Introduction : La propulsion chimique, bien au point depuis des décennies, rencontre des limites inhérentes à son principe. Le meilleur propergol est le couple hydrogène/oxygène (si on met à part les couples employant le dangereux fluor) et l'on est très près de l'impulsion spécifique théoriquement possible. Pour permettre les missions interplanétaires en des temps "raisonnables", il faut rendre possible des delta-v bien plus grands, ce qui ne peut se faire sans utiliser des modes de propulsion non chimiques. Quelques-uns sont déjà employés, des recherches sont menées sur de nombreux autres, mais de toutes évidences tous ne verront pas le jour en pratique. Les principales options techniques possibles sont brièvement discutés ci-après.
2 feuilles du spoutnik relatives aux propulsions futuristes : 2 3
Table des matières :
Concepts futuristes
- Propulseur
à antimatière
- Statoréacteur spatial
- Propulsion assistée par laser
- Propulsion photonique
Catapultes
- Généralités
- Catapultes chimiques
-Canons
-Catapultes à gaz
-Statocanons
- Catapultes
électromagnétiques
-Canon à force de Lorenz
-Driver de masses
-Maglev
Préambule : lois physiques relatives à la propulsion spatiale
- Mouvement d'un corps dans l'espace
L'étude du mouvement d'un corps se fait dans un référentiel choisi. On parle de référentiel galiléen si il est "immobile" ou se déplace à vitesse constante par rapport à... un autre référentiel galiléen. Cette notion est en fait assez arbitraire, et dans l'absolu aucun référentiel galiléen n'existe. Selon le problème, on admet en général comme galiléen le référentiel géocentrique, par exemple.
- Equation de la fusée
Cette équation a été inventée par le Russe Konstantin Tsiolkovsky à la fin du XIXe siècle. Elle exprime la force exercée par un moteur-fusée.
F = (dm/dt) * v. Où F est la poussée obtenue (Newtons), (dm/dt) le débit massique d'ergol (kg.sec-1), v la vitesse d'éjection de l'ergol en m.s-1. Le système formé par l'engin spatial, carburant compris, est, dans le référentiel choisit, isolé, ne recevant aucune force extérieure, ce pourquoi sa quantité de mouvement (produite masse.vitesse) est constante. Chaque seconde, une masse (dm/dt) d'ergols est accélérée à une vitesse v par rapport à l'engin spatial, recevant donc une quantité de mouvement v. (dm/dt). Puisque la quantité de mouvement du système total soit constante, l'engin spatial voit sa propre quantité de mouvement accrue de la même façon (dans le senscontraire).
L'impulsion spécifique (Isp) est le rapport (exrpimé en secondes) du produit poussée-temps de combution sur le masse d'ergols, la poussée étant ici exprimée en kilogramme-poids (1kgp = 9.81 Newtons). De l'équation de la fusée, on déduit que l'impulsion spécifique vaut la vitesse d'éjection divisée par 9.81. Pour un avion, seule l'énergie (fournie par le carburant) est limitée, la masse à éjecter (air) est disponible en abondance.
- Delta-v total d'un véhicule spatial
On note Dv (delta-v) la vitesse que peut prendre un véhicule spatial, intégrale de son accélération. Soit un véhicule spatial de masse M = M1 + M2, M1 étant la masse à vide qui reste après consommation du carburant, M2 la masse de carburant. La variable t est le temps, T la durée de combustion. A l'instant t, la masse du véhicule est donc M-(t/T)M2 = M(t). v est la vitesse d'éjection du fluide, constante. On intègre:
La présence du "-" est due au fait que dm soit négatif. On remarque que delta-v est linéaire à v mais ne dépend pas de T. Il est à noter que le Delta-v ne correspond généralement pas au changement de vitesse effectif. Ainsi, un satellite qui modifie son plan orbital utilise un delta-v assez important mais sa vitesse finale est toujours la même.
