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Satellites électriques : propulseur à effet Hall et moteur ionique

Dossier - Espace : l'ère de la propulsion électrique
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Les voitures ne sont pas les seules à miser sur la fée électricité au cours du XXIe siècle. Les satellites de télécommunication et d'exploration spatiale connaissent, eux aussi, une véritable révolution grâce à la propulsion électrique, à découvrir en détail dans notre dossier.

  
DossiersEspace : l'ère de la propulsion électrique
 

Les satellites électriques devraient prendre une importance croissante, estimée selon les acteurs entre un quart et la moitié des parts de marché d'ici à 2020. Il existe deux types de technologies : le propulseur à effet Hall et le moteur ionique.

« Nous sommes dans une phase charnière, explique Philippe Roy, du Cnes, la propulsion électrique va prendre des parts de marché de plus en plus importantes, mais on a encore beaucoup de mal à les chiffrer ».

Il poursuit : « Dans un proche horizon, on peut néanmoins penser qu'entre 20 et 30 % des satellites seront tout électriques. La nouvelle offre en matière de lanceurs contribue à cette redistribution des cartes. Avec le Falcon 9 de SpaceX, un nouveau créneau de satellites intermédiaires de 4 à 5 tonnes pourrait se développer. Et Ariane 6, dont la configuration est en cours de finalisation, couvrira elle aussi ces nouveaux besoins du marché. »

Le moteur à propulsion plasmique PPS®1350-G, ici en essai sous vide, est l'une des technologies développées permettant la propulsion électrique. © Cnes

La propulsion plasmique à effet Hall

Mais la concurrence au niveau mondial entre les maîtres d'œuvre se joue également sur des choix technologiques. Ainsi, les constructeurs européens de satellites de télécom - Airbus Defence & Space et Thales Alenia Space - ont fait le choix d'un type de propulsion électrique répondant au mieux aux exigences des grands opérateurs satellitaires : la propulsion plasmique à « effet Hall ».

Le moteur ionique à grilles

Ce choix diffère de l'option actuelle de Boeing, par exemple, qui utilise une technologie plus économe en termes de masse de xénon embarquée, mais qui conduit à une durée de mise à poste bien plus longue, quasiment doublée, du fait de la faible poussée des moteurs. Cette technologie, dite « ionique à grilles », est cependant efficace pour des applications telles que les missions interplanétaires pour lesquelles la réduction de masse embarquée est un critère prépondérant.

« Tous les maîtres d'œuvre de la planète veulent s'engouffrer sur le marché de la propulsion électrique », précise Philippe Roy.

La propulsion chimique et la propulsion électrique possèdent chacune des avantages et inconvénients. © Cnes

Les propulseurs d'Aerojet, Fakel et Snecma

« Aujourd'hui, il existe trois propulseurs au monde manifestant le meilleur compromis en termes de performances (durée de mise en orbite) et de prix pour le transfert des satellites vers l'orbite géostationnaire », explique Philippe Roy.

« Celui d'Aerojet, qui vole sur des satellites américains, celui du russe Fakel, en fin de développement, mais qui ne vole pas encore sur un satellite commercial, et le propulseur de forte puissance de l'industriel Snecma (groupe Safran). » Ce dernier - dont la conception est soutenue par l'État français et le Cnes dans le cadre du PIA (Programme d'investissements d'avenir) - entend bien jouer un rôle sur le marché.

Différence entre moteurs plasmiques et moteurs ioniques

Les moteurs plasmiques et ioniques ne génèrent pas le champ électrique de la même manière. © Cnes

Les moteurs des satellites tout électriques empruntent ainsi deux technologies relativement proches : d'un côté les moteurs ioniques à grilles, et, de l'autre, les moteurs à effet Hall.

Les uns et les autres utilisent globalement le même principe : un gaz, le xénon, est injecté dans une chambre. Bombardé d'électrons, il est ionisé pour former un plasma. Les ions sont alors éjectés à très haute vitesse (15 à 25 km/s) par le champ électrique, ce qui fournit la poussée. Les deux technologies précitées diffèrent dans la façon de générer ce champ électrique : grâce à deux grilles polarisées pour la première, et, pour la seconde, par la combinaison d'un champ magnétique et d'une différence de potentiel électrostatique entre une anode et une cathode.