Moteurs électriques : des perspectives d’utilisation inédites dans l’espace

Rémy Decourt

Aujourd'hui, les propulseurs électriques sont indissociables de la gamme des petits satellites, en particulier les nanosatellites, notamment parce qu'ils permettent d'atteindre une grande vitesse d'éjection, ce qui se traduit directement par une très faible consommation d'ergol. C'est cette « caractéristique qui les rend parfaitement compatibles avec les exigences des petits satellites en matière de masse et de volume », nous explique Stéphane Mazouffre, directeur de recherche au CNRS, au sein du laboratoire Icare à Orléans.

Mais, si la propulsion électrique « offre de nombreux avantages sur la propulsion conventionnelle chimique », suscitant un intérêt grandissant pour son utilisation dans diverses manœuvres, maintien à poste, contrôle d'attitude et de trajectoire, vol interplanétaire, etc., elle présente un « point faible qui bride son potentiel, notamment pour les missions d'exploration ». En effet, à ce jour aucun moteur électrique ne « peut orienter son vecteur de poussée, comme peuvent le faire les moteurs chimiques en utilisant des tuyères orientables ». Un choix qui s'explique moins par « des difficultés techniques de mise en œuvre que par un souci de simplicité et de maîtrise de la masse du satellite ». Bien sûr cela n'empêche nullement de « réaliser des transferts d'orbite, de corriger l'orientation et la trajectoire mais les opérateurs de satellites sont contraints pour des manœuvres combinées ou successives, telles que le transfert et la correction d'attitude, ainsi que pour les missions interplanétaires ».

Du fait du déploiement de plusieurs constellations de petits satellites, la mise en œuvre de méga-constellations et des projets de remorqueurs spatiaux et d'activités de service en orbite, tous les acteurs (motoristes, agences spatiales, utilisateurs) « sont à la recherche d'une plus grande agilité et liberté de manœuvre, difficilement réalisables avec les modes de propulsion électrique en service ». Aujourd'hui, « si l'on souhaite gagner en flexibilité », il faut des systèmes mécaniques, voire des bras comme c'est le cas sur le satellite Eutelsat 172B. « Des solutions qui coûtent cher et ajoutent de la complexité et de la masse. »

Demain, en raison des progrès faits dans la miniaturisation des instruments et des capteurs, ces petits satellites « pourraient ne plus se cantonner à l'orbite basse mais jouer un rôle dans l'exploration du Système solaire ». Suivant la voie ouverte par les deux MarCO (Mars Cube One A et B), qui ont relayé les données de l'atterrissage sur Mars de la sonde InSight de la Nasa, ces satellites seront de plus en plus « utilisés dans le cadre de missions d'exploration lointaine à destination de Mars et d'astéroïdes (mission Hera), voire des voyages interplanétaires vers les planètes Saturne, Jupiter et leurs satellites ». D'où ce besoin de souplesse et d'agilité.

Une innovation majeure 

Dans ce contexte, la startup autrichienne Enpulsion vient de mettre sur le marché le propulseur IFM Nano Thruster SE « qui permet le contrôle du vecteur de poussée sans pièce mobile ni système mécanique, une première mondiale », souligne Stéphane Mazouffre dont le laboratoire collabore étroitement avec Enpulsion. L'idée de la startup autrichienne est de jouer avec le « champ électrique de façon à modifier la trajectoire des ions qui peuvent ainsi être éjectés en dehors de l'axe du propulseur ». L'option choisie par Enpulsion, pour avoir le système le moins complexe possible et la capacité d'orienter le vecteur sur une grande plage angulaire « est l'utilisation d'un de trois électrodes accélératrices disjointes ».