- Energie consommée par un propulseur
Un solide de masse m évoluant à la vitesse v dans un référentiel donné possède, par rapport à ce référentiel, une énergie cinétique E donnée par la relation E = 1/2.m.v², où E est en joules, m en kg, et v en m/s. Cette relation devient fausse si v s'approche de c, la vitesse de la lumière dans le vide (3.108 m/s), l'énergie tendant vers l'infini à l'approche de cette vitesse. La consommation en énergie d'un moteur est supérieure à l'énergie qu'il communique au fluide propulsif, le rendement étant au mieux de 70%.
Imaginons ainsi que l'on dispose de 1000 Watts (un watt correspond à une joule par seconde) pour alimenter un propulseur, celui-ci en transmettant 700 au fluide. Si l'on éjecte un gramme de masse par seconde, la vitesse en sortie du moteur sera de 37 000 m/s. L'Impulsion spécifique sera donc de 3780 secondes. La poussée obtenue vaudra 37 Newtons. Si l'on jette 10 grammes par secondes, la vitesse d'éjection sera de 11 800 m/s. L'impulsion spécifique ne sera que de 1200 secondes, mais la poussée atteindra 118 Newtons. En notant M la masse de fluide expulsé par seconde, V la vitesse d'éjection, P la puissance transmise au fluide, F la poussée, on a :
F = V. M
et P = 1/2 * M * V²
d'où V = (2P/M)0,5
Donc : F = (2PM)0,5
La conception d'un propulseur non chimique est toujours la recherche d'un compromis poussée/efficacité. Dans le cas d'un avion, lamasse à éjecter est de l'air, disponible en quantité illimitée, tandis que la source d'énergie est le carburant, rationné. On a donc intérêt, pour valoriser au mieux l'énergie fournie par le carburant, à éjecter une masse plus importante, d'où l'intérêt des réacteur à double flux. Mais pour un engin spatial, aussi bien la source d'énergie que la masse à expulser sont rationnés.
- 1.1 Généralités :
Les technologies de propulsion électriques permettent de construire des moteurs peu puissants mais très efficaces, idéals pour le contrôle d'orbite ou pour la propulsion de croisière des sondes spatiales. Lien sur le site de la NASA. Leur poussée, reportée à leur poids, est faible, mais ils peuvent fournir une impulsion totale plus élevée qu'une propulsion chimique car fonctionnent plus longtemps. Ils sont néanmoins limités en Isp par l'alimentation électrique. C'est en effet un courant électrique qui sert à accélérer un "carburant" (terme impropre ici, puisqu'il n'y a pas de combustion), par différents procédés physiques qui seront détaillés plus loin. Pour une technologie donnée, la puissance électrique nécessaire est donc liée à la poussée demandée.
Les propulseurs électriques ont une Isp optimale. On demande un propulseur électrique capable de délivrer telle poussée pendant telle durée. Si l'on relève l'Isp du moteur, la masse d'ergols nécessaire décroît comme une hyperbole (fonction y=1/x). En revanche, la masse du système d'alimentation électrique (panneaux solaires ou réacteur nucléaire, transformateurs,...) augmente linéairement. La somme des deux, masse du système propulsif, passe donc par un minimum, à une Ips que l'on retiendra pour la mission, permettant la plus forte charge utile. Cette Isp optimale dépend de plusieurs facteurs : le type de propulseur, la durée de fonctionnement (l'Isp optimale sera plus élevée si on demande une poussée plus faible pendant plus longtemps pour une même impulsion, car la courbe de masse d'ergols ne changera pas tandis que celle de la masse du système électrique sera plus basse), le choix du carburant, etc.
Petit à petit, les propulseurs électriques s'imposent sur les satellites et sur les sondes. Deep Space One (USA) est équipée de moteurs ioniques en propulseurs principaux (l'utilisant comme moteurs de manoeuvre est plus ancienne, les Russes s'en sont servi dès les années 60). Ce sera aussi le cas de Bepi Colombo, sonde européenne visant Mercure (qui aura par contre des moteurs chimiques pour l'approche de cette planète). De même, pour certains satellites de télécoms russes, on emploie des moteurs à effet hall pour le contrôle nord-sud et des moteurs chimique pour le contrôle d'altitude, qui réclame plus de poussée.
