De nouvelles orbites se profilent à l’horizon grâce aux moteurs aérobies
Les propulseurs électriques (PE) sont l’avenir des satellites scientifiques et commerciaux. Mais la propulsion est un facteur limitant en ce sens que dès que le propergol utilisé pour créer la poussée est épuisé, le satellite ne peut plus manœuvrer et atteint la fin de sa durée de vie opérationnelle. Le projet AETHER, financé par l’UE, s’attaque à ce problème en utilisant les gaz résiduels de la haute atmosphère au lieu de propergol embarqué, ce qui augmente la durée de service et la rentabilité des satellites en orbite terrestre très basse (VLEO).
De nouvelles opportunités pour la VLEO
Des milliers de satellites essaiment le ciel au-dessus de nos têtes, notamment en orbite basse. La VLEO est attrayante, car elle procure une meilleure résolution pour l’observation de la terre et augmente la vitesse des télécommunications. Mais l’entretien des satellites qui orbitent à cette altitude (environ 200 km au dessus de la surface de la Terre) est complexe. En raison de la minceur de l’atmosphère, qui n’est toutefois pas négligeable, les satellites en VLEO doivent constamment contrer la résistance de l’air environnant. Ce qui épuise rapidement le propergol du satellite. L’utilisation de l’air lui-même en tant qu’agent propulseur change la donne, car il est inépuisable. Si la VLEO constitue le scénario opérationnel le plus commercialisable pour les moteurs à PE aérobie, l’exploration interplanétaire constitue une autre application appropriée, car un propulseur à PE aérobie atmosphérique peut être utilisé à proximité d’un corps céleste. Mars, ainsi que Titan, une lune de Saturne, sont d’excellents candidats à cet égard.
Le propulseur RAM-EP
L’Europe est à l’avant-garde du développement de cette technologie. En 2017, le leader de l’aérospatiale SITAEL a produit et testé au sol le RAM-EP, le premier propulseur aérobie au monde. Stefan Gregucci, responsable de la propulsion chez SITAEL, explique: «L’objectif du projet AETHER était d’ouvrir la voie aux satellites VLEO en portant nos efforts sur l’optimisation du système de propulsion aérobie. Le système RAM-EP a été breveté au sein d’AETHER, renforçant ainsi la position et la compétitivité de SITAEL dans ce segment de marché très prometteur». Si le concept d’un propulseur aérobie est simple, sa conception pose de nombreux défis. Pour générer une poussée, le système doit collecter le flux d’air entrant, l’ioniser et accélérer les ions produits à une vitesse considérablement supérieure à la vitesse orbitale. Les matériaux sont soumis à de fortes contraintes dans l’environnement hostile des altitudes de VLEO caractérisé par une forte corrosion due à l’oxygène atomique. Cet aspect ajoute à la complexité intrinsèque de la conception fonctionnelle du RAM-EP. Matteo Ciolini, ingénieur en propulsion chez SITAEL, explique: «L’objectif d’améliorer les capacités d’ionisation a conduit à des contraintes de conception thermique et électrique critiques, nous obligeant à considérer de nouveaux matériaux céramiques, des formes d’admission non conventionnelles et des processus de fabrication avancés».
Reproduire l’environnement
AETHER s’est basé sur la conception de RAM-EP et l’a améliorée de diverses façons. L’équipe a conçu deux nouveaux étages d’accélération et en a testé un avec du propergol atmosphérique. Pour atténuer les effets de l’environnement, les ingénieurs ont conçu et testé une cathode radiofréquence compacte. Le collecteur d’admission a été considérablement remanié sur la base de simulations numériques de l’écoulement. Enfin, AETHER a fait appel à un générateur de flux de particules pour simuler la composition de l’atmosphère et la vitesse à laquelle un engin spatial est exposé en VLEO. Les prochaines étapes du développement de cette technologie de rupture consistent à tester les améliorations apportées dans le cadre du projet. L’objectif final consiste à concevoir un engin spatial qui intègre le système RAM-EP. Les moteurs à PE aérobie des satellites VLEO en sont encore à leurs prémices, mais AETHER a fait progresser le niveau de préparation technologique (TRL) de cette innovation passionnante dans le domaine de la propulsion spatiale.
Mots‑clés
AETHER, VLEO, satellites, SITAEL, RAM-EP, moteurs aérobies, propulsion électrique, générateur de flux de particules, technologie de rupture