Concrètement, les ions positifs d'indium produits par les injecteurs (anode, pôle +) sont extraits et accélérés grâce à une électrode circulaire (cathode, pôle -) située en aval de la couronne d'injecteurs. Cette électrode est polarisée à haute tension pour donner une grande vitesse aux ions. Comme la couronne d'injecteur et l'électrode sont à géométrie cylindrique et alignées, le faisceau d'ions est symétrique autour de l'axe du propulseur (propulseur IFM nano). Si on découpe l'électrode, on peut briser la symétrie (propulseur IFM nano SE). En effet, si on polarise uniquement un segment, alors les ions iront préférentiellement vers ce segment. En séparant l'électrode en trois arcs de cercle et selon la partie polarisée, le faisceau ne sera évidemment plus symétrique et le vecteur de poussée sera orienté vers la partie en question. Dit autrement, en jouant sur la polarisation des électrodes on joue sur l'angle du vecteur de poussée.

Résultat, des « manœuvres plus précises qui consomment moins d'ergols ». Le maintien de l'orientation des satellites est ainsi facilité. Autre avantage potentiel, un satellite équipé de ce propulseur pourrait être « susceptible de se passer de roues à inertie ».

C'est évidemment une grande avancée qui va « augmenter l'attractivité opérationnelle, déjà forte, de cette gamme de satellites ». Elle ouvre également de nouvelles perspectives en matière de « contrôle de trajectoire et simplification des systèmes ». Pour les satellites de type nano, de seulement quelques dizaines de centimètres, ce type de moteur va « non seulement renforcer leur attractivité mais également libérer tout leur potentiel, freiné en partie aujourd'hui par ce manque d'agilité ». L'émergence de cette technologique apparaît aussi comme un nouveau levier de compétitivité et représente une opportunité technologique et scientifique à saisir pour les futurs projets d'exploration robotique qui s'appuient sur cette gamme de satellites.

Ainsi, les petits satellites qui opèrent au-delà des orbites basses (géostationnaire, interplanétaire) et qui ne peuvent pas désaturer leurs roues à inertie (qui servent à corriger l'attitude et la trajectoire) à l'aide d'un magnétorqueur ou qui ne peuvent pas faute d'un volume suffisant embarquer plusieurs moteurs, la vectorisation permet de corriger les désalignements (du vecteur de poussée par rapport au centre de masse) et par exemple de réussir une mission interplanétaire à moindre coût. Autre intérêt, les satellites en orbite basse qui ont besoin pour atteindre leur objectif d'un alignement parfait de leur vecteur de poussée.

Source: https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronautique-moteurs-electriques-perspectives-utilisation-inedites-espace-49907/?fbclid=IwAR2ue3OYisHQAJgyxdHtWS76R8eCNbyLm9nVAqokFzLPncQua5PTCX2kqQw#utm_content=futura&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura

Amarrage historique entre deux satellites à 36.000 km d'altitude !

Une nouvelle ère s'ouvre. Le remorqueur spatial MEV-1 et le satellite Intelsat 901 ne font qu'un. Lors d'une manœuvre inédite en orbite géostationnaire, le MEV-1 de Northrop Grumman s'est amarré au satellite de télécommunications pour prendre son contrôle et lui prolonger sa durée de vie de cinq ans.

Le remorqueur spatial MEV-1 de Northrop Grumman, lancé en octobre 2019, s'est amarré au satellite de télécommunications Intelsat 901 de façon à démontrer qu'il est possible de prolonger la durée de vie des satellites et maximiser ainsi leur durée d'exploitation et les revenus générés. Une manœuvre historique qui ouvre une nouvelle ère de l'exploitation commerciale des satellites.

Intelsat 901 n'est pas un satellite en panne. Il était simplement proche de la panne sèche. Une situation qui avait poussé Intelsat a décidé de remorquer son satellite. En prévision de cet amarrage, l'orbite du satellite a été augmentée de près de 300 kilomètres en décembre 2019 d'où a eu lieu l'amarrage entre le satellite et le remorqueur spatial MEV-1. La manœuvre a été réalisée mardi 25 février, à 7 h 15 TU. Le remorqueur s'est arrimé au niveau de la tuyère du moteur d'apogée du satellite et a pris le relais de la propulsion, le contrôle d'attitude du satellite. Il réalisera toutes les manœuvres orbitales nécessaires au bon pointage et positionnement d'Intelsat 901.

