Des ingénieurs du MIT ont trouvé un carburant unique pour alimenter à la fois un propulseur chimique et des propulseurs électriques sur un même petit satellite. En novembre, la NASA lancera en orbite basse un CubeSat de la taille d’une mallette pour valider ce système avant d’envisager des sondes vers Mars.
Un CubeSat 6U, soit à peu près le format d’une grande boîte à chaussures, partira en orbite basse en novembre avec un système de propulsion inédit. À son bord, un propulseur chimique et quatre propulseurs électriques de type électrospray. Un seul réservoir de carburant suffit pour les cinq. C’est la première fois qu’un satellite vole avec un réservoir partagé entre deux modes de propulsion aux exigences techniques radicalement différentes.
Paulo Lozano, professeur d’aéronautique et d’astronautique au MIT, dirige le MIT Space Propulsion Laboratory. L’équipe a publié ses résultats début juin dans le Journal of Propulsion and Power. La clé du dispositif, c'est l’ASCENT, un propergol liquide que l’US Air Force a développé et réservé jusqu’ici aux seuls propulseurs chimiques.
Un carburant militaire dans les propulseurs électriques
Depuis les années 1960, on utilise l’hydrazine en propulsion spatiale, mais charger ce carburant à bord d’un engin mobilise des équipes en combinaisons intégrales. L’US Air Force a développé l’ASCENT, anciennement appelé AF-M315E, comme alternative moins toxique. En termes de densité d’impulsion spécifique, on gagne plus de 50 % par rapport à l’hydrazine, selon l’Air Force Research Laboratory. Au sol, on n’a besoin que d’une blouse, des lunettes et des gants ordinaires pour charger l’ASCENT.Mais jusqu’ici, on n’avait utilisé l’ASCENT qu’en propulsion chimique. Les propulseurs de type électrospray, de la taille d'un ongle, fonctionnent différemment. Un champ électrique arrache des particules chargées d'un liquide ionique et les projette dans le vide pour produire une poussée. Ces liquides ioniques gardent leur fluidité dans l’espace, d’où leur usage habituel dans ces moteurs. L’ASCENT en fait partie. Amelia Bruno, ancienne post-doctorante au MIT et auteure principale de l’étude, a donc décidé de tester l'ASCENT dans les propulseurs électrospray.
« L'ASCENT est un mélange de liquide ionique, dit-elle. Et on s'est dit : c'est exactement le type de carburant qu'on utilise. En théorie, ça devrait marcher ».
Pour les tests, les chercheurs ont rempli de petits réservoirs cubiques, de la taille d'une brique Lego, avec un gramme d’ASCENT chacun, un liquide aussi visqueux que de l’huile pour bébé. Ils ont ensuite posé un CubeSat sur un banc de lévitation magnétique, à l’intérieur d'une chambre à vide qui reproduit les conditions de l'espace, avec un propulseur électrospray fixé de chaque côté. Sous l’effet de la poussée, le satellite a tourné sur lui-même. Sur des cycles de 100 heures en continu, on a mesuré des niveaux de poussée comparables aux liquides ioniques conventionnels.
La mission GPDM sera le premier test orbital du réservoir partagé
La NASA finance la mission Green Propulsion Dual Mode (GPDM), dont le lancement orbital est prévu en novembre. L’Institut de technologie de Géorgie a construit le CubeSat Sprite autour d’un propulseur chimique de 100 mN et de quatre propulseurs électrospray du MIT, reliés à un unique réservoir d’ASCENT. La société Rubicon Space Systems, basée à Huntsville (Alabama), a livré le module de propulsion au Marshall Space Flight Center de la NASA.L’équipe a tiré une leçon du Lunar Flashlight, un CubeSat NASA qui avait échoué à atteindre l’orbite lunaire en 2023 après que des débris avaient obstrué ses conduites de carburant. Rubicon Space Systems a soumis les conduites de Sprite à un scanner CT pour vérifier leur propreté, puis conduit un test de tir à chaud de l’ensemble du système avant livraison.
