Un propulseur à plasma hélicon avancé proche de la commercialisation
Plus de 5 000 satellites orbitent actuellement autour de la Terre à une distance relativement proche. Ces satellites en orbite terrestre basse (OTB) sont très utiles pour l’observation de la Terre, à des fins aussi diverses que la surveillance du climat, les télécommunications ou encore la défense, et la demande explose littéralement. La production en masse de centaines de satellites OTB pour les méga-constellations imposera des critères plus strictes de délais et de coûts de fabrication, ainsi que de coûts d’exploitation et de durée de vie. La technologie révolutionnaire du propulseur à plasma hélicon (HPT), un type avancé de propulsion électrique (PE) en cours de développement, pourrait répondre à ces exigences. Le projet HIPATIA, financé par l’UE, a fait progresser la technologie HPT et a fourni un système de propulsion complet, rapprochant ce propulseur prometteur du marché et de l’espace.
Une propulsion électrique sans électrodes ni électronique complexe
Tous les systèmes de propulsion reposent sur la troisième loi du mouvement de Newton: éjecter quelque chose dans une direction pour se déplacer dans la direction opposée. La propulsion chimique conventionnelle repose sur la combustion. L’échappement éjecté déplace le satellite, mais ce procédé exige une quantité importante de propergol, ce qui signifie non seulement une augmentation de poids, mais également du risque lié à la haute inflammabilité du propergol. Les nouveaux systèmes de PE utilisent beaucoup moins de propergol, mais sont confrontés à d’autres défis. Les propulseurs électrostatiques ionisent des gaz rares par décharge électrostatique. L’éjection des particules ionisées génère la poussée, mais l’ionisation repose sur des électrodes dont la fabrication et l’utilisation sont complexes, et sur une électronique tout aussi complexe pour produire des tensions élevées. «La technologie du propulseur à plasma hélicon ionise le propergol pour produire un plasma chaud à l’aide d’un champ électromagnétique de radiofréquence créé par une antenne et des aimants. L’élimination des électrodes et de l’électronique simplifie le système et augmente sa durée de vie tout en facilitant la production et en accélérant l’intégration et en réduisant son coût», explique la coordinatrice du projet, Mercedes Ruiz, de Sener.
Les progrès et les nouveaux développements facilitent l’intégration et les essais
HIPATIA a commencé avec un HPT développé à un niveau de maturité technologique (TRL) intermédiaire. Les autres composants du système de propulsion, essentiels à son fonctionnement, n’ont pas été pris en compte. Une campagne combinée de modélisation et d’essais a permis au consortium de faire progresser le TRL du propulseur à plasma hélicon et de développer et d’intégrer des composants essentiels. L’unité de contrôle du propergol contrôle la pression et le débit massique du propergol. Le générateur de radiofréquences et l’unité de puissance ionisent le propergol et accélèrent le plasma de sorte qu’il soit éjecté du propulseur à grande vitesse. «HIPATIA a permis de mener deux campagnes fructueuses d’essais de couplage du système complet de propulsion par HPT, ce qui le rapproche considérablement d’une application commerciale», explique Mercedes Ruiz.
Propulsés sur le marché, ils accélèrent l’innovation et les nouvelles missions
«Je suis très fière de l’équipe d’HIPATIA qui réunit: Sener, l’UC3M, Airbus Defence and Space, le CNRS et Advanced Space Technologies. Bien que le projet ait démarré pendant la pandémie de COVID-19, nous avons parfaitement collaboré pour avancer et atteindre les objectifs du projet», confie Mercedes Ruiz. L’équipe a non seulement considérablement fait progresser le TRL et le niveau d’intégration du système, mais «la modélisation, la simulation et les essais avancés ont permis d’approfondir la compréhension de la physique sous-jacente à ce type de dispositif à plasma. Cela a généré de nouvelles voies d’amélioration des performances, qui sont à la base d’une nouvelle conception de propulseur que nous sommes en train de caractériser», explique Mercedes Ruiz. Les développements de HIPATIA ouvrent les portes du marché aux les propulseurs à radiofréquence. Ils fourniront à l’industrie aérospatiale des systèmes de PE plus simples et plus polyvalents, ouvrant potentiellement la voie à de nouvelles missions.
Mots‑clés
HIPATIA, plasma, propulsion, propulseur, propulseur à plasma hélicon, propergol, propulsion électrique, satellites, modélisation, propulseurs à radiofréquence, simulation