La poussée produite par le système de propulsion électrique sert à décélérer l'engin spatial, ou dans certains cas l'accélère pour rendre ses survols de freinage plus efficaces. Pas moins de neuf survols planétaires de la Terre (une fois), Vénus (deux fois) et Mercure elle-même (six fois) sont nécessaires pour placer le vaisseau spatial multimodule en orbite autour de Mercure dans sept ans.

Remorqueur spatial

La partie du module de transfert de mercure du vaisseau spatial, contenant le système de propulsion, est essentiellement un « remorqueur spatial » de haute performance. Sa tâche est d'effectuer toutes les manœuvres actives de contrôle de trajectoire nécessaires pour transporter les autres portions de la « pile » BepiColombo – Mercury Planet Orbiter de l'ESA et Mercury Magnetospheric Orbiter du Japon – vers l'orbite de Mercure.

La haute performance du système de propulsion, en termes de quantité de carburant nécessaire aux propulseurs, est critique. Du gaz xénon inerte est introduit dans les propulseurs, où les électrons sont d'abord dépouillés des atomes de xénon. Les atomes électriquement chargés résultants, appelés ions, sont ensuite focalisés et éjectés hors des propulseurs à l'aide d'un système de réseau haute tension à une vitesse de 50 000 mètres par seconde.

Cette vitesse d'échappement est 15 fois supérieure à celle des propulseurs de fusée chimiques conventionnels, permettant une réduction spectaculaire de la quantité de propergol nécessaire pour accomplir la mission.

"Le système de propulsion transforme l'électricité générée par les panneaux solaires jumeaux de 15 m de long du module de transfert Mercury en poussée, " explique l'ingénieur en propulsion électrique de l'ESA Neil Wallace.

"A pleine puissance, une poussée équivalente au poids de trois pièces de 1 euro est développée, ce qui signifie que les propulseurs doivent continuer à tirer pendant de longues périodes pour être efficaces, mais en l'absence de toute traînée et en supposant que vous soyez patient, les manœuvres qui sont possibles et la charge utile qui peut être emportée sont dramatiques."

Propulsion électrifiante des engins spatiaux

Les quatre propulseurs T6 autour desquels est conçu le système de propulsion électrique solaire, ont un héritage qui remonte à plusieurs décennies. QinetiQ au Royaume-Uni - anciennement l'Agence britannique d'évaluation et de recherche pour la défense et avant cela le Farnborough Royal Aircraft Establishment - étudie la propulsion électrique depuis les années 1960.

Le premier vol de leur technologie est venu avec le propulseur T5 de 10 cm de diamètre, élément clé de la mission de cartographie gravimétrique GOCE de l'ESA en 2009, où il a permis au satellite d'orbiter au sommet de l'atmosphère terrestre pendant plus de trois ans, effleurant l'atmosphère diffuse à l'altitude orbitale sans précédent nécessaire à la mission.

Les propulseurs T6 à grande échelle ont un diamètre de 22 cm, l'augmentation de la taille requise pour la poussée plus élevée et les exigences de durée de vie de la mission BepiColombo. Et contrairement au T5 de GOCE, ces propulseurs T6 sont maniables, avec l'aimable autorisation des systèmes de cardan développés par RUAG Space en Autriche.

"Ce sont des mécanismes intelligents qui compliquent un peu la conception du système - tous les câbles et tuyaux électriques doivent traverser une frontière mobile - mais ajoutent beaucoup aux performances, " ajoute Neil. " Ils s'assurent que le vecteur de poussée d'un simple ou d'un double moteur à mise à feu passe par le centre de gravité de l'engin spatial, qui change avec le temps au fur et à mesure que le propulseur s'use."

Les opérations du propulseur sont contrôlées à l'aide de deux unités de traitement de puissance, dont l'architecture est conçue pour supporter le tir de deux T6 simultanément même en cas d'anomalie du système, garantissant que la poussée maximale de 250 mN peut être maintenue.

Injecter de l'intelligence

"L'intelligence du système pour le fonctionnement autonome des propulseurs provient de ces unités de traitement de puissance - apportées par Airbus Crisa en Espagne, " explique Neil, "qui fournissent les tensions et courants régulés aux propulseurs sur la base des instructions du contrôle au sol via l'ordinateur de bord du vaisseau spatial."

Les autres éléments clés sont les unités de contrôle de flux de propergol, également supervisé par les PPU, et le faisceau électrique haute tension. Les FCU garantissent que les flux corrects de gaz xénon sont fournis aux propulseurs et ont été développés par Bradford Engineering aux Pays-Bas pour fournir des débits programmables.

Les différents éléments du système de propulsion ont été soumis à des tests de performance et de qualification individuels et approfondis qui se sont finalement conclus par une série de tests effectués sur le site de Farnborough de QinetiQ.

Testing times

The spacecraft configuration and the extreme nature of the BepiColombo mission – needing to function in thermal conditions akin to placing it in a pizza oven – often demanded similarly extreme test scenarios, pushing the solar electric propulsion technology and test facilities to their limits.

"One important test early in the programme was to ensure that two thrusters could be operated in close proximity for prolonged periods without harmful interactions, " adds Neil. "They turned out to be remarkably tolerant of each other with no measureable effects."

One of the biggest ironies of the thruster qualification for BepiColombo, heading close to the Sun, was the extreme minimum temperatures experienced by its ion thrusters.

Neil explains:"Despite the fact the mission is headed to Mercury, the bulk of the spacecraft shadows the thrusters for very long periods and when not operating they naturally cool to temperatures way lower than ever tested in the past. We needed to prove they would turn-on and operate within specification when cooled to minus 150 C.

"It was a remarkable testament to the robustness of the technology that even after temperatures sufficient to freeze the xenon in the pipes the thrusters were able to start and operate flawlessly."

End of the journey

The propulsion system is dependent on the Mercury Planetary Orbiter's onboard computer for its control and command, so by itself it will not be able to function. Its ultimate fate is to be cast off, when the three-module BepiColombo stack separates before entering Mercury orbit, to circle the Sun indefinitely in the vicinity of the planet, letting the two science modules go to work.

"At one point while planning the BepiColombo mission, the Mercury Transfer Module was planned to impact the planet, " Neil comments, "a sort of Viking funeral that seemed fitting to all of us engineers."

Gridded ion thruster technology will have a life far beyond BepiColombo however, with commercial applications in development, et futur, even more ambitious ESA science missions set to rely on the technology.