Propulseur d'ions à respiration aérienne. Crédit :ESA/Sitael
Dans une première mondiale, une équipe dirigée par l'ESA a construit et déclenché un propulseur électrique pour ingérer des molécules d'air rares du haut de l'atmosphère pour le propulseur, ouvrant la voie à des satellites volant sur des orbites très basses pendant des années.
Le mappeur de gravité GOCE de l'ESA a volé jusqu'à 250 km pendant plus de cinq ans grâce à un propulseur électrique qui compensait en permanence la traînée de l'air. Cependant, sa durée de vie était limitée par les 40 kg de xénon qu'il transportait comme propulseur – une fois épuisés, la mission était terminée.
Le remplacement du propergol embarqué par des molécules atmosphériques créerait une nouvelle classe de satellites capables d'opérer sur des orbites très basses pendant de longues périodes.
Des propulseurs électriques à respiration aérienne pourraient également être utilisés aux marges extérieures des atmosphères d'autres planètes, puisant dans le dioxyde de carbone de Mars, par exemple.
"Ce projet a commencé avec une nouvelle conception pour extraire des molécules d'air comme propulseur du sommet de l'atmosphère terrestre à environ 200 km d'altitude avec une vitesse typique de 7,8 km/s, " explique Louis Walpot de l'ESA.
Un propulseur complet a été développé pour tester le concept par Sitael en Italie, qui a été réalisée dans une chambre à vide dans leurs installations d'essai, simuler l'environnement à 200 km d'altitude.
Un « générateur de flux de particules » a fourni les molécules à grande vitesse venant en sens inverse pour la collecte par la nouvelle admission et le propulseur Ram-Electric Propulsion.
Une future mission spatiale aérobie en orbite basse autour de la Terre :propulsée à environ 7,8 km/s, le satellite ingérerait des molécules d'air du haut de l'atmosphère (à gauche) pour déclencher son propulseur ionique (à droite), fournir une poussée pour surmonter la traînée atmosphérique, lui permettant de rester en orbite basse indéfiniment. Crédit :ESA–A. Di Giacomo
Il n'y a pas de vannes ou de pièces complexes - tout fonctionne sur un simple, base passive. Il suffit d'alimenter les bobines et les électrodes, créant un système de compensation de traînée extrêmement robuste.
Le défi consistait à concevoir un nouveau type d'admission pour collecter les molécules d'air afin qu'au lieu de simplement rebondir, elles soient collectées et comprimées.
Les molécules collectées par l'admission conçue par QuinteScience en Pologne reçoivent des charges électriques afin qu'elles puissent être accélérées et éjectées pour fournir une poussée.
Sitael a conçu un propulseur à double étage pour assurer une meilleure charge et accélération de l'air entrant, ce qui est plus difficile à réaliser que dans les conceptions de propulsion électrique traditionnelles.
Les molécules d'air au sommet de l'atmosphère sont captées par un nouveau type d'admission, puis collecté et comprimé au point de devenir un plasma ionisé thermalisé, à quel point ils peuvent recevoir une charge électrique pour les accélérer et les éjecter pour fournir une poussée. La propulsion électrique à respiration aérienne pourrait créer une nouvelle classe de produits à longue durée de vie, missions en orbite basse réalisables. Crédit :ESA–A. Di Giacomo
"L'équipe a effectué des simulations informatiques sur le comportement des particules pour modéliser toutes les différentes options d'admission, " ajoute Louis, "mais tout se résumait à ce test pratique pour savoir si l'admission et le propulseur combinés fonctionneraient ensemble ou non.
"Au lieu de simplement mesurer la densité résultante au niveau du collecteur pour vérifier la conception de l'admission, nous avons décidé d'attacher un propulseur électrique. De cette façon, nous avons prouvé que nous pouvions effectivement collecter et comprimer les molécules d'air à un niveau où l'allumage du propulseur pouvait avoir lieu, et mesurer la poussée réelle.
"Au début, nous avons vérifié que notre propulseur pouvait être allumé à plusieurs reprises avec du xénon provenant du générateur de faisceau de particules."
Comme prochaine étape, Louis explique, le xénon a été partiellement remplacé par un mélange air azote-oxygène :« Lorsque la couleur bleue à base de xénon du panache du moteur est passée au violet, nous savions que nous avions réussi.
Le propulseur aérobie fonctionnait initialement avec un propulseur au xénon standard, provoquant un panache bleuté, qui a ensuite été progressivement remplacé par un mélange d'azote et d'oxygène pour représenter l'atmosphère terrestre. Le succès a été marqué par le passage du panache du propulseur au violet. Crédit :ESA/Sitael
"Le système a finalement été allumé à plusieurs reprises uniquement avec du propulseur atmosphérique pour prouver la faisabilité du concept.
"Ce résultat signifie que la propulsion électrique aérobie n'est plus simplement une théorie mais une réalité tangible, concept de travail, prêt à être développé, servir un jour de base à une nouvelle classe de missions."
Tiré dans un premier temps à l'aide d'un propulseur au xénon standard, le propulseur d'essai a ensuite été déplacé à l'air atmosphérique, prouver le principe de la propulsion électrique aérobie. Crédit :ESA