Une nouvelle vie pour Intelsat 901

Après des vérifications d'usage, pour s'assurer que l'amarrage et la prise du contrôle du satellite se sont bien déroulés, le MEV-1 se déplacera vers la position 27,5 degrés Ouest pour remettre Intelsat 901 en service actif d'ici la fin du mois de mars. Maintenant débute une période de cinq ans pendant laquelle le MEV-1 fournira ses services d'extension de vie avant de le ramener sur l'orbite cimetière des satellites géostationnaires où il sera mis hors service définitivement.

À la suite de cette première mission de démonstration, le remorqueur spatial dépannera un autre satellite, et certainement un troisième si aucun problème technique perturbe son fonctionnement. Comme le souligne Northrop Grumman, MEV-1 a été conçu pour une durée de vie d'au moins 15 ans et plusieurs amarrages. Ce remorqueur spatial de démonstration préfigure la génération suivante capable d'autres services comme le changement d'inclinaison, l'inspection en haute définition ainsi que l'utilisation de bras robotiques pour effectuer des réparations, de l'assemblage et du changement de pièces.

Un second MEV sera lancé par une Ariane 5 dans le courant de l'année pour une mission de remorquage d'un autre satellite de télécommunications d'Intelsat.

POUR EN SAVOIR PLUS

La mission MEV est en route pour dépanner un satellite. Une première

Article de Rémy Decourt publié le 10/10/2019

International Launch Services a lancé avec succès un satellite de télécommunications et le remorqueur spatial MEV (Mission Extension Vehicle). Ce véhicule inédit doit s'amarrer à Intelsat 901, un satellite de télécommunications en orbite depuis 2001. L'objectif de ce premier MEV est de prendre le contrôle du satellite et de démontrer qu'il est possible d'augmenter sa durée de vie de plusieurs années.

Parmi les différents projets de services en orbite, le remorqueur spatial MEV-1 de Northrop Grumman est le premier à débuter son service opérationnel. Il a été lancé hier depuis le cosmodrome de Baïkonour, au Kazakhstan, à l'aide d'un lanceur russe Proton M / Breeze M pour le compte d'International Launch Services (ILS). À bord du lanceur, se trouvait aussi le satellite de télécommunications Eutelsat 5 West.

MEV-1 doit rejoindre le satellite de télécommunications Intelsat 901, sur orbite géostationnaire (36.000 kilomètres) depuis juin 2001. Il est aujourd'hui en fin de vie dans le sens où ses réserves en ergols sont quasiment épuisées. Le peu qui reste va être utilisé pour l'envoyer sur une orbite cimetière, 300 kilomètres plus haut. Il s'agit d'un lieu où les satellites en fin de vie ne sont plus un risque pour ceux en activité sur l'orbite géostationnaire.

Le rendez-vous avec le MEV et Intelsat 901 est prévu dans le courant du mois de janvier 2020. Il aura lieu sur cette orbite cimetière pour éviter d'endommager les satellites actifs au cas où une collision entre les deux satellites les ferait dérailler et générerait des débris spatiaux. Le remorqueur s'arrimera au satellite au niveau de la tuyère du moteur d'apogée. Une fois arrimé, le MEV prendra le relais de la propulsion et du contrôle d'attitude du satellite pour l'assurer durant plusieurs années.

Avant et après l'amarrage plusieurs manœuvres de manœuvrabilité et de stop and go sont prévues. Dès que les contrôleurs au sol de Northrop Grumman et d'Intelsat auront la certitude que le MEV a bien pris le contrôle d'Intelsat 901, le satellite de télécommunications sera redescendu sur l'orbite géostationnaire et pourra de nouveau fournir ses services de télécommunications. Le MEV restera amarré à Intelsat 901 tout au long de cette extension de la mission et réalisera les corrections de trajectoire nécessaires.

Test au sol de la procédure d'amarrage du MEV avec le satellite qui s'arrimera au niveau de la tuyère du moteur d’apogée du satellite. © Northrop Grumman 

Une première à plus de 36.000 kilomètres !

