ARCHITECTURE PROPULSIVE PERMETTANT UNE EXPLORATION DU MILIEU INTERSTELLAIRE

Article paru dans la Lettre 3AF N°1-2024

par Dominique Valentian, 3AF, Christophe Koppel, KopooS Consulting Ind., Roland Lehoucq, CEA, Saclay, Olivier Grasset, Laboratoire de Planétologie et Géosciences, Nantes, Elisa Cliquet Moreno, CNES, Nicolas Bérend, 3AF, Cédric Dupont, 3AF, Clément Dudal, CNES Toulouse, Frédéric Marchandise, 3AF.

INTRODUCTION

En 2021 , l’Université John Hopkins a proposé une exploration du milieu interstellaire mettant en oeuvre le lanceur SLS et une assistance gravitationnelle propulsée autour de Jupiter. (Lettre 3 AF N° 50, Les Projets De Sondes « Mille Unités Astronomiques », Dominique Valentian).

Le V∞ pourrait atteindre 14 à 16 km/s pour une charge utile de 478 kg (sonde New Horizons) Cette mission présente un problème majeur : le coût du SLS. Peut-on effectuer une mission analogue en utilisant des moyens abordables et disponibles en Europe ? La commission « Transport Spatial » de la 3AF a constitué un groupe de travail de spécialistes de la propulsion spatiale, d’astrophysiciens du CEA IRFU et du Laboratoire de Planétologie et Géosciences, ainsi que de spécialistes du CNES (propulsion et télécommunications à longue distance).

Ce groupe de travail a abordé les différents aspects du problème : analyse de mission, puissance de bord (panneaux solaires et RTG), communications à très longue distance, l’ensemble devant être embarqué sur un ou deux lanceurs Ariane 6. Pour mettre la situation en perspective, 200 UA en 20 ans (Unités Astronomiques, de l’ordre de 1 jour-lumière), correspond à une vitesse moyenne de 48 km/s.

DISCUSSION

L’analyse de mission a montré, comme l’article original de l’Université John Hopkins, l’intérêt de l’assistance gravitationnelle propulsée sur Jupiter.

Cela permet de bénéficier de l’effet Oberth en plus de l’assistance gravitationnelle proprement dite. Différentes options de propulsion ont été envisagées comme la propulsion solide, la propulsion biergols stockable ou la propulsion cryotechnique avec réfrigération active des ergols.

La combinaison finalement retenue inclut un étage cryotechnique sous coiffe avec un propulseur expander de 40 kN permettant d’injecter le module supérieur à une vitesse assurant une vitesse (15050 m/s) proche de la vitesse de libération du système solaire. Le deuxième étage solaire-électrique met en oeuvre huit propulseurs PPS®5000 et fournit un ΔV proche de 7 km/s.

Figure 1 : Modules de propulsion
sous la coiffe d’Ariane 6.

Pour la première phase de la mission, il est apparu que l’on pouvait se passer d’un lancement double d’Ariane 6 avec rendez-vous en orbite basse. Une recherche d’optimum (lancement LEO, sub-GTO, GTO combiné à un étage orbital cryotechnique sous coiffe) a montré que la charge utile maximale était obtenue en combinant un lancement sub-GTO et un étage cryotechnique H9.

L’étage de propulsion électrique solaire fait appel à deux panneaux solaires (100 W/kg) à cellules amincies puissance totale 46 kW à 1 UA (36 kW pour les propulseurs) et une poussée initiale de 2,07 N. La masse de xénon atteint 900kg.
La solution choisie pour l’assistance gravitationnelle propulsée sur Jupiter inclut un module de propulsion « dual-mode » hydrazine / NTO fournissant un incrément de vitesse de 2,757 km/s. Jupiter est atteint en 330 jours (2 ans au minimum pour « Jupiter direct »).

Avec une masse sèche de sonde + module de propulsion de 324 kg (270 kg hors module) et une charge utile scientifique de 50 kg, la vitesse V∞ atteint 38,05 km/s, soit 200 UA en 25,6 ans. La sonde atteindrait 400 UA en 50 ans.

Les transmissions font appel à une antenne parabolique de 3 m de diamètre et à un codage avancé permettant d’optimiser le débit pour une puissance d’émetteur donnée. Le débit à 200 UA peut paraître faible (1,2 bit/s, soit 8 heures pour transmettre un message de 4,32 kOctets avec une puissance RF de 12 W) mais il est supérieur à celui fourni par la sonde Voyager.

Une transmission laser permettrait théoriquement un débit 4 à 5 fois plus élevé, mais n’a jamais été essayé à une telle distance et contraindrait à utiliser une stabilisation 3 axes, (ce qui peut poser des problèmes de fiabilité au bout de 50 ans) alors que la transmission radio peut indifféremment fonctionner en mode spinné ou en stabilisation 3 axes (pour l’imagerie optique).

La puissance électrique est fournie par un RTG type Next Gen. Mod 2 (version améliorée de celui embarqué sur New Horizons) fournissant 400 W électrique et 3600 W de dissipation thermique, une petite fraction servant en particulier à participer au contrôle thermique de la sonde.

CONCLUSION

L’analyse mission montre qu’il est possible d’injecter une petite sonde d’exploration du milieu interstellaire (d’une masse un peu supérieure à celle de Pioneer 11) en utilisant uniquement des moyens disponibles en Europe (à l’exception du RTG pour l’instant). Les moyens mis en oeuvre ouvrent des horizons pour d’autres missions : l’étage de propulsion électrique permet d’injecter des missions lourdes vers Mars ou les planètes extérieures et l’étage cryotechnique sous coiffe permet d’injecter des masses très importantes vers la Lune.

Figure 2 : Trajectoire de la sonde en 3 dimensions. Le cercle centré sur le soleil représente
l’orbite de la Terre et le point anguleux la réaction de gravitation propulsée sur Jupiter.