En orbite, les ingénieurs utiliseront les deux modes de propulsion selon des rôles distincts. Pour une montée ou descente orbitale rapide, on activera les propulseurs chimiques. Pour les ajustements lents et précis sur de longues durées, on fera appel aux propulseurs électrospray. Les MarCO, les deux CubeSats 6U qui avaient survolé Mars en 2018 pour relayer les données d’atterrissage d’InSight, avaient suivi la sonde sans pouvoir corriger eux-mêmes leur trajectoire interplanétaire.
Un CubeSat doté du système GPDM n’aurait pas les mêmes contraintes. Grâce aux propulseurs électrospray, extrêmement économes en carburant, on pourrait atteindre Mars ou la ceinture d’astéroïdes après plusieurs mois de transit. À proximité de la cible, on activerait les propulseurs chimiques pour des manœuvres d’approche en quelques secondes.
« On pourrait envoyer des CubeSats jusqu'à Mars, ou la ceinture d'astéroïdes, pour qu'ils fassent le trajet lentement grâce aux propulseurs électrospray », précise Paulo Lozano. « Et ensuite utiliser les propulseurs chimiques pour se déplacer rapidement vers les zones intéressantes », ajoute-t-il.
Par ailleurs, selon Paulo Lozano, on pourrait déployer des constellations de microsatellites météo en quelques heures lors d'un phénomène atmosphérique soudain, avec le choix d’une trajectoire lente ou rapide selon l’urgence. Un réservoir unique fait plus que réduire le volume embarqué.
Plus d’interface entre deux systèmes aux contraintes de pression et de matériaux incompatibles, comme c’était le cas pour les petits engins qui tombaient en panne.
Source : Space
Un CubeSat 6U est un petit satellite standardisé dont le volume correspond à six “unités” (1U), soit un gabarit typiquement proche d’une grande boîte à chaussures. Cette classe de satellite est fortement contrainte en masse, volume, puissance électrique disponible et capacité de dissipation thermique. Intégrer une propulsion y est donc un exercice d’optimisation : réservoir, tuyauterie, vannes, électronique de contrôle et systèmes de sécurité doivent tenir dans un espace très limité. La standardisation facilite l’accès aux lancements, mais réduit la marge pour multiplier les sous-systèmes redondants ou complexes. D’où l’intérêt d’architectures qui mutualisent des éléments comme le réservoir ou l’alimentation en carburant.
Qu’est-ce que l’ASCENT (AF-M315E) et en quoi ce propergol diffère-t-il de l’hydrazine ?ASCENT (anciennement AF-M315E) est un propergol liquide présenté comme une alternative moins toxique à l’hydrazine, historiquement très utilisée pour les petits propulseurs chimiques. L’hydrazine impose des procédures de chargement et de manipulation lourdes, car elle est dangereuse pour les opérateurs et contraignante pour les opérations au sol. ASCENT vise à réduire ces contraintes, tout en offrant de meilleures performances volumétriques grâce à une impulsion spécifique/densité annoncée plus favorable. Techniquement, c’est un mélange de type “liquide ionique”, ce qui lui donne des propriétés physico-chimiques différentes (viscosité, compatibilité matériaux, comportement en vide). Ce caractère “liquide ionique” le rend aussi pertinent pour des moteurs électriques qui exploitent directement des espèces chargées.
Comment fonctionne un propulseur électrique électrospray, et pourquoi le partage d’un réservoir avec un moteur chimique est difficile ?Un propulseur électrospray utilise un champ électrique intense pour extraire et accélérer des ions ou des microgouttelettes chargées depuis un liquide, générant une poussée très faible mais extrêmement économe en carburant. À l’inverse, un propulseur chimique repose sur une réaction (décomposition ou combustion) qui produit un jet de gaz à plus forte poussée, avec des exigences différentes en débit, pression, vannes et matériaux. Partager un même réservoir est difficile car les deux modes n’ont pas les mêmes plages de pression, ni les mêmes sensibilités à la contamination, au dégazage et à la compatibilité chimique des conduites. Cela impose une architecture d’alimentation capable de distribuer le même fluide vers deux chaînes de propulsion sans multiplier les interfaces (sources de fuites, obstructions, incompatibilités). L’enjeu est de garder la simplicité et la fiabilité tout en couvrant deux usages : manœuvres rapides (chimique) et corrections fines sur la durée (électrospray).