- 1.2 Moteurs électrothermiques :
Les moteurs électrothermiques utilisent l'électricité pour chauffer un fluide (souvent de l'hydrogène, de l'ammoniac ou de l'hydrazine) qui est chauffé et comprimé, ce qui augmente la vitesse d'éjection. C'est la technologie de propulseur électrique la plus simple et la plus ancienne puisque le premier prototype fut mis au point dans les années 30 par l'équipe de Valentin Glouchko (laboratoire de dynamique des gaz, URSS).
Le resistojet emploie une résistance chauffante que traverse le fluide avant d'être rejeté. L'impulsion spécifique est de l'ordre de 300 secondes, ce qui correspond à un moteur chimique biergol et se situe 30% au-dessus d'un système à jets de gaz froid. Les resistojet sont déjà opérationnels sur des satellites. Il est question d'en employer sur l'ISS (pour les manoeuvres) avec en guide de carburant les déchets de la station.
Les arcjets chauffent le carburant à l'aide d'un arc électrique. Ils ont un rendement (rapport de l'électricité consommée à l'énergie mécanique produite) de l'ordre de 35% et une Isp pouvant atteindre 600 sec.
- 1.3 Moteurs électrostatiques - ioniques :
Cette propulsion fut longtemps du domaine de la science-fiction. Le pionnier Hermann Oberth l'avait déjà imaginée, les recherches sont actives depuis les années 50. Du Xénon, gaz neutre et lourd, ou du mercure est transformé en cations (atomes auxquels il manque des électrons) puis accélérés par un champ électrostatique et rejeté à haute vitesse. Ensuite, le flux d'ions et rejoint par un jet d'électrons qui le neutralise, car le satellite ne peut pas émettre que des charges positives (il ne serait plus électriquement neutre). sur ce principe il existe trois technologies différentes, chacune ayant de nombreuses variantes.
Ces moteurs commencent à être employé sur des sondes (notemment Deep Space 1, USA, et bientôt Smart, europe) et comme moteur de maintien à poste de certains satellites géostationnaires. Comme la propulsion plasmique, permet d'atteindre des Isp de l'ordre de 2500-3000 secondes. Le XIPS américain, déjà en production, éjecte à 30km/secondes avec une Ips de 2600sec. USA, Russie, Europe et Japon planchent sur les moteurs ioniques, qu'ils soient à Xénon ou à mercure. Il est aussi question de projets avec des fullerènes, ou du césium comme ergols.
Les Russes emploient depuis des années des moteurs à effet Hall (une centaine au total), plus puissants mais d'une Isp plus modeste. Ils en étudient de nouveau, d'une Isp de 2500 s et d'une puissance de 4 500 W. alors que les autres moteurs à ions emploient deux grilles, avec entre elles une forte tension, pour accélérer les ions, ces moteurs emploient une chambre de décharge annulaire. Page du JPL sur la propulsion ionique.
A titre historique, il faut citer la mise au point réussie au banc d'essai, dans les années 60, des moteurs colloïdaux : ils reposaient sur le même principe que les moteurs à ions, mais utilisaient des particules beaucoup plus lourdes, telles des gouttelettes d'huiles électrisées. Mais le rapport de la charge sur la masse étant bien moindre pour ces particules, l'impulsion spécifique obtenue était médiocre.
- 1.4 Moteurs électromagnétiques - moteurs à plasma :
Ici le jet propulsif est constitué d'un plasma, c'est-à-dire un mélange d'ions positifs et d'électrons, globalement neutre, accéléré par un champ magnétique.
