Propulsion électrique pour le transit interplanétaire

Introduction

En tout chimique, l'accélération du vaisseau se fait en orbite terrestre avec comme objectif de viser une trajectoire de rencontre avec Mars (voir notre page consacrée aux trajectoires). Lorsque la vitesse atteinte est suffisante, les moteurs sont coupés et, sur sa lancée, le vaisseau quitte dans un premier temps l'attraction terrestre, puis poursuit sa route sur une orbite solaire jusqu'à atteindre Mars 6 à 8 mois plus tard. A part d'éventuelles corrections de trajectoires, qui peuvent être réalisées avec de petits moteurs auxiliaires, il n'y a pas de moteur dédié à une poussée complémentaire lors du transit Terre Mars. La manœuvre est symétrique pour le retour : la poussée a lieu en orbite martienne et les moteurs sont coupés lorsque la vitesse atteinte est suffisante pour que la trajectoire amène le vaisseau à rencontrer la Terre 6 à 8 mois plus tard. Théoriquement, il est possible d'accélérer le vaisseau pendant son voyage interplanétaire. Toutefois, en tout chimique, les calculs montrent que ce n'est pas efficace. Si on veut réduire la durée du trajet, mieux vaut utiliser les ergols supplémentaires pendant la phase d'accélération en orbite terrestre. Il existe cependant un cas particulier, lorsque la poussée est très faible, par exemple avec un moteur ionique, alimenté par un système énergétique capable de fournir de l'électricité, d'où le terme propulsion électrique.

1 Principes généraux

Il existe déjà de nombreux sites webs consacrés à la propulsion électrique des engins spatiaux (voir Wikipédia), aux technologies des moteurs ioniques ou à plasma comme le concept VASIMR. Le concept est maîtrisé, car plusieurs missions, comme SMART 1, ont déjà exploité des moteurs ioniques. Il n'est pas question ici d'en rappeler les détails, mais de discuter de l'exploitation de ces systèmes de propulsion dans le cadre d'un voyage habité aller-retour vers Mars. A priori, le concept semble intéressant car en propulsion chimique classique la masse des ergols embarqués dans les fusées est colossale. En ce qui concerne les moteurs ioniques ou à plasma, ils permettent précisément une grande économie de carburant. Le principe du moteur ionique est simple : il faut d'abord ioniser un gaz, puis accélérer les ions grâce à la force électromagnétique. Les ions sont ensuite éjectés à très grande vitesse (de l'ordre de 50 km/s) dans la direction opposée au déplacement de la fusée. Il existe 4 caractéristiques essentielles :

• La poussée est extrêmement faible, souvent inférieure à 1 Newton, ce qui implique une durée de poussée de l'ordre de plusieurs mois pour atteindre une vitesse significative.
• Le Delta V qu'il faut atteindre pour rejoindre une orbite haute depuis l'orbite basse, ou pour atteindre Mars depuis une orbite haute terrestre, est très supérieure au Delta V classiquement requis en propulsion chimique. Ceci est dû à l'effet Oberth. Voir par exemple le site dédié au "Delta V budget" de l'Université de Delft pour un tableau approximatif des Delta V en propulsion électrique. Bien entendu, cela a un impact encore plus fort sur la durée du voyage.
• Il faut énormément d'énergie électrique pour faire fonctionner le moteur, typiquement de l'ordre de plusieurs dizaines ou centaines de kiloWatts et certains envisagent même des MegaWatts. Il faut donc embarquer une centrale électrique dans le vaisseau !
• Le durée de vie du moteur est généralement limitée en raison de l'érosion due aux ions (sauf pour le concept VASIMR qui n'utilise pas de cathodes).

