Un nouveau Plasma Jet Pack accroît l’agilité des petits satellites spatiaux
Les minuscules satellites, appelés nanosatellites, ne mesurent généralement que quelques dizaines de centimètres de long et pèsent moins de 50 kg chacun. Ils sont actuellement utilisés à des fins aussi diverses que les télécommunications, l’observation de la Terre, la navigation et le positionnement, et même l’exploration interplanétaire. Souvent disposés en constellations, ils diversifient les capacités de l’infrastructure spatiale. Comme l’explique Luc Herrero de Comat: «Les nanosatellites ont démocratisé l’accès à l’espace, permettant à un plus grand nombre d’acteurs, des start-ups aux établissements d’enseignement, de participer à la recherche et aux activités spatiales». Mais la complexité de leur propulsion et de leur fonctionnement général, tant au sol qu’en orbite, continue de poser des problèmes qui réduisent l’efficacité, la rentabilité et la sécurité. Le projet PJP, financé par l’UE et coordonné par Luc Herrero, a envisagé la propulsion électrique en tant que solution aux processus actuels qui exigent que les nanosatellites soient lancés par des fusées dédiées. Grâce à des méthodes et des sondes spécialement conçues, le projet a pu caractériser sa solution de plasma pulsé, développer des outils de simulation afin d’étudier la physique sous-jacente et créer un démonstrateur modulaire, s’appuyant sur les versions précédentes.
Propulsion électrique
La technologie de propulsion électrique de PJP est basée sur la physique de l’arc sous vide. Des ions se déplaçant à grande vitesse y sont créés à partir d’un propulseur métallique solide lorsqu’une décharge électrique est libérée dans un vide entre deux électrodes: la cathode (propulseur solide) et l’anode (électrode passive). L’énergie des électrons est transférée aux ions grâce à leur processus de refroidissement qui crée un intense champ électrique. La solution PJP éjecte un plasma quasi-neutre à des vitesses très élevées, jusqu’à 50 km par seconde, générant ainsi une poussée. «Notre dispositif peut générer une poussée à la demande dans l’espace, transférant l’élan au satellite afin de le manœuvrer, tout en stockant le propergol de manière compacte et sûre, sans devoir recourir aux réservoirs et aux valves toxiques ou pressurisés indispensables aux versions électriques ou chimiques conventionnelles», explique Luc Herrero. L’équipe a caractérisé plus de 30 géométries différentes de chambres de décharge d’arc en exploitant des méthodes de diagnostic internes, ce qui a permis de concevoir un outil de simulation destiné à étudier diverses configurations de systèmes. «Notre combinaison de méthodes de caractérisation des plasmas et d’outils de simulation a permis d’approfondir notre compréhension de la physique de l’arc sous vide, et a engendré une des technologies les plus innovantes de ce domaine», fait remarquer Luc Herrero. La conception modulaire a permis la création de trois éléments de base: une chambre de décharge d’arc, un générateur de plasma et une unité d’alimentation et de contrôle de la propulsion. Après que l’équipe les eurent qualifiés, ils ont été combinés pour créer un démonstrateur Plasma Jet Pack de 30 W, également compatible avec les versions de 80 W et de 150 W. Ce démonstrateur s’appuie sur des versions précédentes, plus basiques et antérieures au projet. «Bien que la plupart des paramètres que nous avons testés répondent aux besoins du marché, des travaux supplémentaires demeurent nécessaires pour éviter l’érosion des électrodes et améliorer la durée de la poussée», explique Luc Herrero. Le premier vol du concept modulaire PJP30 du projet est prévu pour 2024, il y démontrera ses capacités de poussée directionnelle.
Une large gamme d’applications
Les alternatives aux propulseurs chimiques soutiennent les ambitions de l’UE en matière de développement durable et, avec une chaîne d’approvisionnement plus locale, s’alignent également sur les objectifs d’autosuffisance de l’UE. Les applications probables, telles que la surveillance de l’environnement, l’amélioration des réseaux de communication et une exploration spatiale plus sûre, profiteront également à l’économie européenne, en créant des emplois, tout en renforçant les références de l’Europe en matière de leadership technologique. L’équipe développe actuellement un nouvel élément de base disposant de capacités de poussée améliorées pour une plus large gamme de missions.
Mots‑clés
PJP, nanosatellites, plasma, physique, jet, poussée, propergol, espace, propulsion électrique
