Les systèmes de propulsion magnétique et plasma constituent une rupture fondamentale avec les fusées chimiques traditionnelles.Au lieu de s'appuyer sur l'expansion thermique des produits de combustion, ces systèmes exploitent les interactions entre les champs électromagnétiques et la matière ionisée pour générer de la poussée. La physique de la poussée dans ce contexte est entièrement enracinée dans la force de Lorentz et le contrôle précis des trajectoires de particules chargées.

Les limites inévitables de la propulsion chimique

Pour bien comprendre l'importance de la propulsion du plasma, il faut d'abord comprendre les contraintes des systèmes chimiques. Une fusée chimique transporte à la fois du combustible et de l'oxydant. Le processus de combustion est limité par l'énergie libérée dans les liaisons chimiques, qui plafonne la vitesse maximale d'échappement à environ 4,5 kilomètres par seconde.

L'équation de la fusée dicte que le changement de vitesse (delta-v) d'un vaisseau spatial est égal à la vitesse d'échappement multipliée par le logarithme naturel du rapport de masse initial à la masse finale. Pour atteindre les valeurs de delta-v élevées requises pour les déplacements interplanétaires, il faut une augmentation exponentielle de la masse propulsive, connue sous le nom de tyrannie de l'équation de la fusée.

Les fondements physiques de la poussée électromagnétique

La troisième loi de Newton et le flux de l'instantum

Dans un moteur chimique, les molécules de gaz chaud se développent et s'accélèrent à travers une buse, en frappant l'arrière de la chambre de combustion et les parois de la buse. Dans un moteur plasma, les particules chargées, généralement des ions, sont accélérées électromagnétiquement et expulsées du dos. La force éprouvée par l'engin spatial est égale et opposée au taux de changement de la dynamique du courant d'échappement. Ceci est exprimé simplement comme F = -ex, où -]ex est sa vitesse.

La force de Lorentz en détail

L'équation physique fondamentale qui régit toute propulsion électromagnétique est la force de Lorentz :

F = q(E + v × B)

Ici, q est la charge de la particule, E est le vecteur de champ électrique, v est le vecteur de vitesse de la particule, et B est le vecteur de champ magnétique. Le terme qE est la composante électrostatique. Le terme qv × B est le composant magnétique, qui agit toujours perpendiculairement à la vitesse de la particule et au champ magnétique. Dans la propulsion électrique, les ingénieurs utilisent des combinaisons de champs électriques et magnétiques pour ioniser un gaz propulsif, limiter le plasma résultant et accélérer les ions à des vitesses élevées.

Velocité spécifique de l'impulsion et de l'échappement

L'impulsion spécifique (Isp[) est la mesure de l'efficacité avec laquelle un système de propulsion utilise son propergol. Elle est définie comme l'impulsion totale délivrée par unité de poids du propergol, et elle a des unités de secondes. Les fusées chimiques sont au maximum sur 450 secondes. Les moteurs à ions broyés fonctionnent régulièrement à des valeurs Isp de 3000 secondes, et les propulseurs magnétoplasmadynamiques peuvent théoriquement atteindre 10 000 secondes. La vitesse d'échappement est directement proportionnelle à Isp [vex] = Isp * g.

Comprendre l'État du plasma

Création et contenant du gaz ionisé

Le plasma est le quatrième état de la matière, un gaz quasi neutre composé d'électrons libres et d'ions positifs. Dans un propulseur électrique, un gaz propulsif neutre, typiquement Xénon ou Krypton, est injecté dans une chambre de décharge. Les électrons énergétiques entrent en collision avec les atomes neutres, en dévalant les électrons dans un processus appelé ionisation par impact électronique.

Un champ magnétique exerce une force sur les particules chargées en mouvement, ce qui les pousse à se gyrer autour des lignes de champ. Cette gyration piège efficacement les électrons, les empêchant de se perdre dans les parois de la chambre. En augmentant la longueur du chemin des électrons, le champ magnétique augmente également la probabilité de collisions ionisantes, rendant le propulseur plus efficace. La qualité de confinement est souvent mesurée par le paramètre Hall, qui est le rapport de la fréquence des cyclotrons d'électrons à la fréquence des collisions d'électrons.