2. Quelle durée pour atteindre 1 km/s ?

Pour se faire rapidement une idée, il est utile de prendre un exemple. Supposons que le vaisseau soit équipé d'un moteur ionique alimenté par des panneaux solaires ou un réacteur nucléaire. Prenons en considération les données du système NEXIS (Nuclear Electric Xenon Ion System) publiées dans la référence suivante : J.E. Polk et al, An overview of the Nuclear Electric Xenon Ion System (NEXIS) Program, Joint AIAA Propulsion Conference, Huntsville, Alabama, 20-23 juillet 2003.
Ce système requiert 20 kW électrique pour obtenir une impulsion spécifique de 7500 secondes avec une poussée de 0,4 Newton. Supposons que nous disposions de 100 kW et prenons 5 moteurs à propulsion ionique de ce type. Cela fait une poussée de 2 Newtons. Si un souhaite augmenter la vitesse d'un vaisseau de X tonnes de 1 km/s, par exemple pour atteindre la vitesse de libération martienne à partir d'une orbite martienne déjà haute, combien de tonnes d'ergols faut-il et combien de temps doit durer la poussée ? Voici quelques équations importantes pour tout calculer :

Pour simplifier, nous avons considéré que le système de propulsion (moteurs et réservoirs) était inclus dans la masse de la charge utile, ainsi que le système de production électrique. En ce qui concerne la masse des ergols, comme on peut le voir sur le graphe ci-dessous, les calculs montrent que les besoins sont très faibles. C'est l'avantage fondamental des systèmes de propulsion ionique. A titre d'exemple, pour le même Delta V de 1 km/s, un vaisseau de 100 tonnes en propulsion chimique a besoin d'environ 25 tonnes d'ergols, là ou le besoin de la propulsion ionique reste inférieure à 2 tonnes !

Le graphe ci-dessous montre la durée nécessaire pour atteindre un Delta V de 1km/s en fonction de la masse du vaisseau. Ces durées sont colossales ! Pour un vaisseau de 10 tonnes tout compris, ce qui est très faible, il faut plus de 50 jours pour atteindre 1 km/s ! Pour un vaisseau de 100 tonnes, il faut près de 600 jours ! Nous sommes pourtant partis avec 5 moteurs ioniques et une puissance de 100 kW. Avec une telle puissance, les panneaux solaires deviennent gigantesques ou le réacteur nucléaire devient imposant.

Conclusion préliminaire :
Si l'enjeu est de gagner quelques dizaines de mètres par seconde et si le temps n'est pas une trop grande contrainte, un tel moteur peut s'avérer intéressant. Mais pour lancer un vaisseau habité vers Mars, avec un Delta V de l'ordre de 15 km/s à partir de l'orbite basse, une masse de plusieurs dizaines de tonnes et une durée de voyage déjà très importante, l'intérêt de la propulsion ionique paraît limité. On peut noter que cela vaut à la fois pour la propulsion ionique et la propulsion plasmique, dont les contraintes d'application sont similaires. Voyons néanmoins quelles sont les pistes qui pourraient nous faire changer d'avis ...

3. Et si on disposait de plus d'énergie ?

La quantité d'énergie disponible est un élément clé du problème. Si on dispose de plusieurs MegaWatts, il est possible de multiplier les petits moteurs ioniques pour gagner en poussée. Bien entendu, pour une telle puissance, la masse du système de propulsion n'est plus négligeable. Prenons un exemple et supposons que nous disposions d'un réacteur nucléaire de 10 MW. On pourrait atteindre plus de 100 tonnes de poussée ! Mais quelle serait la masse d'un telle centrale énergétique ? Probablement plusieurs dizaines, voire centaines de tonnes. De plus, il faudrait également tenir compte de la masse des propulseurs ioniques. Dans ce cas, il serait préférable d'utiliser un VASIMR, car ce dernier permet une poussée plus importante avec en plus la possibilité de moduler la poussée et l'impulsion spécifique (d'où le nom VASIMR qui signifie VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket).
En conclusion, on voit qu'il y a un paramètre fondamental : le nombre de kg nécessaire à la production de chaque kW. Par exemple, si un réacteur nucléaire peut avoir une masse spécifique de 1kg / kW, pour 10 MW, cela fait seulement 10 tonnes. Mais une telle valeur est-elle possible ? Des études ont été menées par les Américains et les Russes. Deux exemples de réacteurs :

• Le réacteur SP-100, étudié en 1992, produit 100 kWe pour un poids de 5422 kg.
• Le réacteur SAFE-400, étudié en 2002, produit également 100 kWe mais pour un poids de 512 kg.

