LA PROPULSION PLASMIQUE

Article paru dans la Lettre 3AF N°2-2023

INTRODUCTION

Safran Spacecraft Propulsion est entré dans le domaine de la propulsion plasmique avec le PPS®1350. Dès 2004, ce propulseur a effectué une première mondiale en partant de l’orbite terrestre pour atteindre l’orbite lunaire.

Depuis, la gamme a été étoffée avec un propulseur plus puissant, le PPS®5000 de 5 kW, principalement destiné aux satellites de télécommunication géostationnaire « tout électriques » et un propulseur de plus faible poussée, destiné aux constellations en orbite basse, le PPS®X00.

PRINCIPE DES PROPULSEURS PLASMIQUES

À titre de rappel (voir la Lettre 3AF N°6 de juin 2007), un moteur à effet Hall est constitué de deux blocs principaux : le bloc cathode et le bloc anode. La cathode est en elle-même une petite source de plasma assurant deux fonctions : celle d’initier, puis d’entretenir la décharge plasma principale dans le canal de décharge du bloc anode ; et celle de neutraliser le faisceau d’ions émis. Le bloc anode comprend un circuit magnétique assurant la distribution de champ magnétique permettant de piéger les électrons dans le canal de décharge annulaire. Ces électrons ionisent le gaz. Les ions produits sont accélérés par le champ électrique induit dans le plasma par la distribution de champ magnétique. Chaque bloc reçoit une alimentation en gaz neutre (généralement du xénon).

LES CONSÉQUENCES DU CONFLIT RUSSO-UKRAINIEN

Les propulseurs à effet Hall russes se vendaient très bien en occident. Ce marché est désormais fermé à la Russie. Cela va se traduire par une augmentation très significative des commandes aux sociétés occidentales.

L’Ukraine était le principal producteur mondial de xénon. Le conflit a entraîné une augmentation considérable de son prix, allant jusqu’à un facteur 10 en 12 mois. Un grand nombre d’opérateurs souhaitent désormais passer au krypton, un gaz qui reste rare mais est 10 fois moins cher que le xénon.

LE PPS®5000 

Le PPS®5000 est qualifié depuis 2021. Il détient le record mondial de durée de vie démontrée en essai d’endurance pour un moteur de ce type : près de 20 000 heures et 960 kg de xénon consommés. Ce propulseur est spécialement conçu pour les satellites géostationnaires « tout électriques ». Il assure le transfert d’orbite de l’orbite GTO à l’orbite géostationnaire, puis le contrôle orbital (nord – sud et est – ouest) pendant plus de 15 ans. Il peut fonctionner entre 2500 et 5000 W, pour une impulsion spécifique entre 1730 et 2000 s et une tension de décharge de 300 à 400 V. Par exemple, cela permet d’utiliser la poussée maximum pour le transfert d’orbite (5000 W, 300V) afin de minimiser sa durée, puis de fonctionner à puissance réduite et à forte impulsion spécifique (2500 W, 400 V) afin de minimiser la consommation de xénon en orbite.

Sa conception est axée sur la durée de vie et sur la diminution de la température de fonctionnement grâce une conception thermique très élaborée, elle-même favorable à l’obtention de la durée de vie. Ce propulseur fait partie de l’équipement standard des satellites Spacebus Neo (Thales Alenia Space) et Eurostar Neo (Airbus), mais également ceux des satellites Viasat 3 ou O3b mPower (Boeing). Le premier satellite basé sur la plateforme Spacebus Neo (Syracuse 4) est déjà transféré en orbite géostationnaire par ses propulseurs plasmiques, qui assurent désormais et depuis l’été 2022 son maintien à poste. Le PPS®5000 est aujourd’hui le propulseur plasmique le plus puissant au monde en service commercial en orbite. Dix exemplaires sont déjà en orbite, et de nombreux autres sont sur le point de les rejoindre.

LE PPS®X00

Le PPS®X00 est le plus petit moteur à effet Hall du portefeuille de Safran Spacecraft Propulsion, classe 650-1000 [W]. Il a été conçu dans le but de répondre au marché des constellations des petits et moyens satellites en orbites terrestres basses (LEO) et moyennes (MEO) : télécommunications et observation de la Terre. Il s’agit de fournir des centaines de systèmes de propulsion à un coût très inférieur à ceux des satellites géostationnaires, tout en ayant une fiabilité très élevée. Le propulseur peut assurer trois fonctions : transfert d'orbite entre l’orbite de lancement et l’orbite de travail, compensation de traînée, désorbitation en fin de vie.

Le faible coût-cible impose de changer l'approche de conception, qui doit s'appuyer sur des composants prêts à l'emploi (COTS) et sur la fabrication additive, plutôt que sur le développement de pièces spécifiques haut de gamme, lorsque cela est possible.

• Les cadences de production sont environ 10 à 100 fois supérieures à celles typiquement rencontrées pour les satellites géostationnaires.
• Le système propulsif doit être suffisamment flexible et robuste pour s’adapter aux demandes du marché, comme l’utilisation du krypton à la place du xénon.

Le développement du PPS®X00 a débuté en 2017 et en 2018 pour la cathode. Afin de réduire les coûts, Il est apparu qu’il était pertinent de fournir le FMS (alimentation en gaz) et le PPU (alimentation électrique) formant un ensemble avec le propulseur. Le propulseur lui-même bénéficie de la fabrication additive partout où cela est possible.

Il fournit une poussée de 10 à 70 mN pour un débit de xénon de 1 à 4 mg/s et une tension de décharge de 300 à 400 V, la puissance électrique peut atteindre 1 kW.

Le moteur a déjà effectué 2500 h d’essai en xénon à pleine puissance (1 kW), pour une durée de vie visée de 3500 h et 7000 cycles sur une cathode. Il a aussi effectué plus de 500 h d’essai en krypton. Les premiers modèles de vol devraient être fournis en 2024.

CONCLUSION

La conception des satellites commerciaux entre dans une période de profonds changements. La propulsion plasmique, la forme de propulsion électrique la plus populaire dans le monde, accompagne ces changements aussi bien dans le domaine des satellites géostationnaires avec les satellites « tout électriques » (sans propulsion chimique) et, à l’autre extrémité de l’échelle, avec des propulseurs pouvant être produits en grande série à des coûts compétitifs pour les constellations de satellites en orbite basse et moyenne.

Olivier Duchemin,

Claude Martin Brito,
Safran Spacecraft Propulsion, Campus de l’espace. Vernon, France

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