Quel moteur pour nos engins spatiaux

Thèse :QUEL MOTEUR POUR NOS ENGINS SPATIAUX?

Thème : Sciences et techniques de l'Espace
Auteur : Mishima Ono

Introduction.

La propulsion ionique utilise l'énergie de particules chargées, accélérées par un champ électrique et éjectées par une tuyère, pour propulser une fusée ou un satellite. On parle plus généralement de propulsion électrique, laquelle recouvre non seulement la propulsion ionique, mais également d'autres modes de propulsion de particules chargées ou neutres qui utilisent l'électricité.


I. Les avantages théoriques de la propulsion électrique.

Quel est l'intérêt de la propulsion utilisant l'énergie électrique par rapport aux fusées conventionnelles, où la matière éjectée par le propulseur résulte d'une réaction chimique (combustion)?

Le moteur d'une fusée conventionnelle peut produire des poussées considérables, atteignant des centaines de tonnes, mais pendant des durées très limitées (quelques centaines de secondes au plus). En effet, à chaque seconde, des centaines de kilogrammes d'ergols peuvent ainsi être brûlés. On est donc limité par la masse que l'on peut emporter à bord, avec la nécessité de l'arracher à l'attraction terrestre. Dans ces moteurs classiques, la vitesse des particules éjectées par la tuyère ne dépasse pas quelques kilomètres par seconde.

Pour les moteurs à propergols liquides, l'impulsion spécifique – soit le temps (en secondes) pendant lequel un kilogramme de propergol peut assurer une poussée constante qui serait égale à un kilogramme – est égale à quelques centaines de secondes. Or il serait très intéressant de disposer de moteurs pour lesquels la même quantité de propergol pourrait être beaucoup plus efficace, c'est-à-dire assurer une poussée équivalente pendant un temps beaucoup plus long.

C'est le cas du moteur fusée électrique, en raison de la vitesse considérable d'éjection qu'il est possible de communiquer aux particules: plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de kilomètres par seconde. On peut ainsi atteindre des impulsions spécifiques de l'ordre de plusieurs milliers de secondes.

II. Les limites techniques de la propulsion électrique.

Dès lors, pourquoi la propulsion électrique n'a-t-elle pas remplacé la propulsion chimique?

En fait l'utilisation de ce mode de propulsion reste limitée par la nécessité de disposer de puissances électriques importantes, et donc de sources d'énergie généralement très lourdes.

En effet, alors que, dans la propulsion classique, le propergol est à la fois la source d'énergie et le fluide moteur, dans le moteur électrique spatial, la source d'énergie est distincte du fluide moteur. Les batteries classiques fournissent au mieux quelques kilowatts. Avec les cellules solaires, on peut atteindre quelques dizaines de kilowatts. Un réacteur nucléaire pourrait fournir jusqu'à quelques centaines de kilowatts. Ces puissances sont très insuffisantes pour permettre au moteur électrique de concurrencer les poussées atteintes avec les propergols classiques, liquides ou solides (combustion).

Les moteurs spatiaux électriques ne peuvent donc fournir que des poussées très limitées, de quelques grammes à quelques centaines de grammes. Ils ont aussi un autre inconvénient: leur masse est élevée par rapport à leur poussée. Par exemple, un moteur développant une poussée d'une dizaine de grammes pèse plusieurs kilos.

Toutefois, ces moteurs possèdent deux avantages décisifs: à poussée égale, ils consomment de l'ordre de cent fois moins que le propulseur chimique, et ils peuvent donc fonctionner très longtemps avec des réserves très faibles de fluide moteur («carburant»); ils peuvent utiliser des sources d'énergie quasi inépuisables, grâce à des cellules solaires ou à un réacteur nucléaire.


III. Les trois types de moteurs électriques spatiaux.

Lors du vol d'une fusée dans l'atmosphère, des poussées considérables sont nécessaires pour vaincre la pesanteur. Le moteur électrique n'est alors pas en mesure de fournir de telles poussées. En revanche, dès que l'on se trouve dans l'espace, en apesanteur, le moteur électrique devient très intéressant. Il peut fonctionner quasi indéfiniment et donc, avec une faible poussée, finir par communiquer à l'engin une vitesse très élevée.

Il existe trois types principaux de moteurs électriques spatiaux à réaction: le moteur électrothermique, le moteur ionique (électrostatique) et le moteur plasmique (électromagnétique).

a°) Le moteur électrothermique

C'est celui qui se rapproche le plus des moteurs classiques. Un fluide, porté à une température élevée par une décharge électrique, se volatilise, se détend et est évacué par une tuyère en fournissant une poussée. Le chauffage peut être effectué par un arc électrique jaillissant entre deux électrodes, mais ces dernières sont alors sujettes à une érosion intense qui limite la durée de vie du moteur. Un chauffage utilisant une résistance, bien que moins efficace, évite cet inconvénient. Le moteur électrothermique est limité à des vitesses d'éjection de l'ordre de 20 km/s.

b°) Le moteur ionique

Dans ce type de moteur l'accélération des particules qui fournit la poussée est réalisée grâce à un champ électrique. Une particule chargée négativement ou positivement (charge q), soumise à un champ électrique E, est en effet l'objet d'une force F = qE. Le fluide moteur devra donc être préalablement transformé en plasma, c'est-à-dire en mélange gazeux d'électrons chargés négativement et d'ions chargés positivement. Ce sont les ions qui seront guidés dans le parcours d'accélération jusqu'à la sortie du moteur.

Un problème complexe doit toutefois être résolu: le satellite, initialement neutre, va perdre peu à peu les ions positifs. Il va donc se charger négativement. Si rien n'est fait pour l'empêcher, ces charges négatives vont interagir avec le jet réactif chargé positivement, empêchant toute poussée. C'est pourquoi on prévoit, à la sortie du moteur, un système de neutralisation du jet réactif, constitué par des émetteurs d'électrons. Ainsi, l'équilibre électrique peut être rétabli. Des vitesses d'éjection de l'ordre de dizaines, voire de centaines de kilomètres par seconde, peuvent être atteintes à la sortie d'un propulseur ionique.

c°) Le moteur plasmique

Ce moteur utilise un autre phénomène. Dans tout conducteur en mouvement, placé dans un champ magnétique, naît un courant électrique: c'est le principe de la dynamo. Inversement, tout conducteur placé dans un champ magnétique, dans lequel circule un courant électrique, subit une force qui tend à le déplacer. Or, un plasma est un bon conducteur. Placé dans un champ magnétique et traversé par un courant, il tend à se déplacer. C'est ainsi qu'on pourra communiquer des vitesses considérables au fluide moteur, préalablement transformé en plasma. Des vitesses record d'éjection, de l'ordre de centaines de kilomètres par seconde, peuvent être obtenues.

Conclusion.

Avant de lancer notre programme spatial, encore faut-il que la science pryanne fasse les choix indispensables préalables à la construction de ses engins d'exploration. Il n'existe pas un, mais plusieurs types de moteurs, tous ayant leurs avantages et leurs inconvénients, mais les moteurs électriques, quelle que soit leur catégorie, présentent l'avantage déterminant de ne pas être polluants.