La compréhension du fonctionnement du moteur magnétosplasmadynamique
implique de connaître les deux principes de magnétodynamique
explicités dans la partie consacrée au canon à rails. Pour un
propulseur électrique, il est assez puissant, puisqu'il peut
fournir jusqu'à 200 N de poussée. Il comporte une chambre
ouverte, comparable par sa forme à la tuyère d'un moteur-fusée
chimique, formant l'anode, et, au centre, d'une cathode
cylindrique. Des milliers d'ampères passent entre ces électrodes
en traversant le flux d'ergol (de nombreux produits peuvent être
employés, à l'exclusion de l'oxygène qui rouillerait l'intérieur,
mais l'hydrogène et le lithium offrent les meilleures
performances) qui est donc transformé en un plasma. Par
ailleurs, le passage du courant dans la structure crée un champ
magnétique rotatif comme indiqué sur le schéma. A chaque
endroit, le passage du courant et le champ magnétique provoquent
une force de Laplace qui tend à expulser le plasma. Le champ
magnétique tend aussi à pousser les particules positives vers
moyeu cathodique, et les électrons vers l'extérieur, mais le
champ électrostatique a l'effet inverse, et, en régime
permanent, les deux s'annulent (effet Hall). Ces moteurs ont
largement été testés depuis les années 60, en Russie surtout,
et quelques-uns ont déjà volé, mais il reste des problèmes
notamment pour l'usure de la cathode. L'impulsion spécifique
peut atteindre et même dépasser les 10 000 secondes, mais il
faut alors beaucoup d'énergie et l'impulsion spécifique idéale
est souvent inférieure. Le rendement électricité consommée/travail
fourni au fluide propulsif peut atteindre 75%. Ce type de moteurs
semble donc plus intéressant encore que leurs cousins ioniques.
Si plusieurs sondes russes ont employé de tels moteurs pour le
contrôle d'attitude aucun n'a encore servi de mode de propulsion
principal sur un engin spatial.
Le moteur plasmique à impulsion (PPT, initiales anglaises) utilise un bloc solide (Téflon par exemple). C'est le plus mature techniquement des moteurs à plasma. A chaque impulsion (1 à 3 fois par seconde), un arc électrique (quelques dizaines de joules stockées auparavant dans un condensateur) arrache la surface du Téflon qui est devient alors un plasma accéléré ensuite par la force de Lorenz jusqu'à 10-20 km/s. Zond 2, sonde martienne russe de 1964, employait un moteur de manoeuvre de ce type. Les USA s'en sont aussi servi sur plusieurs microsatellites. Les PPT intéressent aujourd'hui plusieurs pays comme les USA et l'Argentine. On peut désormais atteindre plus de 1000 secondes d'Isp. Les PPT actuels sont des moteurs de petites taille, d'une poussée moyenne l'ordre du Newton, d'un rapport poussée-poids de l'ordre de 0.02 (un newton pour un moteur de 5 kg), bien adaptés aux manoeuvres de précision ou la propulsion de microsatellites. Il est envisagé de réaliser des PPT au Xénon.
Le PIT (propulseur inductif à impulsions) est un nouveau type de moteur plasmique, qui n'a pas encore volé. Le moteur est entouré d'un cylindre métallique où passe un courant électrique, ce qui génère un champ magnétique. Un gaz est introduit, transformé en plasma par un arc électrique (le principe est assez proche de celui du PPT à gaz) puis accéléré. Ce principe est intéressant mais il faut mettre au point des valves à haute fréquence (plus de 100 ouverture-fermeture par seconde) et longue durée de vie. La haute tension nécessaire demande des transformateurs électrique, ce qui représente un poids supplémentaire.
Parmi les autres concepts de moteurs à plasma, on notera ceux utilisant un faisceau de microondes pour transformer le gaz en plasma.
- 1.5 Quelle source d'énergie?
Quelque soit leurs types, les moteurs électriques requièrent une alimentation ad hoc. Le choix des sources d'électricité possibles dans l'Espace est assez restreint.
Energie solaire
Bepi Colombo aura ainsi besoin de panneaux solaires délivrant 10 kW (6.5 si un moteur à effet Hall est choisi, mais il faudrait alors plus de carburant). Pour les satellites ou les sondes de taille raisonnable, cette solution de propulsion solaire-électrique convient assez bien. Les sondes à propulsion électrique lancées ou en projet (Deep Space One, Smart-1, Bepi-Colombo, etc.) sont toutes de type solaire-électrique. Mais les panneaux solaires ont leurs défauts.