Le réacteur SAFE-400 a ainsi une masse spécifique d'environ 5kg/kW, ce qui est remarquable, mais attention, les masses indiquées ne comprennent pas les systèmes de refroidissement, ni les systèmes d'acheminement et contrôle de la production électrique. Malgré tout, cela donne un ordre d'idée de ce qu'il est possible de faire avec les technologies actuelles.

4. Mars en 39 jours, la proposition utopique de Franklin Chang-Diaz

Chang-Diaz, spécialiste du moteur VASIMR, a publié un article révolutionnaire dans lequel il affirme que Mars peut être ralliée en 39 jours. Voici un résumé tiré de la référence suivante :
A survey of missions using VASIMR for flexible space exploration Cet article est disponible dans la liste des publications de la société Ad Astra. En Français, on peut également voir la synthèse parue dans la revue Ciel & Espace n°477, pages 10-13, février 2010. Voici un résumé du concept :

• Réacteur nucléaire de 200 MW
• Altitude initiale : 1000 km
• Masse initiale en orbite basse : 600 tonnes
• Efficacité énergétique (énergie cinétique transmise chaque seconde / puissance électrique) : 60%
• Impulsion spécifique lors des 8 jours de la montée orbitale en spirale : 3200 secondes
• Ergols pour la montée en spirale : 165 tonnes
• Impulsion spécifique lors des 31 jours de transit : entre 3000 et 30000 secondes
• Ergols pour les 31 jours de transit : 295 tonnes
• Masse spécifique des systèmes énergétiques : 0,6 kg / kW
• Masse du réacteur nucléaire : 120 tonnes (0,6 x 200000)
• Vitesse d'arrivée sur Mars : 6,8 km/s
• Freinage envisagé : aérocapture
• Charge utile : 20 tonnes
• Masse totale restante à l'arrivée sur Mars : 140 tonnes (120 tonnes de réacteur nucléaire et 20 tonnes de CU)

Ce concept est intéressant (voir ci-dessus le vaisseau de Chang-Diaz), mais tel qu'il est présenté, il est totalement utopique pour les raisons suivantes :

• Le bouclier thermique pour l'aérocapture n'est pas prévu
• Les ergols pour la descente sur Mars ne sont pas prévus
• Le système de propulsion pour l'atterrissage et le décollage de Mars ne sont pas prévus
• Les ergols du retour ne sont pas prévus
• La masse spécifique de 0,6 kg / kW semble très optimiste. Actuellement, on serait plutôt à quelques kg/kW.

Il s'agissait en fait d'un exercice d'application pour voir les limites temporelles qu'on pouvait atteindre. Les médias ont retenu le nombre fantastique de 39 jours, ce qui, du point de vue communication était bien joué, mais ce nombre n'est pas réaliste. De façon plus sérieuse, Chang-Diaz et ses co-auteurs ont proposé des variantes sensiblement plus longues et plus crédibles d'un point de vue technologique.
Conclusion : nous n'irons pas sur Mars en 39 jours avec un vaisseau de 600 tonnes. Mais alors, que faire avec la propulsion ionique ?

