Propulseur de Hall miniature de 100 W en fonctionnement avec du xénon. © CNRS-Icare, EP team

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Moteurs électriques : des perspectives d’utilisation inédites dans l’espace

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Aujourd'hui, la propulsion électrique, qui ne dispose pas de tuyère pour orienter la poussée du moteur, est limitée dans ses manœuvres orbitales. La startup autrichienne Enpulsion a conçu un moteur doté d'une technologique inédite qui permet le contrôle du vecteur de poussée, sans pièce mobile ni système mécanique. Une première mondiale ! Les explications très techniques de Stéphane Mazouffre, directeur de recherche au CNRS, au sein du laboratoire Icare à Orléans.

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[EN VIDÉO] Le moteur ionique peut-il nous permettre d'atteindre de nouvelles étoiles ?  Le moteur ionique pourrait devenir le moteur spatial du futur. Bien qu'il soit encore marginal, ce système de propulsion permet déjà de rendre les satellites et les sondes plus légers. Découvrez son fonctionnement en vidéo. 

Aujourd'hui, les propulseurs électriques sont indissociables de la gamme des petits satellites, en particulier les nanosatellites, notamment parce qu'ils permettent d'atteindre une grande vitesse d'éjection, ce qui se traduit directement par une très faible consommation d'ergol. C'est cette « caractéristique qui les rend parfaitement compatibles avec les exigences des petits satellites en matière de masse et de volume », nous explique Stéphane Mazouffre, directeur de recherche au CNRS, au sein du laboratoire Icare à Orléans.

Mais, si la propulsion électrique « offre de nombreux avantages sur la propulsion conventionnelle chimique », suscitant un intérêt grandissant pour son utilisation dans diverses manœuvres, maintien à poste, contrôle d'attitude et de trajectoire, vol interplanétaire, etc., elle présente un « point faible qui bride son potentiel, notamment pour les missions d'exploration ». En effet, à ce jour aucun moteur électrique ne « peut orienter son vecteur de poussée, comme peuvent le faire les moteurs chimiques en utilisant des tuyères orientables ». Un choix qui s'explique moins par « des difficultés techniques de mise en œuvre que par un souci de simplicité et de maîtrise de la masse du satellite ». Bien sûr cela n'empêche nullement de « réaliser des transferts d'orbite, de corriger l'orientation et la trajectoire mais les opérateurs de satellites sont contraints pour des manœuvres combinées ou successives, telles que le transfert et la correction d'attitude, ainsi que pour les missions interplanétaires ».

Du fait du déploiement de plusieurs constellations de petits satellites, la mise en œuvre de méga-constellations et des projets de remorqueurs spatiaux et d'activités de service en orbite, tous les acteurs (motoristes, agences spatiales, utilisateurs) « sont à la recherche d'une plus grande agilité et liberté de manœuvre, difficilement réalisables avec les modes de propulsion électrique en service ». Aujourd'hui, « si l'on souhaite gagner en flexibilité », il faut des systèmes mécaniques, voire des bras comme c'est le cas sur le satellite Eutelsat 172B. « Des solutions qui coûtent cher et ajoutent de la complexité et de la masse. »

Le propulseur IFM nano SE avec ses trois électrodes d'accélération. Dans la version standard de ce moteur, il y a seulement une électrode, c'est-à-dire un cercle de sorte que le faisceau est aligné avec l'axe du moteur. En séparant l'électrode en trois arcs, le faisceau ne sera évidemment plus symétrique et le vecteur de poussée sera orienté vers la partie en question. © Enpulsion

Demain, en raison des progrès faits dans la miniaturisation des instruments et des capteurs, ces petits satellites « pourraient ne plus se cantonner à l'orbite basse mais jouer un rôle dans l'exploration du Système solaire ». Suivant la voie ouverte par les deux MarCO (Mars Cube One A et B), qui ont relayé les données de l'atterrissage sur Mars de la sonde InSight de la Nasa, ces satellites seront de plus en plus « utilisés dans le cadre de missions d'exploration lointaine à destination de Mars et d'astéroïdes (mission Hera), voire des voyages interplanétaires vers les planètes Saturne, Jupiter et leurs satellites ». D'où ce besoin de souplesse et d'agilité.

