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Plasmas pour la propulsion spatiale

Vers de nouveaux propulseurs…

La propulsion des engins spatiaux et des fusées est fondée sur le même principe de base, à savoir l’obtention d’une force de propulsion (la poussée) par l’accélération et l’éjection de masse. Les fusées chimiques obtiennent de fortes poussées en éjectant rapidement de grandes quantités de matière, et peuvent ainsi échapper à l’attraction gravitationnelle terrestre pour atteindre l’espace. Toutefois, cette méthode consomme de grandes quantités de carburant et par conséquent s’avère très coûteuse pour de longues missions interplanétaires, ou pour maintenir un satellite sur l’orbite voulue. Afin d’utiliser moins de carburant, il faut conférer à chaque particule de carburant une vitesse d’éjection plus élevée (impulsion spécifique supérieure), ce qui est la limitation principale des fusées chimiques avec une vitesse limite de 3 km/s.
Dans ce but, la propulsion électrique semble prometteuse et suscite un large intérêt ces dernières années. La vitesse d’éjection des propulseurs électriques peut atteindre 102 km/s avec une charge de carburant embarquée 10 fois plus faible que pour les fusées chimiques. La poussée permise par les propulseurs électriques est relativement faible (ils ne peuvent donc pas être utilisés pour quitter la terre) mais ils fournissent l’accélération nécessaire pour les missions interplanétaires.

La propulsion électrique

Les propulseurs électriques déjà utilisés pour les applications spatiales sont des propulseurs à grille (aussi appelés moteurs ioniques) et les propulseurs à effet Hall. La poussée est assurée en extrayant et en accélérant les ions positifs issus d’un plasma à haute densité. Le faisceau d’ion est neutralisé par les électrons issus d’une cathode creuse en aval de l’étage d’accélération. Cette neutralisation est nécessaire pour éviter une accumulation de charges négatives sur le vaisseau spatial qui s’opposerait au champ accélérateur.
Le neutralisateur est très important dans les technologies actuelles et des efforts conséquents sont réalisés pour accroître les performances et la durée de vie de la cathode. Une autre alternative explorée est le développement de nouveaux concepts de propulsion pour lesquels le neutralisateur est inutile. PEGASES est l’un de ces concepts, breveté par l’école polytechnique début 2007. Le premier prototype à été mis en route dans une petite chambre à vide pour des tests préliminaires fin 2007.

PEGASES (Plasma Propulsion with Electronegative GASES)

Le propulseur à plasma électronégatif PEGASES appartient à la famille des propulseurs électrostatiques. L’innovation majeure consiste à utiliser à la fois les ions positifs et les ions négatifs pour la poussée. Pour y parvenir, un plasma électronégatif à haute densité est généré (un plasma constitué à la fois d’ions positifs, d’ions négatifs et d’électrons). Un champ magnétique est utilisé pour séparer les électrons, si bien qu’une zone libre d’électrons est obtenue à la périphérie du plasma. Cette région sans électrons est appelé un plasma ion-ion où seuls des ions positifs et des ions négatifs sont présents. La poussée est obtenue en extrayant puis en accélérant les ions positifs et négatifs à partir de cette région particulière.

Avantages par rapport aux techniques existantes :

Les réticences liées à l’utilisation des propulseurs électriques préférentiellement aux propulseurs chimiques demeurent importantes, notamment en raison des dégâts que peut occasionner la plume de plasma sur le vaisseau spatial lui-même. Le taux de recombinaison des ions positifs avec les ions négatifs est beaucoup plus important que celui de la recombinaison ion-électron, et de ce fait, un flux d’espèces neutres devrait être éjecté en aval du propulseur (et non pas un plasma globalement neutre). Ceci permettra de supprimer le neutralisateur en évitant la formation d’un plasma (la plume plasma) à l’extérieur du propulseur.


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