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L'Usine Aéro

Accélérer la mise sur orbite

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Baisse des durées de transfert en orbite, conception des moteurs… La modélisation est au cœur des défis technologiques des satellites électriques.

Accélérer la mise sur orbite
Deux satellites à propulsion électrique?: l’Eutelsat 172B (en haut) et le Smart-1. La lueur bleue sous le Smart-1 est émise par des atomes de xénon.

Les satellites à propulsion 100 % électrique vont-ils remplacer un jour les plates-formes à propulsion chimique ? Probablement pas totalement. Mais ces nouvelles machines grignotent chaque année des places dans l’espace, à tel point qu’elles pourraient dans un proche avenir dépasser la barre des 50 % de parts de marché. Le dernier-né de cette famille est l’Eutelsat 172B, construit par Airbus Defence and Space (ADS) sur la base de la plate-forme Eurostar E3000 EOR. Ce satellite de 3,5 tonnes, qui doit être mis en orbite géostationnaire en avril, disposera d’une puissance embarquée de 13 kilowatts et sera entièrement propulsé grâce à des moteurs électriques fonctionnant au xénon, tant pour le transfert en orbite que pour le maintien à poste pendant toute sa durée de vie.

« C’est le premier satellite européen tout électrique », proclame ADS. Les avantages de la propulsion électrique sont maintenant connus : un gain de masse compris entre 40 et 50 % par rapport au système chimique (ergols) et un encombrement moindre, laissant plus de place pour la charge utile. Pour embarquer la même charge utile, l’Eutelsat 172B version chimique aurait dû jauger 5,5 à 6 tonnes ! Avec seulement 3,5 tonnes, la plate-forme peut voyager avec un autre satellite dans la coiffe d’Ariane 5 et réduire ainsi les coûts de lancement.

Seulement voilà, il reste un écueil de taille : le délai de mise à poste d’un satellite électrique est compris entre six mois avec les moteurs de type plasmique (ou à effet Hall) et neuf mois avec les moteurs ioniques. Même s’ils sont très économes, les moteurs électriques « poussent » infiniment moins que les moteurs à ergols : environ 100 à 150 millinewtons contre 400 newtons pour un moteur chimique, soit un rapport de 1 à 4 000. Tout l’enjeu pour l’industrie spatiale est de réduire ces délais, notamment grâce à la simulation numérique, les tests physiques étant compliqués dans l’espace. « Pour diminuer la durée de transfert d’orbite, on peut augmenter la puissance des moteurs ou mettre plus de moteurs, sachant que la puissance électrique disponible sur les satellites est directement liée à la capacité des panneaux solaires », explique Nicolas de Chanaud, le responsable adjoint du programme propulsion électrique de Safran Aircraft Engines. Le fabricant de satellites Thales Alenia Space (TAS), qui a développé la plate-forme tout électrique Spacebus Neo, a également conçu un système de générateur solaire déroulant, un peu comme des stores. « L’efficacité des générateurs sera un peu plus faible, mais comme la surface est plus grande, on gagnera en puissance », explique Didier Leboulch, le responsable de la R & D et de la politique produits de TAS.

Réduire le délai de mise à poste

Il faut modéliser ces ruptures technologiques pour les optimiser. Des travaux sont en cours, notamment chez Safran Aircraft Engines, au niveau des moteurs [lire ci-contre]. Pour les satellitiers, l’optimisation de la trajectoire du satellite entre son éjection du lanceur et son orbite finale, à 36 000 kilomètres de la Terre, est cruciale. « Avec les travaux de simulation, nous pouvons gagner quinze jours, voire un mois, sur le délai de transfert orbital », souligne Didier ­Leboulch. Ces calculs complexes – effectués par TAS grâce à du codage développé en interne – consistent à modéliser tous les phénomènes qui affectent le satellite pendant son vol : gradiants de gravité, propulsion, attraction terrestre, pression solaire… En raison de sa lenteur, le satellite électrique est soumis à plus d’aléas que ses cousins chimiques. Les industriels et le Centre national d’études spatiales (Cnes) ont mis au point des codes de calcul pour simuler la trajectographie d’un satellite. « Il s’agit de contrôler la trajectoire avec les équations de la mécanique céleste et en intégrant les contraintes liées à la mise à poste avec une poussée faible : limiter le temps passé dans les ceintures de radiations, rester en visibilité de certaines stations au sol… », explique Thomas Liénart, le chef du service propulsion du Cnes.

