Bibliographie & annexes
Quiz & test
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les technologies de propulsion électrique pour les satellites et les sondes spatiales sont ici abordées. Les propulseurs électriques, aussi nommés propulseurs ioniques ou à plasma, produisent une faible poussée par rapport aux propulseurs chimiques. Cependant, grâce à la séparation de la source d’énergie et de l’ergol, ils offrent plusieurs avantages. En particulier, ce mode de propulsion délivre une grande vitesse d’éjection de la matière, ce qui induit une baisse drastique de la quantité de carburant nécessaire, donc de la masse du véhicule. Plus globalement, la propulsion électrique permet une réduction de la taille et de la masse des satellites, un abaissement des coûts et rend exécutables des missions et manœuvres difficiles à accomplir en propulsion chimique.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleABSTRACT
This article presents a short review of electric propulsion technologies for satellites and spacecraft. Electric thrusters, also termed ion or plasma thrusters, deliver a low thrust level compared to their chemical counterparts, but they offer significant advantages for in-space propulsion, as energy is uncoupled from the propellant, thus allowing high energy densities. Electric propulsion devices notably produce a high propellant exhaust velocity that directly translates into a low propellant consumption, and so a low spacecraft mass. More generally, electric propulsion allows a decrease in satellite sizes and mass, and a reduction in costs, and it makes possible maneuvers and missions hard to achieve with chemical propulsion.
Auteur(s)
-
Stéphane MAZOUFFRE : Diplômé de l’École nationale supérieure d’ingénieurs de Limoges - Docteur en physique des plasmas de l’université de technologie d’Eindhoven aux Pays-Bas - Directeur de recherche au CNRS, responsable de l’équipe Propulsion Électrique de l’Institut de Combustion Aérothermique, Réactivité et Environnement (ICARE), CNRS UPR 3021, Orléans, France
INTRODUCTION
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.
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
plasma | geostationary satellite | spacecraft propulsion | electric propulsion
DOI (Digital Object Identifier)
CET ARTICLE SE TROUVE ÉGALEMENT DANS :
Accueil > Ressources documentaires > Ingénierie des transports > Systèmes aéronautiques et spatiaux > Astronautique et technologies spatiales > Propulsion électrique pour les systèmes spatiaux > Propulsion spatiale
Accueil > Ressources documentaires > Innovation > Innovations technologiques > Les grands événements de l'année > Propulsion électrique pour les systèmes spatiaux > Propulsion spatiale
Cet article fait partie de l’offre
Machines hydrauliques, aérodynamiques et thermiques
(173 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
Particularités de la propulsion électrique
En anglais
1. Propulsion spatiale
1.1 Équation de Tsiolkovsky
Le déplacement d’un véhicule dans l’espace est gouverné par le principe de conservation de la quantité de mouvement : l’accélération résulte de l’expulsion d’une certaine masse de matière. L’application de ce principe à un véhicule spatial conduit à une loi de Newton généralisée qui s’applique à un corps soumis à une force F ext et dont la masse varie au cours du temps t :
( 1 )
où
est le débit massique éjecté, v e la vitesse d’éjection de la matière, m la masse du véhicule et v sa vitesse. Par rapport à la deuxième loi de Newton, l’équation (1) fait apparaître un terme supplémentaire
que l’on nomme la poussée. Il s’agit d’une force additionnelle due à l’expulsion de la matière. L’équation (1) peut être facilement résolue lorsque les forces externes telles que la gravité ou la traînée sont négligées. Il s’agit d’une approximation acceptable pour un satellite ou une sonde interplanétaire mais fausse pour un lanceur au décollage ou pour un satellite opérant à très basse altitude. En supposant également que la vitesse v e reste constante, ce qui est correct sauf lors des phases d’allumage et d’arrêt d’un propulseur qui sont relativement courtes, on obtient une expression pour la variation de la vitesse du véhicule, appelée incrément de vitesse et notée Δv, au cours d’un intervalle de temps qui correspond au temps de propulsion :
...
L'expertise technique et scientifique de référence
TEST DE VALIDATION ET CERTIFICATION CerT.I. :
Cet article vous permet de préparer une certification CerT.I.
Le test de validation des connaissances pour obtenir cette certification de Techniques de l’Ingénieur est disponible dans le module CerT.I.
de Techniques de l’Ingénieur ! Acheter le module
Cet article fait partie de l’offre
Machines hydrauliques, aérodynamiques et thermiques
(173 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Propulsion spatiale
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LEV (D.) et al - The technological and commercial expansion of electric propulsion in the past 24 years. - 35th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2017-242, Atlanta, Géorgie (2017).
-
(2) - SUTTON (G.P.), BIBLARZ (O.) - Rocket propulsion elements. - Wiley, New York (2010).
-
(3) - TURNER (M.J.L.) - Rocket and spacecraft propulsion. - Springer, Chichester (2009).
-
(4) - MAZOUFFRE (S.) - Electric propulsion for satellites and spacecraft : established technologies and novel approaches. - Topical Review, Plasma Sources Sci. Technol., 25, p. 033002 (2016).
-
(5) - LARSON (W.J.), WERTZ (J.R.) - Space mission analysis and design. - 3rd Edition, Space Technology Library (2010).
-
(6) - GOEBEL (D.M.), KATZ (I.) - Fundamentals of electric propulsion. - ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
L'expertise technique et scientifique de référence
Cet article fait partie de l’offre
Machines hydrauliques, aérodynamiques et thermiques
(173 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
L'expertise technique et scientifique de référence
Cet article fait partie de l’offre
Machines hydrauliques, aérodynamiques et thermiques
(173 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