Cet amarrage sera le premier jamais réalisé entre deux satellites en orbite géostationnaire. La manœuvre n'est pas anodine. Au-delà de la performance technique de s'amarrer à un satellite qui n'a pas été conçu pour cela, puis de prendre le contrôle de ses fonctions GNC (Guidage, Navigation and Control), le MEV doit démontrer qu'il est possible de prolonger la vie des satellites de façon à maximiser la durée de leur exploitation et générer de nouveaux revenus.

L'opération doit offrir à Intelsat 901 un gain de vie supplémentaire d'au moins deux ans mais cinq années sont visées. Une seconde mission MEV (MEV-2) a déjà été annoncée. Elle est prévue dans le courant de l'année 2020 et concerne un autre satellite d'Intelsat, également en fin de vie, dont l'identité n'a pas encore été précisée. Et on ne sait pas si le rendez-vous et l'amarrage se feront à l'endroit où se trouve actuellement le satellite, et donc sans interruption des services du satellite.

Ravitailler un satellite en vol, ce sera bientôt possible avec le MEV

Article de Rémy Decourt publié le 25/04/2016

Les satellites en orbite géostationnaire ont une durée de vie souvent liée à l'épuisement des ergols, ce qui contraint à les dégager sur une orbite cimetière alors qu'ils sont toujours en parfait état de fonctionnement. Une situation cocasse qu'Orbital ATK souhaite corriger en développant un module autonome, le MEV, qui viendrait, en quelque sorte, ravitailler les satellites. Un premier contrat a été signé avec Intelsat pour prolonger de cinq ans la durée de vie d'un de ses satellites de télécommunications.

La baisse des prix de l'accès à l'espace n'est pas le seul enjeu pour renforcer son attractivité commerciale. La réduction des coûts de l'utilisation des satellites en orbite est également un sujet de préoccupation pour les opérateurs. Si SpaceX et Arianespace font le pari d'y parvenir d'ici quelques années, l'un avec sa future gamme de lanceurs réutilisables (Falcon 9, Falcon Heavy), l'autre avec la famille de lanceurs Ariane 6, Orbital ATK veut croire qu'il est possible de prolonger la durée de vie d'un satellite et donc d'abaisser ses coûts d'utilisation.

Compte tenu des normes et des critères élevés imposés à la construction des satellites, ceux qui sont en orbite géostationnaire ont une durée de vie souvent liée à l'épuisement des ergols, ce qui contraint leur propriétaire à les dégager sur une orbite cimetière alors qu'ils sont en parfait état de fonctionnement. Autrement dit, si un satellite n'est pas technologiquement dépassé, un opérateur a tout intérêt à prolonger sa durée de vie plutôt que de financer la construction et le lancement d'un nouveau pour le remplacer. D'où l'idée, ancienne, d'amarrer un satellite pour augmenter la durée de vie de ceux arrivés en fin de vie, et de se substituer à certaines fonctions.

Pour ce service en orbite, Orbital ATK relance le projet d'ATK et US Space LLC nommé MEV (Mission Extension Vehicle) et signe avec l'opérateur Intelsat un partenariat de cinq ans qui prévoit qu'à l'issue d'une phase de démonstration, ce dernier sera le premier client d'une mission MEV (MEV-1). L'accord se déroulera en deux phases. Une première de test avec un arrimage à un satellite hors service désorbité sur l'orbite cimetière puis désarrimage en fin de test pour redescendre sur l'orbite géostationnaire et conduire la deuxième phase en s'arrimant à un satellite encore opérationnel et étendre sa durée de vie de 5 ans. MEV-1 devrait être lancé en 2018.

À l’avenir, si un satellite n’est pas affecté par un mauvais fonctionnement de ses charges utiles, de ses batteries ou ses panneaux solaires, il sera possible d’augmenter sa durée de vie du fait de l’épuisement de ses réserves en ergols. © Nasa 

De nouveaux services orbitaux

Le module s'arrimera au satellite en orbite au niveau de la tuyère du moteur d'apogée. Le rendez-vous et l'amarrage se feront sans interruption des services, une condition sine qua non pour un satellite de télécommunications. Une fois arrimé, le MEV prendra le relai de la propulsion et du contrôle d'attitude du satellite pour l'assurer durant plusieurs années.

