Modélisation et diagnostic d’un propulseur à effet Hall pour satellites

Besoin en propulsion spatiale

A l’aube du XXIe siècle, l’intérêt et les enjeux des systèmes spatiaux (satellites, sondes…) se sont considérablement élargis. Ils sont de nature stratégiques, militaires, technologiques, industriels, commerciaux et scientifiques mais ils interviennent également dans notre vie quotidienne. L’accès, la maîtrise de l’espace et les engins spatiaux sont des enjeux d’autant plus importants qu’ils s’instaurent dans un contexte fortement concurrentiel entre les EtatsUnis, la Russie et l’Europe mais également avec l’arrivée de nouvelles puissances émergentes tels que le Japon, la Chine et l’Inde [Sen-01]. • Point de vue militaire : les satellites sont essentiels pour la sécurité et la défense. • Point de vue technologique : ce domaine est la conséquence du contexte concurrentiel dans le monde. L’exemple le plus parlant est le GPS (Global Positionning System). En effet, pour faire face à la place hégémonique des Etats-Unis dans ce domaine, l’Europe va se doter dans les années à venir d’un système de navigation appelé Galileo pour assurer son indépendance et sa compétitivité [CNE]. • Point de vue scientifique : la mise à disposition de moyens spatiaux joue un rôle fondamental dans le domaine de la connaissance (exploration de l’univers, compréhension des lois de la physique fondamentale). • Point de vue social : l’espace est devenu un moyen et un milieu permettant de mieux gérer la vie sur terre. Dans les domaines de la prévision météorologique, de l’étude du climat et de l’environnement, de la gestion des risques naturels ou industriels ou de la localisation, il est désormais inconcevable de se passer de moyens spatiaux. • Point de vue industriel et commercial : en plus des télécommunications spatiales et de la télévision numérique par satellite, nous assistons au développement rapide de nouveaux services. Le GPS est bien entendu l’exemple le plus parlant, mais nous pouvons évoquer également l’utilisation des satellites d’observation pour l’agriculture, l’urbanisme, les travaux publics. Quant aux satellites de télécommunications, ils permettent de développer des services nouveaux comme la télé-medecine ou la télééducation. Ils constituent les moyens privilégiés pour réduire le « décalage social » entre les pays développés et les pays émergents, mais ils sont également des outils indispensables à l’aménagement du territoire. Dans ce contexte spatial, une place importante est donnée à la recherche et au développement, signature de progrès. Tous les domaines techniques sont concernés, spécialement les systèmes de propulsion des engins spatiaux tels que les satellites. En effet, l’efficacité des systèmes propulsifs joue un rôle majeur dans la qualité et la richesse d’une mission réalisée par le véhicule spatial [Let-04].

Fonction du sous-système propulsif pour satellites  Types de missions spatiales

Le système propulsif d’un satellite doit pouvoir assurer différentes fonctions associées à différents types de missions. Prenons l’exemple d’un satellite géostationnaire, il doit pouvoir assurer le transfert du satellite de son orbite d’injection, imposée à la séparation avec le dernier étage du lanceur, à l’orbite géostationnaire (située dans le plan équatorial et circulaire à 36000 km). Il faut pouvoir contrôler l’orbite et l’attitude (orientation du véhicule) d’un satellite. Cette opération s’effectue lors de la mise à poste du satellite après le transfert d’orbite et périodiquement afin de compenser les effets des forces et couples perturbateurs qui  ont tendance à écarter le satellite de son orbite et qui agissent sur son attitude. Les forces peuvent être dues à l’attraction solaire et lunaire, la non-uniformité du potentiel terrestre liée à l’aplatissement de la terre, les frottements atmosphériques qui sont fonctions de l’altitude du satellite, et le vent solaire (dans le cas des satellites en orbite basse). Par ailleurs, le système propulsif doit assurer la désorbitation ou réorbitation du satellite en fin de vie opérationnelle. Enfin, il doit permettre la mise en orbite d’une sonde autour d’une planète dans le cas des missions interplanétaires. Une manœuvre orbitale associée à une mission donnée correspond à un changement de vitesse ∆v du satellite : 0 . m T ∆t ∆ν = (I.1) avec T la poussée exercée par le système propulsif, ∆t le temps de fonctionnement du moteur et m0 la masse totale du satellite. Notons que les poussées nécessaires, pour les différentes fonctions décrites ci-dessus, sont soit élevées lorsque la rapidité de la manœuvre constitue un critère important tel que le transfert d’orbite, soit faibles lorsque la mission nécessite un contrôle fin et précis tel que la correction d’orbite. D’où les changements de vitesse ∆v du satellite qui sont nécessaires pour assurer ces missions.

Propulseur à Effet Hall de type SPT

Bref historique des propulseurs à Effet Hall

 L’application de la propulsion électrique aux véhicules spatiaux a été proposée pour la première fois par R.H. Goddard en 1906. Les recherches concernant ce type de propulseur ont commencé dès le début des années 60 aux Etats-Unis, et plus particulièrement en Russie où l’équipe de A.I Morozov s’est intéressée à un type particulier de propulseur électrique : le Propulseur à Plasma Stationnaire dit SPT ou Propulseur à Effet Hall dit HET. Du fait de leur grande impulsion spécifique, ces propulseurs sont adaptés pour des fonctions du type corrections Nord-Sud et Est-Ouest des satellites. Depuis les années soixante-dix, des centaines de SPTs ont été embarqués sur des satellites essentiellement russes, les Etats-Unis ayant privilégié à cette même période les propulseurs ioniques à grille. Depuis une dizaine d’années, la faisabilité, les bonnes performances et la fiabilité de l’introduction de cette technologie dans les satellites ont été démontrées, ce qui a conduit l’Europe, le Japon et tout récemment la Chine à s’intéresser à ce type de propulseur pour l’étudier et le développer à leur propre compte. 

Principe de fonctionnement Principe

 La géométrie du propulseur est représentée figure I.3. Le fonctionnement des moteurs à Effet Hall est basé sur la création d’un plasma hors-équilibre dans le canal situé entre deux cylindres coaxiaux diélectriques (en céramique, nitrure de bore et silice BNSiO2 ). Globalement, des ions sont créés par collisions électroniques avec des atomes neutres (ici du xénon). Ces ions ainsi créés, sont ensuite accélérés par le champ électrique axial de la décharge permettant ainsi d’obtenir l’effet propulsif.