif est limitée par la masse du système d’alimentation. C’est à cause de cette limitation que les propulseurs électriques fournissent de faibles poussées (voir Fig.1.4). La propulsion électrique appartient aux systèmes propulsifs avancés. L’objectif des systèmes propulsifs avancés est de réduire les coûts des missions spatiales et aussi de rendre possible des missions qui seraient impossibles avec les systèmes propulsifs classiques, comme par exemple les voyages interplanétaires [21]. Une façon de diminuer le coût d’une mission spatiale est donc d’augmenter l’efficacité du système propulsif employé. À partir de l’équation 1.21 il est évident que pour augmenter l’efficacité d’un propulseur il faut augmenter la vitesse d’éjection du fluide propulsif. Plus la vitesse d’éjection est grande et plus la masse de fluide propulsif nécessaire pour atteindre une certaine vitesse sera petite(voir équation 1.13). Le tableau 1.2 montre quelques paramètres de performances pour différentes types de systèmes propulsifs : chimique, nucléaire3, électrothermique et électrique (les valeurs en vert sont les paramètres de performances typiques pour les différentes technologies prises en compte). L’avantage de la propulsion électrique est donc sa très grande vitesse d’éjection et par conséquent sa très grande impulsion spécifique : soit une utilisation plus efficace du fluide propulsif.
1.3
Types de missions spatiales
Le système propulsif d’un véhicule spatial est choisi d’abord selon la typologie de manœuvre qu’il doit effectuer. Chaque mission demande des manœuvres différentes. Il y a plusieurs typologies de véhicules spatiaux selon la mission qui doit être effectuée : le lanceurs, les satellites, les sondes interplanétaires, etc. Chacun de ces véhicules
3La fission nucléaire comme source d’énergie pour un éventuel système propulsif nucléaire n’a jamais été utilisée. Il y a plusieurs études qui démontre sa faisabilité. Ce type de système propulsif appartient à la famille de propulseurs chimiques [1]
Type de propulseur ηint ISP [s] ve [m/s] ˙ me [kg/s] P uissance absorbée [kW ] Chimique 0.50 300 2940 0.0340 294 Fission Nucléaire 0.50 800 7840 0.0128 787 Électrothermique 0.50 600 5880 0.0170 588 Électrique 0.90 2000 19600 0.0051 1959
Tableau 1.2 Comparaison de différents types de systèmes propulsifs : calcule de la puissance et du débit du fluide propulsif nécessaires pour obtenir une poussée de 100N : m˙e = ISPFg0 et
P uissance absorbée = 12m˙e v
2 e
ηint où ηint représente le rendement interne du propulseur (en jaune les
valeurs calculées et en vert les données) [1].
10−6 10−5 10−4 10−3 10−2 10−1 100 101 102 103 103 104 105
Gaz froid
Mono propergol
Resistojet
Fission nucléaire
Arcjet
Propergol liquide
et solide
Propulseurs
ioniques et
à effet Hall
Rapport entre la poussée et le poids du système propulsif
Vitesse
d’éjection
[m/s
]
Fig. 1.4 Vitesse d’éjection en fonctionne de la poussée pour différents systèmes propulsifs (en rouge les propulseur électriques et en bleu les propulseurs chimiques)[1].
1.3 Types de missions spatiales 15 Depart Destination ∆v [m/s] Kourou (Guyane Français) LEO 9300 GTO 11443 Cap Canaveral (USA) LEO 9500 GTO 13600 LEO GEO 4260 GTO GEO 1600
GEO Mise à poste 8
GEO Correction d’orbite 15 par an
GEO Contrôle Nord-Sud 50 par an
GEO Contrôle Est-Ouest 3 -6 par an
GEO Désorbitation 3
LEO
Quitter l’orbite terrestre 3200
Orbite Lunaire 3900
Orbite Martienne 5700
Tableau 1.3 Ordre de grandeur de l’accélération (∆v) nécessaire au système propulsif d’un véhicule spatial pour effectuer les principales manœuvres[15].
- LEO:"Low Earth orbit" (Orbite terrestre basse)
- GTO:"Geostationary transfer orbit" (Orbite de transfert géostationnaire) - GEO: "Geostationary orbit" (Orbite géostationnaire) .
doit effectuer différentes typologies de manœuvres et les manœuvres sont caractérisées par une certaine valeur d’accélération (changement de vitesse) que le propulseur doit fournir :
∆v = T ∆t
m0
, (1.22)
où ∆t représente le temps pendant lequel la poussée T agit et m0 la masse totale du véhicule [22]. L’équation 1.22 montre qu’il y a deux paramètres sur lesquels il est possible d’agir pour donner une certaine accélération : la poussée ou le temps de poussée. Le tableau 1.3 montre les accélérations (∆v) nécessaires pour différents types de manœuvres et missions spatiales.
1.3.1
Les satellites
Un satellite artificiel est un objet mis en orbite par l’homme avec des objectifs très diversifies : télécommunication, prévisions météorologiques, observations, tâches mil- itaires, etc. Les satellites se déplacent en suivant des orbites autour de la Terre (la figure 1.5 montre les altitudes des orbites pour des satellites célèbres). Les satellites ont besoin d’un système propulsif pour pouvoir maintenir leur orbite pendant toute
leur durée de vie. Un satellite de télécommunication par exemple peut rester en activité 15 ans et pendant ce temps il y a plusieurs facteurs qui peuvent perturber son orbite: l’influence de la gravité de la lune et du soleil, le frottement provoqué par les particules de l’atmosphère terrestre, etc. Ces perturbations doivent être compensées par des poussées. Ainsi de nos jours, pour effectuer les manœuvres de maintien à poste (compensation des perturbations de l’orbite), les satellites sont équipés d’un système de propulsion chimique. Le système propulsif d’un satellite doit aussi assurer un certain nombre de manœuvres selon la mission à effectuer (changement d’orbite, mise à poste après changement d’orbite, désorbitation en fin de vie, etc.). Comme mentionné dans le paragraphe 1.3, un véhicule spatial, pour effectuer une certaine manœuvre, a besoin d’un changement de vitesse (∆v). Le tableau 1.3 montre par exemple quel ∆v est nécessaire pour un satellite qui se trouve sur un orbite géostationnaire ("GEO") pour contrecarrer les changements des paramètres orbitaux (correction d’orbite, contrôle Nord-Sud/Ouest-Est). Aujourd’hui certaines manœuvres peuvent être effectuées par de propulseurs à faible poussée, soit des propulseurs électriques. Plusieurs satellites équipés de propulseurs électriques existent déjà aujourd’hui. Pour les manœuvres du type "changement d’orbite" le seul choix aujourd’hui pour le système propulsif reste encore la propulsion chimique (la poussée demandée est trop importante pour pouvoir utiliser un propulseur électrique).