Une nouvelle technologie de poussée pour les nanosatellites pourrait les rendre plus efficaces

Une image d'une fusée qui décolle Nasa

En 1964, l'Union soviétique a lancé un vaisseau spatial appelé Zond 2 vers Mars. Sa mission était de mettre en orbite la planète rouge, de photographier la surface, de rechercher des signes de méthane dans l'atmosphère et de libérer un engin pour qu'il atterrisse à la surface.

Mais plusieurs mois après le lancement, l'alimentation électrique gênante de Zond 2 est tombée en panne. Les Soviétiques ont perdu le contact avec l'engin et n'en ont plus jamais entendu parler. Aujourd'hui, la mission est largement considérée comme un échec, l'un des nombreux en ce qui concerne Mars.

Mais Zond 2 avait un autre objectif. Le vaisseau spatial était équipé de six propulseurs révolutionnaires pour le contrôle d'attitude. Connus sous le nom de moteurs à réaction à plasma, ces appareils n'avaient jamais été utilisés dans l'espace. Mais lors de divers tests après le lancement, Zond 2 a prouvé qu'ils pouvaient fonctionner.

Depuis lors, divers engins spatiaux se sont appuyés sur cette forme de propulsion (et sur une forme légèrement différente utilisant des propulseurs ioniques). Ces moteurs présentent des avantages significatifs par rapport aux fusées chimiques conventionnelles car ils sont plus simples, plus légers et plus efficaces.

Ils sont également beaucoup plus petits que les propulseurs chimiques. Cela les rend utiles pour les fabricants de nanosatellites - les engins spatiaux de plus en plus courants avec une masse inférieure à 10 kilogrammes, qui sont souvent un peu plus gros qu'un Rubik's cube.

Mais les moteurs à poussée plasma ne sont pas parfaits. Transformer le propulseur embarqué en plasma et contrôler son débit peut être une tâche délicate qui gaspille de l'énergie et endommage parfois même le moteur lui-même. Trouver des moyens d'améliorer les moteurs à poussée plasma est donc d'un intérêt considérable pour les fabricants de petits satellites.

Entrez Adam Patel et ses collègues de l'Université Purdue à West Lafayette, Indiana. Ces gars-là ont mis au point un nouveau design pour un propulseur à plasma aussi petit que ses prédécesseurs qui a le potentiel d'être encore plus fiable et efficace.

Tout d'abord, quelques informations sur le propulseur sur lequel reposent les propulseurs à plasma. La plupart utilisent un propulseur solide tel que le polytétrafluoroéthylène, autrement connu sous le nom de téflon. C'est facile à stocker, mais pour être utilisé, il faut le vaporiser en faisant passer un courant à travers la surface.

La vapeur est ensuite enflammée, créant un flashover qui la transforme en plasma. Le plasma traverse alors un champ électromagnétique, où il subit une force d'accélération qui propulse l'engin spatial dans la direction opposée.

Le problème est que cette ablation est un processus aléatoire. Le taux est difficile à contrôler, ce qui peut rendre la poussée non uniforme. De plus, la surface en téflon se décompose parfois et éjecte des débris sous forme de macroparticules qui interfèrent avec le fonctionnement du moteur.

De plus, l'allumeur qui déclenche le processus de contournement peut être endommagé avec le temps. Tous ces problèmes limitent finalement le rendement des propulseurs à plasma à combustible solide à moins de 15 %.

Une solution consiste à stocker le propulseur sous forme de gaz et à contrôler sa libération avec un système d'injection de gaz. Cela augmente l'efficacité du moteur jusqu'à 70 %. Mais ces systèmes sont volumineux et complexes, et le gaz lui-même a un volume nettement plus important qu'une masse solide équivalente. Cela rend difficile la construction d'un nanosat.

Maintenant, Patel et co disent qu'ils peuvent résoudre ces problèmes en utilisant un propulseur liquide. Un propulseur à plasma pulsé alimenté en liquide pourrait potentiellement surmonter plusieurs inconvénients associés aux dispositifs traditionnels de propulseur à plasma pulsé, disent-ils.

En effet, ils ont construit un système de micro-propulsion de preuve de principe alimenté par un liquide et l'ont mis à l'épreuve dans une chambre à vide. Comme propulseur, ils utilisent du pentaphényl triméthyl trisiloxane (C33H34O2Si3), un liquide visqueux à faible pression de vapeur qui est également un excellent diélectrique.

L'équipe a également conçu un nouveau système d'allumage à faible consommation d'énergie. Celui-ci est constitué de deux électrodes plaques séparées par un diélectrique. Il fonctionne en augmentant la tension aux bornes des plaques jusqu'à une valeur seuil à laquelle le diélectrique se vaporise et devient plasma.

Dans ce cas, le diélectrique est l'ergol liquide. Le plasma pénètre alors dans les champs électromagnétiques, où il accélère.

L'avantage de ce type d'allumeur est que la tension de seuil est toujours la même, et donc la quantité d'énergie nécessaire au contournement est toujours limitée. Cela limite les dommages potentiels à l'ensemble de contournement dans le temps.

Lors des tests, Patel et co ont utilisé l'allumeur pour plus de 1,5 million d'événements de flashover sans observer de dommages significatifs à l'appareil. D'autres conceptions peuvent parfois échouer après seulement 400 cycles de tir.

Patel et co ont ensuite mesuré la vitesse d'échappement du plasma à 32 kilomètres par seconde. Cela leur a permis de calculer que le moteur produit une poussée respectable allant jusqu'à 5,8 newtons.

C'est un premier pas solide vers de meilleurs systèmes de micropropulsion pour les nanosatellites.

Cependant, il reste encore du travail de développement à faire. Une tâche importante consistera à concevoir et à construire un système d'alimentation en liquide simple qui fonctionne de manière fiable en apesanteur. Dans ces expériences, les chercheurs ont injecté le liquide dans l'allumeur à la main à l'aide d'une seringue.

Il n'est pas difficile d'imaginer comment cela pourrait être automatisé, mais les liquides sont notoirement difficiles à contrôler en zéro G. Patel et co auront donc du pain sur la planche pour développer un système simple sur lequel les fabricants de satellites peuvent compter. Mais c'est là une autre histoire.

Patel et co ont certainement de plus grandes ambitions pour leur appareil. Les résultats de cet article fournissent des informations précieuses pour permettre le développement d'un propulseur à plasma pulsé à carburant liquide prêt pour le vol, disent-ils. Ce sera intéressant de voir comment ils le font.

Réf : arxiv.org/abs/1907.00169 : Propulseur à plasma pulsé alimenté en liquide pour la propulsion de nanosatellites

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