Une innovation majeure 

Dans ce contexte, la startup autrichienne Enpulsion vient de mettre sur le marché le propulseur IFM Nano Thruster SE « qui permet le contrôle du vecteur de poussée sans pièce mobile ni système mécanique, une première mondiale », souligne Stéphane Mazouffre dont le laboratoire collabore étroitement avec Enpulsion. L'idée de la startup autrichienne est de jouer avec le « champ électrique de façon à modifier la trajectoire des ions qui peuvent ainsi être éjectés en dehors de l'axe du propulseur ». L'option choisie par Enpulsion, pour avoir le système le moins complexe possible et la capacité d'orienter le vecteur sur une grande plage angulaire « est l'utilisation d'un de trois électrodes accélératrices disjointes ».

Concrètement, les ions positifs d'indium produits par les injecteurs (anode, pôle +) sont extraits et accélérés grâce à une électrode circulaire (cathode, pôle -) située en aval de la couronne d'injecteurs. Cette électrode est polarisée à haute tension pour donner une grande vitesse aux ions. Comme la couronne d'injecteur et l'électrode sont à géométrie cylindrique et alignées, le faisceau d'ions est symétrique autour de l'axe du propulseur (propulseur IFM nano). Si on découpe l'électrode, on peut briser la symétrie (propulseur IFM nano SE). En effet, si on polarise uniquement un segment, alors les ions iront préférentiellement vers ce segment. En séparant l'électrode en trois arcs de cercle et selon la partie polarisée, le faisceau ne sera évidemment plus symétrique et le vecteur de poussée sera orienté vers la partie en question. Dit autrement, en jouant sur la polarisation des électrodes on joue sur l'angle du vecteur de poussée.

Propulseur IFM nano en tir - Couronne d'injecteurs d'indium (la couleur vient du plasma d'indium). © Enpulsion

Résultat, des « manœuvres plus précises qui consomment moins d'ergols ». Le maintien de l'orientation des satellites est ainsi facilité. Autre avantage potentiel, un satellite équipé de ce propulseur pourrait être « susceptible de se passer de roues à inertie ».

C'est évidemment une grande avancée qui va « augmenter l'attractivité opérationnelle, déjà forte, de cette gamme de satellites ». Elle ouvre également de nouvelles perspectives en matière de « contrôle de trajectoire et simplification des systèmes ». Pour les satellites de type nano, de seulement quelques dizaines de centimètres, ce type de moteur va « non seulement renforcer leur attractivité mais également libérer tout leur potentiel, freiné en partie aujourd'hui par ce manque d'agilité ». L'émergence de cette technologique apparaît aussi comme un nouveau levier de compétitivité et représente une opportunité technologique et scientifique à saisir pour les futurs projets d'exploration robotique qui s'appuient sur cette gamme de satellites.

Ainsi, les petits satellites qui opèrent au-delà des orbites basses (géostationnaire, interplanétaire) et qui ne peuvent pas désaturer leurs roues à inertie (qui servent à corriger l'attitude et la trajectoire) à l'aide d'un magnétorqueur ou qui ne peuvent pas faute d'un volume suffisant embarquer plusieurs moteurs, la vectorisation permet de corriger les désalignements (du vecteur de poussée par rapport au centre de masse) et par exemple de réussir une mission interplanétaire à moindre coût. Autre intérêt, les satellites en orbite basse qui ont besoin pour atteindre leur objectif d'un alignement parfait de leur vecteur de poussée.

  • Nous entrons dans l’ère des satellites « tout électrique ».
  • La propulsion électrique est bien adaptée aux petits satellites.
  • Les limites en manœuvrabilité inhérentes à ces moteurs sont en passe d'être effacées.
  • Enpulsion, une startup autrichienne, a mis au point un moteur électrique capable d'orienter sa poussée. 
Pour en savoir plus

Les satellites électriques, une solution d'avenir

Article de Rémy Decourt publié le 21/06/2019

Aujourd'hui, les moteurs électriques des satellites sont surtout utilisés pour le maintien à poste et le contrôle d'attitude des satellites géostationnaires de télécommunications. Demain, ils permettront de réaliser des manœuvres de transferts d'orbites et équiperont des satellites de toutes tailles, des plus petits, de quelques kilogrammes, aux plus gros, de plusieurs tonnes. Rachel Villain, directrice Espace au cabinet Euroconsult, nous explique l'intérêt et les inconvénients d'équiper les petits satellites de moteur électrique.