Principaux types de thrustres à plasma

Thrusters électrostatiques: Moteurs à ions broyés

Les moteurs ioniques broyés sont le type le plus mature de propulseur électrique à haute Isp. Dans un moteur ionique à grille, le propergol est ionisé dans une chambre de décharge DC ou RF. Les ions sont ensuite extraits et accélérés par un ensemble de deux ou trois grilles à haute tension. La première grille, appelée grille d'écran, est à un potentiel positif élevé. La seconde grille, la grille d'accélérateur, est à un fort potentiel négatif.

La physique qui régit la densité maximale du courant qui peut être extraite des grilles est décrite par la loi Child-Langmuir pour un débit limité de charge spatiale. Cette loi impose une limite fondamentale à la densité de poussée des moteurs ioniques quadrillés. Pour maintenir la neutralité de charge des vaisseaux spatiaux, une cathode neutralisante émet des électrons dans le faisceau d'échappement. Ces moteurs offrent la plus haute I[sp de toute technologie opérationnelle, ce qui les rend idéales pour les missions phares dans l'espace profond comme Dawn, Hayabusa et BepiColombo.

Thrusters électromagnétiques: MPD et VASIMR

Les propulseurs à courant élevé sont heurtés entre une cathode centrale et une anode externe. Le courant intense ionise le propulseur injecté et crée un champ magnétique fort. Le courant interagit avec ce champ magnétique pour produire une force corporelle [J × B qui accélère directement le plasma hors du propulseur. Les propulseurs à courant continu peuvent gérer des ordres de grandeur plus puissants que les moteurs à grille, produisant des densités de poussée beaucoup plus élevées. Ils sont capables de valeurs I[sp entre 2000 et 10 000 secondes.

La fusée à impulsion spécifique variable (VASIMR) est un concept électromagnétique plus avancé. Elle utilise l'énergie de radiofréquence (RF) pour chauffer un plasma à des températures extrêmement élevées et une buse magnétique pour convertir l'énergie thermique en énergie cinétique dirigée. L'avantage majeur de VASIMR est sa capacité à varier le Isp et la poussée pendant le fonctionnement, lui permettant d'optimiser ses performances pour différentes phases d'une mission.

Thrusters d'effet Hall

Les propulseurs à effet Hall (HET) sont un type de propulsion électrique très efficace et robuste. Ils occupent un sol intermédiaire entre les moteurs ioniques grillagés et les propulseurs MPD en termes de poussée et de poussée I[. Un propulseur Hall utilise un champ magnétique radial à travers un canal de décharge annulaire. Un champ électrique est établi en maintenant l'anode à un potentiel positif élevé par rapport à une cathode aval.

Le champ magnétique radial piège les électrons dans un sentier de dérive circulaire autour du canal, connu sous le nom de courant Hall. Ce nuage d'électrons piégés ionise efficacement le gaz propulseur. Le champ électrique axial accélère ensuite les ions résultants hors du canal, produisant une poussée. L'absence de grilles d'accélération rend les propulseurs Hall mécaniquement plus simples et plus robustes que les moteurs ioniques. Ils offrent I[sp dans la plage de 1500 à 3000 secondes et sont largement utilisés sur les satellites commerciaux pour l'entretien de stations et sur les sondes d'espace profond comme la psyché. Le rapport poussée-puissance d'un propulseur Hall est exceptionnellement élevé pour un dispositif de propulsion électrique.

Principaux critères de performance

Poussée et puissance

La poussée produite par un propulseur plasma est directement proportionnelle au débit massique du propulseur et à la vitesse d'échappement. La puissance cinétique contenue dans le jet d'échappement est donnée par Pjet = 0.5 * -ex2. En combinant les équations de poussée et de puissance, nous constatons que le rapport puissance/pouvoir est P/F = 0.5 * v]ex. Cette relation fondamentale signifie que les vitesses d'échappement plus élevées exigent des niveaux de puissance proportionnellement plus élevés pour produire la même quantité de poussée.