5. Exploiter la propulsion ionique à bon escient

Il existe 2 stratégies totalement différentes. La première consiste à exploiter la propulsion électrique pour réduire la durée de la mission de façon drastique, de manière à mettre en oeuvre une mission de type opposition. La deuxième consiste à rester sur une mission de type conjonction et à exploiter la propulsion électrique uniquement pour réduire la masse initiale en orbite basse. En général, les scénarios basés sur la propulsion électrique suggèrent l'utilisation d'un réacteur nucléaire. Toutefois, l'exploitation d'un réacteur nucléaire comporte certains risques, qui ne sont pas nécessairement plus importants que ceux liés à l'exploitation de la propulsion chimique, mais encore faut-il le prouver et convaincre les décideurs. Une alternative est l'utilisation de panneaux solaires, si la puissance requise n'est pas trop importante. Pour illustrer notre propos, nous proposons une mission d'opposition qui utilise un réacteur nucléaire et une mission de conjonction qui utilise des panneaux solaires. Ces 2 scénarios sont décrits ci-dessous.

5.1 Mission d'opposition

Il s'agit typiquement d'un scénario similaire à celui proposé par Chang-Diaz avec des valeurs réalistes. Une étude allemande, basée sur une architecture de mission identique à celle de la mission de référence de la NASA DRM 3.0 avec 6 astronautes a montré qu'il était possible d'exploiter la propulsion électrique de façon efficace, en permettant une grande flexibilité de la mission, avec un retour de Mars pratiquement à tout moment. Voici la référence de cette étude : T.D. Schmidt et W. Seboldt, M. Auweter-Kurtz, "Flexible piloted Mars mission using continuous electric propulsion", Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 43, n°6, novembre-décembre 2006 . Les caractéristiques du scénario sont les suivantes (ordres de grandeur) :

• Type de scénario : opposition
• Principe général : 3 vaisseaux, 3 systèmes de propulsion identiques
• 2 missions cargos au préalable comme dans la DRM 3.0 : 1 ERV qui attend en orbite et 1 MAV prêt au décollage qui attend sur Mars
• Durée de la spirale entre orbite basse et orbite haute : 137 jours
• Module habité léger envoyé avec propulsion chimique, jonction avec vaisseau interplanétaire en orbite haute
• Durée du voyage aller pour la mission habitée : 145 jours (environ 5 mois)
• Durée de la mission en surface : 30 jours
• Durée du voyage retour : 270 jours (9 mois)
• Option 1 : il est possible de rester un peu plus longtemps mais avec un retour plus long
• Option 2 : il est possible de rester 500 jours comme dans un scénario de type conjonction, avec 125 jours de voyage aller et 125 jours pour le retour
• Caractéristiques du réacteur nucléaire : cycle de Brayton, 10 kg/kW, P=4MW, 42 tonnes incluant un système de stockage de secours
• Système de propulsion à partir de LEO : arcjets, moteur ionique à effet Hall ou moteur magnetoplasmadynamique
• Caractéristiques du système de propulsion : poussée 100 Newtons, Isp 3000s, efficacité 37%
• Masse d'ergols : 50 tonnes maximum
• Charge utile des 3 vaisseaux interplanétaires : de 100 à 110 tonnes chacun
• Masse totale de chaque vaisseau : de 180 à 190 tonnes
• Estimation de la masse d'un vaisseau habité léger pour la jonction en LEO : 40 tonnes
• Masse initiale en orbite basse (IMLEO) : environ 600 tonnes

Remarque : dans cette étude, la satellisation en orbite terrestre du vaisseau de retour n'est pas prévue (elle requiert davantage d'ergols). Le système de propulsion interplanétaire est donc perdu, ce qui est dommage. Par ailleurs, il faudrait également prévoir une déviation du vaisseau interplanétaire et une séparation avec la capsule de sorte que le réacteur nucléaire n'entre pas directement dans l'atmosphère terrestre, ni à la fin de la mission, ni à aucun autre moment de sa future trajectoire dans le système solaire. Malgré tout, en termes de flexibilité et d'IMLEO (masse initiale en orbite basse), ce scénario est compétitif, d'autant plus qu'il est basé sur l'envoi de 6 astronautes (voir la page wiki dédiée). Il mérite donc d'être approfondi.