À ce jour, il y a très peu de petits satellites en orbite basse équipés de moteurs électriques. « Seules quelques missions d'observation de la Terre le sont », explique Rachel Villain, directrice Espace au cabinet Euroconsult. C'est par exemple le cas de Deimos, de la société d'imagerie Planet, de DubaiSat, le satellite des Émirats arabes unis, et de la petite constellation DMC 3, exploitée par une société chinoise.

Il y a évidemment des « bénéfices à disposer de moteurs électriques pour des missions d'observation de la Terre ». C'est notamment vrai pour la « circularisation de l'orbite et cela augmente la durée de vie de la mission ». L'avantage d'avoir des durées de vie accrues pour l'observation de la Terre est immédiat. « L'augmentation du temps d'observation améliorant les capacités de production d'images », l'attrait pour ces petits satellites est fort et « améliore le plan d'affaire de la mission, qui n'est pas facile à financer pour des durées de vie très courtes ».

Cela dit, ces effets positifs sont contrebalancés par des désavantages, comme le « coût encore élevé de la propulsion électrique ». Autre point négatif (qui est d'ailleurs le principal), ces moteurs ne « permettent pas encore une rapidité dans les manœuvres orbitales et les corrections de trajectoire ». C'est un « frein pour les missions opérationnelles d'observation de la Terre et cela peut poser problème pour le tasking et l'évitement de débris ».

Vue de face d'un propulseur de Hall miniature de 100 W, en fonctionnement avec du xénon. © CNRS-Icare, EP team

Le bel avenir de la propulsion spatiale électrique

« Les trois [satellites] cités en exemple [Deimos, DubaiSat et DMC 3] sont des satellites de 100 à 300 kg. » Quant à ceux encore plus petits, de moins de 50 kg, le défi technico-économique est très important. Avant d'envisager une production en série, il faut en effet arriver à « réaliser des micromoteurs électriques avec un rendement et un niveau moyen d'impulsion spécifique suffisants ». De plus, les coûts ne représentent évidemment pas la « valeur totale des nanosatellites et CubeSat. Le risque est donc de limiter l'intérêt et la faisabilité financière de la mission ».

Pour répondre à ce besoin, des recherches sont en cours pour miniaturiser les propulsions électriques en service aujourd'hui et les rendre compétitives pour les microsatellites et les très petits satellites. C'est un des objectifs du laboratoire Icare (CNRS) qui travaille à mettre au point « une gamme de propulseurs à plasma consommant quelques dizaines de watts et capables de générer une poussée de 1 à 10 millinewtons ».

La propulsion électrique a d'autres intérêts. Elle peut être utile pour compenser les « effets de la traînée générée par l'atmosphère résiduelle sur les satellites en orbite basse ». Deux missions, la franco-israélienne Venµs et la japonaise Slats, seront prochainement lancées afin de « tester le recours à un moteur électrique pour compenser cette traînée atmosphérique ». Autres idées : utiliser des moteurs électriques pour monter les satellites à leur emplacement définitif, « à partir de l'altitude à laquelle les déposent les lanceurs », et désorbiter les satellites en fin de vie.

En conclusion, si aujourd'hui l'intérêt technique d'utiliser des moteurs électriques sur de petits satellites ne fait guère de doute, « économiquement, on ne sait pas très bien comment atteindre cet objectif ». Il sera intéressant de suivre le retour d'expérience d'Aoba Velox 3, le « premier CubeSat réputé avoir de la propulsion électrique et lancé en décembre 2016 ».


Une propulsion électrique pour les satellites

Article de Rémy Decourt paru le 19/06/2017

Au cours de la prochaine décennie, la propulsion électrique devrait devenir banale sur les satellites d'observation et les constellations de petits satellites de télécommunication, ainsi que sur les microsatellites et les CubeSat. C'est l'avis de Stéphane Mazouffre, directeur de recherche au CNRS au sein du laboratoire Icare, à Orléans, qui travaille sur une nouvelle génération de moteurs.