Ce module sera construit autour d'une plateforme Geostar pour une durée de vie de 15 ans au cours de laquelle il pourra s'arrimer et se désarrimer avec plusieurs satellites. Lorsque ses réserves en ergols seront pratiquement épuisées, le satellite sera éjecté sur une orbite cimetière qui ne gênera pas ses remplaçants.

« Compte tenu de la taille de notre flotte de satellites, une technologie qui améliore notre flexibilité en orbite en nous permettant d'être plus réactif auprès de nos clients, telle que l'extension de la durée de vie d'un satellite en bonne santé afin qu'il puisse être déployé pour une occasion de dernière minute à une autre position orbitale ou le maintien de la continuité du service avant l'arrivée de la nouvelle technologie » déclare Stephen Spengler, directeur général d'Intelsat.

Avec ce premier contrat, Orbital ATK souhaite ouvrir de nouveaux marchés liés au servicing en orbite. À terme, la firme de Dulles souhaite se doter d'une flotte de MEV capable de répondre à une large gamme de services orbitaux aux satellites tels que la réparation et l'assemblage.

Source: https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/service-orbite-amarrage-historique-deux-satellites-36000-km-altitude-62449/?fbclid=IwAR2rnVcBBqHIOJ2fKAnvHOCgW83NJU4lchv1hb6MY4AVxhJFN-awytYmfI8#utm_content=futura&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura

Débris spatiaux : un satellite de télécommunication menace d'exploser

En décembre 2019, le satellite de télécommunications Spaceway-1 de DirecTV a subi une anomalie majeure qui a entraîné des dommages irréversibles à ses batteries. Boeing, le constructeur du satellite, est arrivé à la conclusion qu'il existe un risque important qu'elles puissent exploser. Ces batteries sont utiles lorsque le satellite évolue dans le cône d'ombre de la Terre, deux fois par an. Elles prennent alors le relais des panneaux solaires et fournissent l'énergie nécessaire au satellite pour fonctionner. Actuellement, Spaceway-1 est au Soleil mais, dès le 25 février prochain, le satellite entrera dans l'ombre de la Terre et ses batteries se mettront en route.

VOIR AUSSICombien de satellites tournent autour de la Terre ?

Pour éviter tout risque d'explosion accidentelle, DirecTV a décidé de mettre le satellite hors service avant cette date et de l'envoyer sur une orbite cimetière, 300 kilomètres plus haut que sa position actuelle à 35.786 kilomètres d'altitude. Pour réaliser cette manœuvre, la procédure veut que le satellite soit mis en sécurité, ce qui consiste à le purger de ses ergols, vidanger les réservoirs, décharger ses batteries et abaisser la pression au maximum -- on parle de passivation.

Course contre la montre

Une procédure maîtrisée mais qui se complique dans le cas de Spaceway-1. Lancé en 2005, et bien qu'il ait été conçu pour une durée de vie de 12 ans, ce satellite embarque encore 73 kilogrammes de propergols, ce qui est suffisant pour fonctionner jusqu'en 2025. Or, Boeing et DirecTV ont calculé que le satellite n'aura pas le temps de se débarrasser de ses 73 kg de propergol avant le 25 février, date à laquelle les batteries se mettront en route et pourraient exploser.

Pour éviter le risque d'une explosion à sa position, DirecTV a demandé à la Commission fédérale des communications des États-Unis (FCC), chargée de réguler les télécommunications, de sauter quelques étapes dans la procédure afin de le placer sur l'orbite cimetière avant le 25 février. La FCC devrait donner son feu vert.

Source: https://www.futura-sciences.com/
Lien: https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/satellite-telecommunications-debris-spatiaux-satellite-telecommunication-menace-exploser-79307/?fbclid=IwAR3fupH7taYMdPphTu0mxQUZq2RDR1IkzhGf_876-Y8K07H6Lg76zUnaFQY#utm_content=futura&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura