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Stéphane Mazouffre (ICARE, Orléans)

Le décollage d’une fusée est devenu un fait banal. La fusée quitte son pas de tir lentement puis accélère propulsée par de puissants moteurs qui crachent un impressionnant panache de fumée. Il s’agit là de moteurs, où propulseurs dits chimiques. Leur principe est simple. Un carburant – on parle d’ergol – est brûlé dans une chambre de combustion. Le gaz chaud résultant est alors évacué par une tuyère en forme de V dans laquelle il acquière une grande vitesse. L’éjection de ce gaz génère la force qui propulse le véhicule. Un propulseur chimique se caractérise par une forte poussée. La force produite peut atteindre plusieurs milliers de tonnes. Mais ce type de propulseur consomme en très peu de temps une grande quantité de carburant. Cette particularité rend difficile une utilisation pour certaines manœuvres et mission car la quantité d’ergol à embarquer devient rapidement rédhibitoire.

Il existe une équation fondamentale en propulsion spatiale qui établit que la quantité d’ergol nécessaire pour une manœuvre diminue avec la vitesse d’éjection. Dans un moteur chimique, la vitesse de l’ergol provient de la conversion de l’énergie chimique stockée dans l’ergol en énergie cinétique via une réaction de combustion. La vitesse dépend donc de la température du gaz. Or celle-ci n’est pas infinie. On obtient ainsi au mieux 4 km/s. Cette vitesse relativement faible conduit à l’emploi d’une masse importante de carburant.

Il existe une vitesse ultime, celle de la lumière dans le vide c = 299792458 m/s. Peut-on s’en approcher ? La réponse est oui. Cela est réalisé quotidiennement dans les accélérateurs de particules. Pour cela, il faut avoir recourt à des particules chargées électriquement. On s’intéresse ici au cas des ions car leur masse est très supérieure à celle de l’électron. Un ion positif peut être accéléré à des vitesses proches de c à l’aide d’un puissant champ électrique.

Afin d’augmenter la vitesse de l’ergol, il faut remplacer un propulseur chimique par un accélérateur d’ions miniaturisé. On parle de propulseur ionique ou propulseur à plasma. Il ne s’agit pas de science-fiction même si les valeurs de vitesse sont aujourd’hui éloignées de c pour des raisons de puissance et de taille. On atteint tout de même plusieurs dizaines de km/s, ce qui permet un gain en masse d’ergol de plusieurs tonnes pour un satellite ou une sonde spatiale. Mais la poussée d’un propulseur ionique est petite. Pour l’instant, on ne dépasse pas 100 g, ce qui limite l’emploi aux missions où la gravité est faible.

Cette présentation se divise en trois grandes parties. Dans un premier temps, les bases de la propulsion spatiale sont posées. Il s’agit en particulier d’expliquer la relation entre la vitesse d’éjection de l’ergol et la quantité de masse consommée. Cette équation, dite de Tsiolkovsky, permet de différencier propulsion chimique et propulsion électrique. La seconde partie est consacrée à une courte mais nécessaire introduction à la propulsion chimique. La dernière partie est naturellement dédiée à la propulsion à plasma. Je détaille d’abord le principe, les avantages et les inconvénients de cette approche. Je décris ensuite les différentes technologies, en particulier les moteurs ioniques à grilles et le propulseur de Hall sur lequel je m’attarde plus longuement car il offre désormais le meilleur niveau de performance en terme de rapport poussée/puissance. Je propose une présentation succincte du concept de propulseur PEGASES à plasma ion-ion avant de conclure.