Efficacité totale

L'efficacité globale du propulseur est responsable de plusieurs mécanismes de perte, notamment les pertes d'ionisation (énergie nécessaire pour retirer les électrons des atomes), les pertes électriques dans l'unité de traitement de la puissance (PPU), les pertes de divergence du faisceau (ions sortant à un angle plutôt que de l'arrière droit) et les pertes de paroi (ions qui impactent les surfaces du propulseur).

De laboratoire à espace profond : applications

La propulsion électrique est passée d'une technologie expérimentale à une capacité critique pour les vols spatiaux modernes.

  • Maintien de la station commerciale : Les satellites de communications géostationnaires utilisent des propulseurs Hall pour la tenue de la station Nord-Sud (NSSK), ce qui réduit considérablement la masse de propergol nécessaire pendant 15 ans de fonctionnement, ce qui permet d'accroître les charges utiles de communications génératrices de revenus.
  • Science spatiale profonde:[ La mission Dawn à la ceinture d'astéroïdes s'est appuyée sur son moteur ionique pour entrer et laisser l'orbite autour de deux protoplanètes différents, Vesta et Ceres. Ce profil de mission est chimiquement impossible.
  • L'orbite : Les satellites lancés dans l'orbite de transfert géostationnaire (GTO) utilisent de plus en plus la propulsion électrique pour élever lentement leur orbite vers l'orbite géostationnaire opérationnelle (GEO).

Défis techniques et sciences des matériaux

Le problème de puissance

Pour les missions spatiales profondes, la propulsion électrique nucléaire (NEP) est la solution envisagée. Un système NEP utiliserait un réacteur à fission compacte pour fournir des centaines de kilowatts à mégawatts d'énergie électrique, permettant des missions rapides de chargement vers Mars et des missions robotiques vers les planètes extérieures. L'unité de traitement de puissance (PPU) elle-même représente un défi technique majeur, car elle doit convertir la puissance brute en tensions et courants précis requis par le propulseur avec une grande efficacité et fiabilité.

Érosion matérielle et durée de vie

Dans les moteurs à ions maillés, la grille d'accélérateur souffre d'érosion par échange d'ions de charge. Dans les propulseurs Hall, les parois du canal de décharge en céramique et la cathode creuse sont les principaux composants limitant la durée de vie. Les propulseurs Hall à protection magnétique sont une innovation récente qui réduit considérablement l'érosion des murs en formant le champ magnétique pour garder les ions à haute énergie loin des surfaces.

Gestion des propergols

Xenon est le propulseur de choix depuis des décennies en raison de sa masse atomique élevée, de sa faible énergie d'ionisation et de sa nature inerte. Cependant, Xenon est coûteux et son approvisionnement est limité. Krypton est une alternative moins chère, plus abondante. Il a une masse atomique plus faible et une énergie d'ionisation plus élevée, ce qui entraîne des performances plus faibles pour un niveau de puissance donné, mais il est toujours un propulseur très viable.

L'avenir de la propulsion du plasma à haute puissance

La prochaine génération de propulsion plasma va repousser les limites de la puissance et des performances. Le propulseur Hall à canal imbriqué X3, un projet de collaboration entre l'Université du Michigan, la NASA, et la Force aérienne, a démontré avec succès plus de 100 kilowatts de puissance et 5.4 Newtons de poussée, établissant des records pour la performance du propulseur Hall. Ces systèmes de haute puissance sont destinés à des applications de propulsion électrique nucléaire.

Des concepts avancés comme le propulseur sans électrode utilisent des champs magnétiques rotatifs pour ioniser et accélérer le propulseur sans électrode matérielle, promettant des durées de vie extrêmement longues. La production d'énergie dans l'espace continue de s'améliorer, la propulsion du plasma déverrouillera le système solaire, permettant le transport régulier de marchandises vers Mars, des missions scientifiques rapides vers les planètes extérieures et l'exploration humaine bien au-delà de l'orbite de basse Terre.