D’autres chantiers concernent les effets du jet de particules émises par les moteurs. « Il faut maîtriser ces phénomènes, notamment les dégradations éventuelles causées par ces particules sur les panneaux solaires », précise Thomas Liénart. La trajectographie optimisée est capitale pour une autre raison : l’engin ne monte pas à son orbite de façon linéaire. Il effectue des spirales, passant à plusieurs reprises de l’apogée au périgée, avec une efficacité de la poussée des moteurs qui est bonne à l’apogée et quasiment nulle au périgée. Il faut donc modéliser ces poussées pour économiser le xénon et trouver la meilleure stratégie de montée pour une architecture donnée. D’autres travaux de simulation effectués par le Cnes portent sur l’augmentation de la durée de vie des satellites et les corrections d’orbite, qui sont plus longues à effectuer qu’en chimique. À terme, industriels et laboratoires espèrent réduire de moitié le délai de mise à poste. 

Les enjeux de la simulation

  • Réduire de quelques jours, voire de quelques semaines, le délai de mise à poste des satellites électriques
  • Améliorer le rendement des moteurs

Safran Aircraft Engines lance une chaire de modélisation

Le sujet est si central pour le fabricant de propulseurs spatiaux que cela valait bien la création d’une chaire dédiée aux propulseurs plasmiques et à leur simulation numérique. C’est chose faite depuis le 27 janvier. Safran Aircraft Engines (SAE), le Laboratoire de physique des plasmas (LPP) de l’École polytechnique et le Cerfacs, un centre de recherche spécialisé dans la modélisation numérique, ont fondé cette chaire afin de poursuivre des travaux menés par SAE et de les valoriser dans le logiciel de modélisation Avip. Conçu par Safran Aircraft Engines, Avip est dédié à l’optimisation des performances du propulseur électrique et à la simulation de son cycle de vie. « Nous avons aussi développé des modèles dans le cadre d’un groupement d’intérêt scientifique (GIS) avec nos partenaires historiques : le Centre national d’études spatiales (Cnes), le CNRS (dont le LPP) et l’Office national d’études et de recherches aérospatiales (Onera). Cette chaire vient compléter ces travaux », indique Nicolas de Chanaud, le responsable adjoint du programme propulsion électrique de SAE. Au programme : élaborer de nouvelles méthodologies de conception pour mieux équilibrer le rapport entre la simulation et les essais réels (très coûteux). « Aujourd’hui, nous testons au banc notre moteur PPS 5 000 sur une durée de plus de 15 000 heures, avec des performances en fin de vie évaluées par simulation et par essai », explique Nicolas de Chanaud. Par ailleurs, SAE a pris le leadership du programme européen Cheops (Consortium for hall effect in orbit propulsion system). L’un des objectifs du consortium est de développer des outils de simulation pour les moteurs du futur, par exemple pour des propulseurs PPS d’une puissance de 20 kilowatts et de 500 watts (le PPS 5 000 affiche 5 kilowatts). Cheops s’est aussi fixé pour objectif d’avancer dans la conception d’un moteur plasmique « dual », qu’il pourrait pousser 10 % de plus par rapport aux machines actuelles pendant la montée en orbite, qui consommerait 10 % d’énergie en moins une fois en orbite et dont le besoin de poussée serait moindre. Histoire d’optimiser la consommation de xénon. 

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