Le marché spatial est en mutation, favorisé par une technologie de plus en plus accessible et abordable. Une explosion du nombre de petits satellites est ainsi à prévoir ces prochaines années. Cette tendance à rapetisser les satellites se caractérise par une production de masse avec des taux de remplacement plus élevés, pour garantir la fiabilité des satellites qui tomberont en panne. Des satellites jetables, en quelque sorte, dont le poids varie de 1 à 10 kg pour les nanosatellites et de 10 à 200 kg pour les microsatellites.

Cette évolution du marché contraint les constructeurs de satellites à trouver de nouveaux systèmes de propulsion adaptés à ces petits satellites. Le but ? S'affranchir des moteurs à carburant chimique pour passer au tout électrique à des coûts les plus bas possible.

La propulsion ionique, plus communément appelée « propulsion électrique », apparaît « particulièrement bien adaptée à ces petits satellites. Elle offre plus de souplesse pour un gain de masse significatif », nous explique Stéphane Mazouffre, directeur de recherche au CNRS au sein du laboratoire Icare, à Orléans. Ce physicien supervise des études sur la propulsion spatiale à plasma et travaille avec son équipe à la mise au point de nouveaux moteurs électriques.

Principe du propulseur à effet Hall (mis en images par Julien Vaudolon). L'injection d'atomes de xénon et d'électrons dans une décharge en champs croisés crée un plasma. Le champ électrique induit par la barrière électronique accélère les ions, ce qui génère la poussée. © CNRS-Icare, EP team

Le propulseur à effet Hall

Afin de répondre à ce besoin, les recherches en cours ont « pour objectif de faire des propulseurs de Hall miniatures des systèmes compétitifs pour les nano- et microsatellites ». Elles se focalisent notamment sur « les ergols (solides, du type diiode, pour réduire le volume), la durée de vie (jouer sur la topologie magnétique pour augmenter la durée de vie sans détériorer les performances), la cathode (robuste, qui consomme peu d'énergie, avec un design simple) et l'architecture (matériaux, géométrie) ».

L'objectif du laboratoire Icare est de mettre au point « une gamme de propulseurs à plasma consommant quelques dizaines de watts (W) et capables de générer une poussée de 1 à 10 millinewtons ». Un prototype a déjà été « testé entre 50 et 200 W avec du xénon et du krypton. À 100 W avec du xénon, il délivre une poussée de l'ordre de 6 millinewtons ».

Aujourd'hui, les moteurs à effet Hall et les moteurs ioniques à grilles sont les deux types de propulsion électrique en service sur les satellites et les sondes. Le moteur à grilles est plutôt destiné à des missions « nécessitant une faible consommation de carburant », c'est-à-dire les « missions interplanétaires ou pour la correction d'orbite ». Le propulseur Hall, grâce à sa poussée plus importante, « est mieux adapté aux transferts d'orbites ». Il existe bien d'autres types de propulsion électrique, « par exemple, les propulseurs électrothermiques de type Helicon et ECR, les propulseurs à effet de champ et les propulseurs à force de Lorentz » mais, à l'heure actuelle, « aucun type de moteur ne semble prendre le dessus pour les petits satellites ».

Allonger la durée de vie du moteur

Les moteurs de Hall ont donc beaucoup d'avantages mais sont-ils miniaturisables et évolutifs ? « C'est tout l'enjeu d'une partie de nos travaux ! » La propulsion de Hall consiste à créer un champ magnétique pour piéger les électrons du plasma et permettre ainsi la formation d'une région à fort champ électrique. La poussée est ensuite assurée par l'extraction et l'accélération des ions positifs issus du plasma.

Un moteur sans parois [pour] produire et accélérer les ions à l'extérieur du réacteur, dans le vide. 

Le but est de trouver le « bon ratio et le bon compromis entre, d'une part, les performances, le rendement, l'impulsion spécifique et une faible consommation et, d'autre part, la simplicité du système (propulseur, alimentation, carburant) et un prix de revient le plus bas possible ». Un des objectifs de nos travaux est de « modifier radicalement l'architecture du propulseur de Hall pour augmenter sa durée de vie et le rendre plus compact tout en maintenant les performances ».

