Redéfinir le petit lancement : le changement vers la propulsion électrique

Le paysage de l'accès à l'espace connaît une transformation fondamentale.Depuis des décennies, les petits satellites et CubeSats ont fait des trajets en charge secondaire sur de grandes fusées, entravés par le calendrier et l'orbite de la mission principale. L'augmentation des lanceurs spécialisés à petite échelle, des pignons conçus pour soulever des charges utiles de quelques centaines de kilogrammes ou moins, a ouvert de nouvelles possibilités de déploiements flexibles, fréquents et rentables. Pourtant, ces véhicules continuent de dépendre presque exclusivement de la propulsion chimique pour leurs phases de stimulation et d'injection en orbite supérieure. La propulsion électrique, qui est depuis longtemps le domaine des sondes d'espace profond et des satellites de station, est aujourd'hui réinventée pour les petits lanceurs, non pas comme un remplacement de la poussée de première étape, mais comme une technologie de pointe qui change les jeux, qui peut accroître considérablement les performances et la flexibilité de la mission.

Les systèmes de propulsion électrique, tels que les propulseurs ioniques et les propulseurs à effet Hall, fonctionnent en accélérant le propulseur chargé (généralement le xénon ou le krypton) en utilisant des champs électriques ou magnétiques. Ils offrent des impulsions spécifiques (Isp) de 1 500 à 5 000 secondes, comparativement à 300 à 450 secondes pour les fusées chimiques.

Bien que le lancement entièrement électrique à partir du sol soit peu pratique en raison du faible rapport poussée/poids des propulseurs électriques actuels, la combinaison d'un amplificateur à moteur chimique qui soulève le véhicule sur orbite, suivie d'une étape supérieure électrique pour son insertion orbitale et au-delà, représente une architecture hybride pratique. Plusieurs entreprises aérospatiales et organismes de recherche développent activement de tels systèmes, ciblant de petits lanceurs qui peuvent livrer des charges utiles à une orbite terrestre basse (LEO), à une orbite synchrone (SSO) et même à une orbite de transfert géostationnaire (GTO) avec une efficacité sans précédent.

Pourquoi la propulsion électrique est importante pour les petits véhicules à lanceurs

Déverrouillage des orbits supérieurs avec moins de propulseur

L'avantage premier de la propulsion électrique pour les petits lanceurs est son rendement énergétique exceptionnel. Un étage supérieur chimique pourrait utiliser plusieurs centaines de kilogrammes de propergol pour circulairer une orbite ou augmenter l'altitude. Un étage supérieur électrique, utilisant la même masse de propergol, peut produire plusieurs fois plus de delta-v, permettant à un petit lanceur d'atteindre des orbites plus élevées ou d'effectuer des déploiements multi-cibles. Par exemple, une petite fusée qui ne peut placer une charge utile de 100 kg que dans une orbite polaire de 500 km pourrait, avec une étape de démarrage électrique, placer cette même charge utile dans une orbite de 1 200 km ou livrer plusieurs petits satellites à différentes altitudes.

Cette capacité est particulièrement utile pour les petits exploitants de satellites qui veulent opérer en orbite non standard ou doivent éviter la densité des débris spatiaux à des altitudes communes. La propulsion électrique leur donne la liberté de choisir des orbites qui étaient auparavant inaccessibles aux petits lanceurs abordables.

Réduction des coûts de lancement et simplification de la logistique

Cette réduction s'étend jusqu'au booster : moins de propulseur au niveau supérieur, moins de poussée et de carburant pour soulever la pile entière, ce qui peut réduire les coûts de fabrication et permettre de réduire les plaquettes de lancement. De plus, les systèmes de propulsion électrique ont moins de pièces mobiles que les moteurs chimiques complexes – pas de turbopompes, pas de séquences d'allumage complexes – qui peuvent simplifier l'intégration et réduire les coûts de production par unité.

