Propulsion électrique pour les véhicules suborbitaux de tourisme spatial

Pourquoi la propulsion électrique pour le tourisme suborbital?

Gains d'efficacité radicale

Un moteur à fusée chimique typique atteint une seconde environ de 300 à 450 secondes. Les propulseurs électriques peuvent atteindre 1 500 à 5 000 secondes, ce qui signifie qu'ils peuvent produire la même impulsion totale en utilisant un propulseur beaucoup moins puissant. Pour le tourisme suborbital, cela se traduit par une réduction significative de la masse de carburant, ce qui réduit le poids global du véhicule et les coûts de lancement.

Avantages environnementaux : Vols plus propres

Les fusées chimiques brûlent des propulseurs qui libèrent du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau, de la suie et d'autres polluants dans la haute atmosphère. Bien que les émissions totales des vols suborbitaux soient encore faibles par rapport à l'aviation, l'industrie est sous-étudiée à mesure qu'elle s'éteint. La propulsion électrique utilise des gaz inertes comme le xénon, qui ne produisent aucun sous-produit de combustion.

Réduction des coûts d'exploitation grâce à la réutilisation et à la réduction des rénovations

Les fusées chimiques subissent une chaleur, une pression et des vibrations extrêmes pendant la combustion, ce qui entraîne une usure importante des composants moteurs.Les propulseurs électriques fonctionnent à des températures beaucoup plus basses et sans combustion à haute pression, réduisant grandement les contraintes thermiques et mécaniques. Cela signifie que le système de propulsion peut durer beaucoup plus de vols avant d'avoir besoin d'une rénovation majeure, critique pour le modèle coût par siège du tourisme spatial.

Profils de vol étendus et personnalisables

Les vols suborbitaux suivent généralement une trajectoire balistique : un puissant coup de pouce, quelques minutes d'apesanteur, puis de rentrée. Avec des fusées chimiques, la durée de la poussée est courte et la trajectoire est en grande partie fixée par le profil de combustion. La propulsion électrique, bien que basse, peut supporter la poussée pendant beaucoup plus de temps (minutes à heures). Cela pourrait permettre de nouveaux profils de mission tels que des expériences soutenues de microgravité, des montées progressives qui réduisent les forces g sur les passagers, ou même des manœuvres de descente contrôlées.

Sécurité & Redundancy

Les systèmes de propulsion électrique sont intrinsèquement moins explosifs que les systèmes chimiques. Il n'y a pas de chambre de combustion haute pression, pas d'oxydant volatil. Xenon est inerte et non inflammable, réduisant les risques au sol et en vol. Plusieurs petits propulseurs peuvent être distribués pour la redondance, permettant une dégradation gracieuse de la capacité de propulsion au lieu d'une défaillance catastrophique.

Le défi majeur : faible poussée et problème de puissance

Malgré ces avantages, la propulsion électrique a une limite fondamentale : faible poussée]. Un propulseur à effet Hall typique produit une poussée mesurée en millinewtons à quelques newtons, par rapport à des centaines de kilonewtons pour une fusée chimique. Pour surmonter la gravité de la Terre et atteindre des altitudes suborbitales (habituellement 80–120 km), un véhicule doit accélérer rapidement. Avec une faible poussée, l'accélération est très lente, rendant impossible le décollage direct du sol.

Contraintes de la source d'énergie

Pour un véhicule de tourisme spatial, cette puissance doit provenir de batteries embarquées ou de panneaux solaires. Les batteries capables de fournir des mégawatts pendant des minutes sont extrêmement lourdes, ce qui n'empêche pas une partie des économies de poids d'un propulseur réduit. Les panneaux solaires sont moins efficaces dans l'atmosphère inférieure et ajoutent de la traînée. Les chercheurs explorent des batteries à haute densité d'énergie (p. ex. lithium-air, solide) et des supercondensateurs pour combler cet écart.

Temps d'accélération et forces G

Même si le problème de puissance est résolu, la poussée basse signifie des temps d'accélération longs – potentiellement des dizaines de minutes pour atteindre les vitesses orbitales (bien que suborbitale nécessite moins de delta-v). Pendant ce temps, les passagers subiraient une accélération soutenue de faible force g (peut-être 0,1 à 0,5 g) plutôt que la brève vitesse de pointe des fusées chimiques. Cela pourrait être plus confortable pour certains, mais cela signifie aussi que le véhicule doit passer beaucoup plus longtemps dans les parties plus denses de l'atmosphère, augmentant le chauffage aérodynamique et la traînée.

Gestion des propergols

Le Xénon est cher (environ 2 000 $/kg) et relativement rare. Pour le tourisme commercial, l'utilisation de solutions de rechange moins chères comme le krypton ou même l'iode est à l'étude. L'iode peut être stocké comme solide et sublimé, offrant une densité plus élevée et un coût moindre, mais il est corrosif et nécessite une manipulation spéciale.

Solutions hybrides : le meilleur des deux mondes

Compte tenu de la limitation de la poussée, de nombreux experts estiment que le chemin le plus viable est un système de propulsion hybride [. Une petite fusée chimique (solide ou liquide) fournit la poussée élevée nécessaire pour le lancement initial et l'ascension dans l'atmosphère inférieure. Une fois le véhicule atteint la stratosphère (~30–50 km d'altitude), le moteur chimique s'arrête et un système de propulsion électrique prend le relais pour le reste de l'ascension et pour des manœuvres de microgravité soutenues. Cette approche réduit la masse de propergol chimique (toujours le conducteur de poids principal) tout en permettant l'efficacité de la propulsion électrique là où elle fonctionne le mieux : dans des conditions proches du vide.

Activités actuelles de recherche et de développement

Plusieurs organisations repoussent les limites de la propulsion électrique pour les lanceurs suborbitaux et de petite taille :

Viabilité économique : La propulsion électrique peut-elle baisser les prix des billets ?

Les vols suborbitaux actuels coûtent entre 250 000 $ et 500 000 $ par siège. L'objectif des promoteurs de la propulsion électrique est de réduire ce nombre à moins de 50 000 $ par siège, ce qui pourrait étendre le marché des personnes ultra-patrimoines à une population plus large. Les facteurs de coûts pour les fusées chimiques sont la masse propulsive élevée (carburant à carburant expensable), la durée de vie du moteur courte (beaucoup de besoins de reconstruction après chaque vol) et les opérations au sol complexes.

• Le coût du propergol par vol pourrait diminuer de 80 % ou plus.
• La durée de vie du moteur peut être mesurée en milliers d'heures au lieu de secondes.
• Les moteurs plus simples réduisent le temps de maintenance et d'inspection.

Cependant, le coût initial de développement des systèmes de propulsion électrique à haute puissance est important. Et la nécessité de batteries volumineuses ou de réseaux solaires avancés ajoute des dépenses initiales. Comme les coûts de la batterie continuent de diminuer (après la courbe de l'industrie des véhicules électriques), le coût total du système deviendra plus concurrentiel. Une étude de 2022 réalisée par la Société spatiale internationale a estimé qu'un véhicule électrique suborbital hybride pourrait atteindre un seuil de rentabilité d'environ 50 vols par année, en supposant 100 000 $ par siège.