L'idée est celle d'un moteur « sans parois », qui « consiste à produire et accélérer les ions à l'extérieur du réacteur, dans le vide », de façon à éviter les « interactions directes entre le plasma et les parois du moteur ». Cela permet d'empêcher l'usure du moteur, ce qui allonge, de fait, sa durée de vie. « L'usure du moteur est due au fait qu'une fraction des ions percutent la paroi en sortie du propulseur, ce qui érode la céramique ». Le concept de propulseur sans parois « permet également de faire fonctionner les moteurs à plus haute tension, ce qui réduit encore la consommation de carburant ». Il faut également miniaturiser et optimiser la cathode, « qui sert à neutraliser le faisceau d'ions et aussi, pour les propulseurs de Hall, à maintenir la décharge plasma ».

Une autre voie de recherche est « l'utilisation d'ergols alternatifs au xénon ». En effet, cet élément a l'inconvénient de se stocker à haute pression, entre 200 et 300 bars, avec un risque d'explosion. Il faut donc se tourner vers des ergols liquides ou solides.

« Nous travaillons également à réduire la complexité du système de propulsion ». Puisqu'un propulseur de type Hall opère en mode tension continue, l'idée est « d'utiliser les panneaux solaires pour alimenter directement le moteur, sans utiliser un dispositif électrique de conversion ». Ce « direct drive » permet des gains « en masse, en simplicité et en coût » mais une perte au niveau de la flexibilité car « la tension est fixée par l'architecture des panneaux solaires ». Il y a également un risque de fluctuation de la puissance électrique, ce qui « pourrait ne pas être sans conséquence sur la mission ».


Qu'est-ce qu'un satellite électrique ?

Article de Rémy Decourt publié le 05/11/2013

Présentée comme une solution d'avenir, la propulsion électrique ne devrait concerner qu'une faible partie du marché des satellites. Aussi attrayante soit-elle pour le gain de masse et le coût de lancement qu'elle permet, elle ne s'imposera pas tant que le problème de sa faible poussée ne sera pas réglé. Rencontre avec Jean-François Charrier, directeur du Marketing et des Relations institutionnelles pour les satellites de télécommunications chez Astrium, qui nous explique ce qu'est un satellite électrique.

L'industrie des satellites va-t-elle prendre le virage du tout électrique ? Si la propulsion électrique est présentée comme une solution d'avenir pour nombre de secteurs, il n'est pas certain qu'elle s'impose et détrône la propulsion chimique utilisée aujourd'hui. Entre Boeing, qui prend cette voie, et Astrium, attentiste, qui fait le pari du plus d'électricité, l'avenir de ce type de propulsion est très incertain. D'autant plus que l'industrie mondiale des satellites est confrontée à un marché qui n'est pour le moment pas prêt pour ce type de propulsion.

Un module de propulsion électrique PPS (Plasma Propulsion System) sur Alphasat, le satellite de télécommunications commerciales le plus sophistiqué du monde. Il est ici vu dans l'usine toulousaine d'Astrium lors des mesures de masse, de centre de gravité et d'inertie. © D. Marques, Astrium

Mais qu'entend-on par propulsion électrique ? Futura-Sciences a interviewé Jean-François Charrier, directeur du Marketing et des Relations institutionnelles d'Astrium, le leader européen de cette technologie. « Actuellement, nous avons sept satellites de télécommunications qui utilisent la plateforme Eurostar 300 sur laquelle est installé un système de propulsion électrique », souligne-t-il, et précise ce qu'est un tel satellite : « il utilise de la propulsion électrique pour tout ou partie de la mission ». En soi, ce n'est pas une nouveauté puisque de plus en plus de satellites en développement ou en service utilisent la propulsion électrique « en plus de la propulsion chimique ». Mais pour certains satellites, il est question de « passer au tout électrique ». Et c'est Boeing qui a donné le coup d'envoi avec la commercialisation de deux satellites (on y reviendra).

Le moteur électrique de la sonde lunaire Smart-1 de l'Agence spatiale européenne. Construit par Snecma, il peut être également utilisé pour le contrôle d'orbite des satellites de télécommunications. © Rémy Decourt, Futura-Sciences, Flashespace

Propulsion chimique vs propulsion électrique

Aujourd'hui, le système de propulsion des satellites en orbite géostationnaire est utilisé pour deux phases principales. La première est celle de la mise à poste, c'est-à-dire à partir de l'endroit où le lanceur a éjecté le satellite sur une orbite, avec beaucoup d'énergie mais à une altitude basse.

