Propulsion électrique pour les systèmes spatiaux

La propulsion électrique, encore appelée propulsion à plasma ou propulsion ionique, englobe un ensemble de technologies utilisées pour déplacer des satellites et des sondes dans l’espace. Les premiers travaux en propulsion électrique datent du début des années 1960 ; ils coïncident avec le développement des sources plasmas à fort courant. Le premier satellite équipé d’un propulseur électrique a été lancé en 1964 . Depuis cette époque, la technologie a grandement évolué, les performances se sont améliorées, de nombreux concepts et approches ont émergé et l’emploi de ce mode de propulsion a largement diffusé à travers le monde. À ce jour, des centaines de propulseurs électriques ont été embarqués sur des satellites et plusieurs sondes scientifiques d’exploration ont accompli leur mission grâce à cette technologie. L’augmentation de la puissance électrique disponible sur les satellites en orbite géostationnaire a récemment conduit à l’émergence de satellites « tout électrique », pour lesquels l’ensemble des manœuvres est réalisé à l’aide de propulseurs à plasma. Actuellement, le domaine connaît une croissance forte avec de nombreux développements et réalisations du fait du déploiement de plusieurs constellations de petits satellites et de la mise en œuvre de projets de méga-constellations, de remorqueurs spatiaux et de véhicules cargo.

La propulsion électrique, comme sa contrepartie chimique, est basée sur la conservation de la quantité de mouvement pour générer une force propulsive. Cependant, alors que la propulsion chimique convertit l’énergie chimique stockée dans l’ergol en énergie cinétique par la voie d’une réaction de combustion (phase thermique), la propulsion électrique convertit de l’énergie électrique en énergie cinétique de particules chargées  . Grâce à la séparation entre la source d’énergie et la matière à éjecter, cette méthode de propulsion permet d’atteindre une grande vitesse d’éjection, ce qui se traduit directement par une très faible consommation d’ergol . C’est l’avantage majeur de la propulsion électrique. On peut ainsi fortement réduire la masse d’un satellite, donc le coût du lancement, ou allonger la durée d’une mission, donc accroître son impact. Il faut dès lors retenir qu’en dépit d’un faible niveau de poussée, très inférieur à celui de la propulsion chimique, la propulsion électrique permet des gains en capacité et en coût, et autorise des manœuvres et des missions difficilement réalisables autrement.

Cet article se veut d’abord une introduction au domaine de la propulsion électrique destinée au non-spécialiste qui désire se former et apprendre. L’article pose les bases et donne les lignes directrices afin de faciliter des études plus approfondies. Dans un premier temps l’article décrit les principes de la propulsion électrique, présente les différences entre les modes chimique et électrique et traite de la sélection de l’ergol et de la source d’énergie nécessaire à l’alimentation du système. La classification des systèmes est expliquée ensuite et les diverses technologies sont brièvement décrites et comparées. La dernière partie est dédiée à la micropropulsion pour les petits satellites car ce secteur émergent aux besoins spécifiques connaît une croissance rapide.

Cet article ne se veut nullement exhaustif. L’objectif est de donner, en particulier aux ingénieurs, des informations techniques, des chiffres et des ordres de grandeur ainsi qu’un aperçu des possibilités offertes mais aussi des limites et des questions ouvertes.