5.2 Mission de conjonction

Voici un scénario qui exploite la propulsion électrique pour réduire au maximum la masse initiale en orbite basse avec une puissance électrique très modeste fournie par des panneaux solaires. Dans le concept 2-4-2 avec 2 astronautes par vaisseau et 4 sur Mars, l'IMLEO a déjà été réduite à moins de 500 tonnes en prenant des hypothèses relativement conservatrices. Voyons comment nous pourrions encore la réduire.

• Durée de la mission : 3 ans (9 mois aller, 500 jours sur place, 9 mois retour)
• Principe général : dans le concept original, il y a 2 vaisseaux avec 2 astronautes chacun afin d'obtenir une duplication complète des systèmes à tout moment de la mission. L'idée est ici de diviser chaque vaisseau en 2, un vaisseau cargo et un vaisseau habité.
• 2 vaisseaux cargo envoient vers Mars 2 systèmes de propulsion avec les provisions du retour pour chaque vaisseau habité
• Charge utile pour chaque vaisseau cargo : 20 tonnes
• Charge utile pour chaque vaisseau habité : 70 tonnes
• Système de propulsion pour les 2 vaisseaux cargo : moteurs ioniques alimentés par des panneaux solaires
• Propulsion électrique, Isp = 4300s, poussée = 3 N, efficacité 50%
• Panneaux solaires fournissant 100 kWe inclus dans la CU (rappelons que les panneaux de l'ISS fournissent 110 kWe)
• Delta V : 15 km/s (ordre de grandeur)
• Durée de la spirale de sortie et du voyage vers Mars pour les vaisseaux cargos : 3 ans et 2 mois
• Masse requise d'ergols pour les vaisseaux cargos : 1700 kg
• Aérocapture (bouclier thermique inclus dans les 20 tonnes), satellisation et attente en orbite martienne des 2 vaisseaux de retour
• Départ des 2 vaisseaux habités de LEO, voyage, atterrissage sur Mars, démarrage de la production d'ergols, exploration, puis 500 jours plus tard remontée en orbite avec l'étage de remontée, jonction avec les 2 vaisseaux de retour, puis retour vers la Terre
• Estimation de la masse de chaque vaisseau habité en LEO : 200 tonnes
• Total de la masse initiale en orbite basse (IMLEO) : environ 440 tonnes (soit un gain de plus de 50 tonnes par rapport au concept initial !)

Les valeurs données sont approximatives. Malgré tout, elle montre l'ampleur des gains possibles en exploitant la propulsion électrique.

Conclusion

La propulsion électrique permet une économie d'ergols substantielle. Malgré la faible poussée qu'elle procure et la forte puissance électrique qu'elle requiert, il est possible de l'exploiter pour réduire l'IMLEO, notamment pour les vaisseaux cargos qui n'ont pas de contrainte de durée. Il est également possible de réduire la durée de la mission grâce à un scénario de type opposition, avec toutefois des systèmes énergétiques très lourds. Il existe déjà des systèmes de propulsion électrique et des études avancées ont déjà été menées concernant les systèmes énergétiques spatiaux de forte puissance. La faisabilité semble donc assurée. Un paramètre critique du problème est cependant la masse spécifique du système énergétique qui s'exprime en kilogramme par kiloWatt. Pour obtenir des megaWatts de puissance, un réacteur nucléaire est probablement incontournable, ce qui oblige à ajouter des protections supplémentaires pour limiter les doses de radiations reçues par les astronautes.

Pour les premières missions habitées, de tels systèmes, complexes à développer et à qualifier, ne sont pas nécessaires, mais pour le long terme, notamment en cas de transports cargos réguliers entre la Terre et Mars, nul doute qu'ils joueront un rôle déterminant.

Affaire à suivre ...

ps : merci aux membres du forum de la conquête spatiale pour leur aide !

... Envie de lire la suite ?

Cet article est disponible dans sa version complète pour les membres APM avec une cotisation à jour.

Déjà membre ? Me connecter. Sinon, devenez membre aujourd'hui et ne ratez aucune info sur Mars !

Si vous avez déjà été membre, rendez-vous sur la page Mon Compte pour renouveler votre cotisation.