Le satellite va ensuite se servir de sa propulsion pour rejoindre sa position géostationnaire à quelque 36.000 km au-dessus de la surface terrestre. Pour réaliser cette phase de transfert qui dure typiquement moins d'une semaine, les satellites utilisent la propulsion chimique. Une fois le satellite en orbite et pendant toute sa durée de vie, il est nécessaire de le garder sur sa bonne position dans sa fenêtre d'opération en raison des perturbations possibles : c'est le maintien en poste. En fin de vie, les moteurs du satellite sont alors utilisés pour le placer sur une orbite dite cimetière, plus élevée, là où il n'y a aucun risque de gêne.

Les réserves en carburant que le satellite embarque sont « à peu chose près équivalentes à la moitié de la masse au lancement du satellite ». Les deux tiers de ces réserves sont employées pour la phase de mise à poste. Le tiers restant est utilisé pendant la quinzaine d'années de la durée de vie du satellite pour son maintien à poste. « D'où l'idée de remplacer la propulsion chimique par de l'électrique. » En effet, son principal intérêt est d'être moins gourmande en carburant, l'inconvénient étant que la poussée est nettement moins forte.

Les deux premiers satellites tout électriques

L'idée est d'utiliser cette propulsion pour le maintien à poste, la phase de mise à poste se faisant avec la propulsion chimique : ceci permettrait des économies significatives de carburant, et une installation plus importante de charge utile. Voilà le pari qu'a fait Astrium sur la plateforme Eurostar 3000, avec laquelle l'industriel vise le cœur du marché. Le premier contrat a été signé en l'an 2000, et sept satellites volent actuellement avec cette configuration.

Ce qui change aujourd'hui, c'est la vente par Boeing de deux satellites tout électriques pour l'opérateur mexicain Satmex et l'Asiatique ABS« Toutes les phases de la mission utilisent la propulsion électrique ! » C'est une première mondiale, aucun opérateur commercial n'avait accepté cette solution. Mieux encore, pour rendre ses satellites encore plus attrayants à l'achat, Boeing a également signé avec SpaceX le contrat de lancement lors d'un même vol par un lanceur Falcon 9. Cela dit, ces satellites ont de petites capacités, « 7 kilowatts de puissance contre 15 pour les grands Satcom ». C'est un positionnement très spécifique qui, au mieux, concerne 20 % du marché.

Le plein d’ergol (peroxyde d’azote et hydrazine) du satellite Alphasat, quelques jours avant son lancement par une Ariane 5. © Esa, Cnes, Arianespace, Optique Video CSG

Le satellite est certes nettement plus léger qu'avec une propulsion chimique, mais a pour principal inconvénient un temps de transfert de mise à poste allongé de plusieurs mois. « On passe à un temps de trajet de moins d'une semaine à près de six mois. » C'est un réel souci pour les opérateurs qui obtiennent des rentrées d'argent seulement quand le satellite est à poste. À cela s'ajoute le temps de transfert qui expose le satellite aux débris spatiaux.

Astrium se prépare

En réponse à cette initiative de Boeing, Astrium réfléchit « non pas à remplacer le chimique par l'électricité », mais plutôt à « combiner ces deux modes de propulsion pour la phase de mise à poste ». L'idée serait de trouver un compromis raisonnable entre gain de masse et durée du voyage. Astrium développe donc des systèmes de propulsion électrique qui permettent de « générer des poussées plus fortes que celles obtenues par les systèmes actuels (propulsion plasmique) ».

On voit combien il est difficile de dire si la propulsion électrique est une solution d'avenir. Certes, les satellites sont plus légers et par conséquent moins chers à lancer, et offrent la possibilité d'augmenter la charge utile. Comme souvent dans le domaine des satellites de télécommunications, c'est l'économie qui prévaut. Si malgré les risques et inconvénients les opérateurs y trouvent un avantage économique important, ils peuvent s'y intéresser.

Autrement dit, tout le marché ne prendra pas cette voie, mais si les opérateurs décident de s'y engager, les industriels devront avoir des solutions à proposer. Comme le souligne Eric Béranger, le responsable de la branche satellites d'Astrium, les satellites du futur ne seront pas tous « uniquement électriques mais plutôt "plus électriques" »« Si ce marché devait s'ouvrir, Astrium aura une solution à proposer », conclut Jean-François Charrier.

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