Bien que les étages supérieurs de la chimie utilisent souvent de l'hydrazine toxique ou des mélanges hypergoliques, les propulseurs électriques utilisent généralement des gaz nobles inertes comme le xénon ou le krypton. Ces gaz sont non toxiques, ne nécessitent pas de combinaisons de sécurité spéciales pour les équipages au sol, et peuvent être stockés et chargés avec un équipement plus simple. La campagne de lancement globale devient plus rapide, moins coûteuse et plus sûre.

Avantages environnementaux et réglementaires

Les fusées chimiques émettent de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone, des oxydes d'azote et des espèces contenant du chlore qui peuvent endommager la couche d'ozone. La propulsion électrique, par contre, produit un échappement minimal, essentiellement des atomes de gaz neutres et des ions, et les propulseurs inertes ont des effets atmosphériques négligeables.

De plus, la réduction de la masse de propergols entraîne une diminution des expéditions de matières dangereuses par camion, ce qui réduit encore l'empreinte environnementale globale d'une campagne de lancement.

Technologies actuelles et développements clés

Thrusters à effet Hall pour les petits étages supérieurs

Les propulseurs à effet Hall (HET) sont les chevaux de travail de la propulsion électrique actuelle. Ils sont compacts, efficaces et ont un patrimoine de vol sur des dizaines d'engins spatiaux.Pour les petits lanceurs, plusieurs entreprises réduisent la puissance des propulseurs à 100–1 000 W tout en maintenant une puissance élevée de 1 500–2 000 s. Busek, une compagnie de propulsion américaine, offre les propulseurs BHT-200 et BHT-600 qui ont été utilisés sur des cubes et de petits satellites et sont actuellement évalués pour des rôles de niveau supérieur. Exotrail en France a développé la famille “Spaceware” Propulseur à effet Hall, y compris un modèle 500 W destiné à des petits transferts orbitaux et des désorbements par satellite.

Une démonstration notable a été le concept de « “Small Vehicle with Electric Propulsion” (SVEP) étudié par l'ESA, qui a utilisé un groupe de propulseurs Hall miniaturisés pour soulever l'orbite après une combustion de booster à pignon solide.

Thrusters Ion Grinded: plus haut pour les missions prolongées

Les propulseurs à ions broyés (GIT) offrent une impulsion spécifique encore plus élevée, jusqu'à 5 000 secondes, mais au prix d'une densité de poussée plus faible et d'une complexité accrue. NASA’s NEXT et les propulseurs NSTAR précédents se sont révélés extrêmement fiables pour les missions de longue durée comme Dawn. Pour les petits lanceurs, les propulseurs à ions miniaturisés tels que le ThrustMe[ NPT30-I2 ont été utilisés sur CubeSats pour le soulèvement de l'orbite et le contrôle de l'attitude.

Le propulseur I2T5 de ThrustMe&rsquo produit 1,3 mN de poussée à 2 500 secondes Isp, ce qui le rend adapté pour la manœuvre de petits satellites. Cependant, pour un rôle de niveau supérieur nécessitant des dizaines ou des centaines de mN, des groupes de propulseurs ioniques ou des unités individuelles plus grandes seraient nécessaires.

Technologies alternatives: Plasma pulsé et électrospray

Au-delà des propulseurs à ions Hall et des propulseurs à ions, d'autres concepts de propulsion électrique sont à l'étude pour les étages supérieurs des petits lanceurs. Les propulseurs à plasma pulsé (PPT) offrent simplicité et propulseurs solides (p. ex., Teflon), mais leur faible efficacité et leur poussée les limitent aux applications microsatellites. Les propulseurs à électrospray, qui émettent des gouttelettes chargées d'un propulseur liquide (habituellement des liquides ioniques), peuvent obtenir des bits d'impulsion très précis et haute Isp.

Un autre concept émergent est le propulseur magnetoplasmadynamique (MPD), qui utilise un arc à courant élevé pour générer un plasma dense et une haute densité de poussée. Bien que les propulseurs MPD aient été étudiés pendant des décennies, leurs besoins en puissance élevée (mégawatts pour un fonctionnement efficace) les rendent peu pratiques pour les petits lanceurs aujourd'hui.

Intégration de la propulsion électrique dans les conceptions de petits lanceurs

Options d'architecture : Étape de démarrage, Tug ou Étage supérieur hybride

Il existe plusieurs façons d'intégrer la propulsion électrique dans un petit lanceur. Le plus simple est une étape kick – un vaisseau spatial distinct qui se détache du booster chimique et utilise des propulseurs électriques pour terminer l'insertion en orbite et effectuer ensuite des manœuvres supplémentaires. Rocket Lab’s Photon spatial spatial est un exemple réussi d'une étape de démarrage qui peut être équipée d'une variante de propulsion chimique ou électrique. Rocket Lab développe la Photon avec un moteur Curie (chimique) et explore également des versions de propulsion électrique pour des missions d'espace profond comme la CASPTONE[ mission lunaire, qui a utilisé une étape de démarrage chimique mais a démontré le concept d'un véhicule de transfert orbital dédié.

Une approche plus intégrée consiste à construire l'ensemble de l'étage supérieur autour d'un groupe de propulseurs électriques, le booster faisant l'ascension initiale et le pointage aux vitesses suborbitales. L'étage électrique soulève alors sa propre orbite pendant des jours ou des semaines en utilisant une poussée continue à basse poussée.Cette architecture permet un booster beaucoup plus petit parce que l'étage supérieur porte beaucoup moins de propulseur qu'un équivalent chimique.

Enfin, certains concepts prévoient un étage supérieur hybride[ avec un petit moteur chimique pour l'insertion d'orbite rapide et un propulseur électrique pour l'entretien de la station ou les changements d'orbite ultérieurs. Cette approche à double mode combine la vitesse de la propulsion chimique avec l'efficacité de la propulsion électrique, mais ajoute masse et complexité.

Gestion de l'énergie et de la chaleur

Les propulseurs électriques nécessitent une puissance électrique importante, généralement de 1 à 10 kW pour un petit étage supérieur. Cette puissance peut être générée par des réseaux solaires déployables, qui doivent être rangés pendant l'ascension et déployés après la séparation des étages.Pour les petits lanceurs, l'emballage de grands réseaux solaires (souvent de 10 à 30 m2) est un défi important. Des panneaux solaires flexibles et à haute efficacité, tels que ceux de Rocket Lab, de haute puissance, de la technologie des cellules solaires ou , sont en cours de développement.

Les propulseurs électriques produisent de la chaleur résiduelle du corps du PPU et du propulseur, et les tirs de longue durée (des dizaines d'heures) peuvent faire monter les températures au-dessus des limites des composants. Les radiateurs et les tuyaux de chaleur doivent être conçus pour rejeter la chaleur tout en respectant l'environnement de lancement.

Surmonter les défis

Limites de poussée et temps d'attente

Le plus souvent cité, l'inconvénient de la propulsion électrique est sa faible poussée. Un propulseur Hall produit quelques centaines de millinewtons; un moteur chimique de même taille produit des kilonewtons. L'élévation de l'orbite avec propulsion électrique prend des semaines ou des mois au lieu de minutes. Pour les petits lanceurs, cela signifie que l'étage supérieur ne peut pas supporter des missions sensibles au temps comme le transport par équipage ou l'imagerie à la demande.

Les propulseurs avancés poussent plus haut les niveaux de poussée. NASA-457M Le propulseur Hall a démontré que la poussée est de 100 kW et 5,4 N, ce qui montre que l'échelle est possible. Pour les petits lanceurs, des groupes de trois à cinq propulseurs de 1 kW pourraient fournir la poussée totale nécessaire tout en offrant une redondance.

Fiabilité du système d'alimentation

Les systèmes solaires doivent survivre à l'environnement de rayonnement et produire une puissance constante même à des angles élevés d'incidence. Les mécanismes de déploiement doivent fonctionner sans faille après les charges de lancement. Une défaillance du système de puissance peut faire tourner la partie supérieure de l'orbite de stationnement. Pour atténuer cela, les fabricants sont des réseaux de qualification pour les vibrations et le cycle thermique, utilisant des cordes redondantes, et intégrant des systèmes électroniques de suivi de pointe qui s'adaptent à la dégradation des réseaux.

Une autre approche consiste à utiliser des sources d'énergie nucléaires, comme les générateurs thermoélectriques radio-isotopes (RTG) ou les petits réacteurs à fission.Pour les petits lanceurs, les RTG sont trop lourds et peu nombreux (approvisionnement limité en plutonium-238). Kilopower, un projet de la NASA, a démontré un réacteur à fission de 10 kW qui pourrait être mis à l'échelle pour la propulsion électrique.

Durée de vie et érosion

Les propulseurs électriques ont une durée de vie opérationnelle limitée en raison de l'érosion des électrodes, des parois des canaux et des grilles. Les propulseurs de halls ont généralement entre 2000 et 10 000 heures, selon les conditions d'exploitation. Pour un étage supérieur qui peut brûler pendant 10 000 heures sur plusieurs mois, cela suffit. Mais pour les missions qui nécessitent de multiples redémarrages ou de très longues brûlures, l'érosion peut devenir un mode de défaillance.

La route à suivre : démonstrations à court terme et vision à long terme

Essais de vol à venir

Plusieurs petites compagnies de lanceurs se préparent à voler des étages supérieurs électriques dans les prochaines années. Rocket Lab a annoncé des plans pour une version de propulsion électrique de son étage supérieur de Photon, bien que des détails précis restent exclusifs. Astra (maintenant hors d'activité) avait envisagé des étages de démarrage électrique, et Firefly Aerospace travaille sur le MLV[ (Médium lanceur) avec un étage supérieur cryogénique, mais maintient également des recherches sur la propulsion électrique de sa fusée Alpha.

Du côté de la recherche, NASA’s Le projet de propulsion électrique solaire (SEP)[ développe un système de propulseur Hall de 12,5 kW qui pourrait éventuellement être adapté aux étages supérieurs des petits lanceurs.L'Agence spatiale européenne’s Le programme de technologie des petits lanceurs comprend des études sur les étages supérieurs électriques, en mettant l'accent sur les propulseurs d'iode et les systèmes d'alimentation en énergie légère.

Viabilité économique et attraction commerciale

Le cas d'un petit lanceur sans scène électrique pourrait coûter 5 à 10 millions de dollars pour une mission de 300 kg à LEO. L'ajout d'une étape électrique supérieure augmente le coût de développement et ajoute une masse de système d'alimentation, mais il peut permettre la livraison à des orbites plus élevées qui commandent des prix élevés ou permettent des missions à charges multiples qui réduisent le coût par satellite. Par exemple, le lancement d'une constellation de petits satellites 5G dans une orbite de 1 000 km pourrait être fait avec un lanceur unique utilisant une étape électrique de démarrage, au lieu d'envoyer plusieurs petites étapes chimiques.

Les analystes du marché prévoient que la demande de services de lancement de petits satellites passera de 2 milliards de dollars en 2023 à plus de 10 milliards de dollars d'ici 2030, grâce à des constellations à large bande, à l'observation de la Terre et à la connectivité IoT. La propulsion électrique sera un facteur clé pour rendre ces constellations abordables, d'autant plus que les opérateurs cherchent à reconstituer des satellites à des paramètres orbitaux exacts.

Conclusion : Un avenir hybride

La propulsion électrique ne remplacera pas les moteurs chimiques pour les boosters de petits lanceurs. L'immense poussée nécessaire pour échapper au puits de gravité de la Terre est tout simplement au-delà de la capacité des propulseurs électriques actuels. Cependant, pour l'étage supérieur et au-delà, la propulsion électrique offre un chemin vers une efficacité beaucoup plus grande, des coûts plus faibles et une réduction de l'impact environnemental.

À mesure que la technologie des propulseurs s'améliore, que les systèmes électriques deviennent plus légers et que le patrimoine des vols s'accumule, on peut s'attendre à voir plus de petits lanceurs adopter des étages supérieurs électriques. Ce changement démocratisera l'accès aux orbites supérieures, permettra des opérations spatiales plus durables et accélérera la croissance d'un écosystème spatial commercial dynamique.