Actuellement, ils ont un rendement de l'ordre de 20% (sur une énergie solaire de 1.4 kW/m² à la distance du soleil où nous sommes), et pèsent 13 kg pour un kW fourni. Cette masse est appelée à diminuer, peut-être d'un facteur 4, par l'augmentation du rendement (on parle de 40%), l'utilisation de matériaux plus légers et l'assemblage en orbite (qui évitera tous les équipement nécessaires aux panneaux déployables). On pourrait aussi utiliser des miroirs (gonflables?) concentrant la lumière sur des panneaux solaires plus petits. Avec les techniques actuelles, l'encombrement et la masse de panneaux solaire fournissant plusieurs mégawatts (par exemple pour une mission habitée vers Mars) semble rédhibitoire.
La puissance solaire disponible est inversement proportionnelle au carré de la distance au soleil, en conséquence les panneaux solaires conviennent bien pour opérer dans la partie intérieure du système solaire mais sont hors jeu pour les planètes géantes, par exemple. En outre les panneaux solaires sont sensibles aux radiations. Ainsi, un engin quittant l'orbite basse traversera les ceinture de radiations de Van Allen, ce qui endommagera les panneaux solaires et réduira leur puissance de 10% au minimum.. Il faut donc surdimensionner les panneaux solaire, ou lancer sur une orbite initiale suffisamment haute pour que l'engin n'ait pas à traverser les ceintures de Von Allen avec les panneaux solaires déployés, ou encore chercher à réduire cette fragilité.
Piles à radio-isotopes
Une alimentation nucléaire présenterait de nombreux avantages. Un réacteur nucléaire offre une puissance massique bien plus élevée que des panneaux solaires. De nombreux satellites ou sondes emploient des générateurs à radio-isotopes (solution aujourd'hui abandonnée pour les satellites, en raison des progrès de l'énergie solaire et des craintes écologiques). Dans ces générateurs, le "carburant" est un matériau radioactif (en général du Pu 238) dont les désintégrations atomiques spontanées (il n'y a pas de réaction en chaîne, la matière fissible étant en quantité subcritique) par dégagement de particules alpha (noyaux d'Hélium 4) créent un échauffement qui procure de l'électricité grâce à des convertisseurs thermoélectriques (des alliages qui ont la propriété de créer une tension lorsqu'on les chauffe en un point et les refroidit en un autre). La source froide est fournie par un radiateur (voir partie sur les réacteurs nucléaires)
La production électrique est relativement modeste (quelques centaines de Watts pour une pile contenant plusieurs kilogrammes de "carburant"), mais la durée de vie peut être très longue (certains sondes américaines telle les voyager alimentées par de tels dispositifs ont été actives plus de vingt ans). Cette technologie, parfaitement maîtrisée aux USA et en Russie, pourrait convenir pour alimenter des sondes équipées de petits moteurs à ions pour un delta-v modeste mais une grande durée de vie. La puissance fournie diminue avec le temps, le métal fissible s'épuisant peu à peu.
Réacteurs nucléaires
Pour des engins nucléoélectriques plus puissants, il faut de vrais réacteurs nucléaires, le schéma ci-dessus représentant un vaisseau nucléaire-électrique. Les Russes, de 1965 à 1988, ont lancé 33 satellites-radar RORSAT dotés d'un petit réacteur nucléaire (baptisé TOPAZ) à uranium. Les USA ont lancé un seul réacteur nucléaire, celui du satellite SNAPSHOT en 1965. Ces réacteurs utilisent des convertisseurs thermoélectriques, comme les générateurs à radio-isotopes, ou des convertisseurs à semi-conducteurs. Pesant un peu plus d'une tonne, les TOPAZ pouvaient fournir environ 5kW pendant plus d'un an. Des radiateurs dispersent de la chaleur dans l'espace, sous forme infrarouge, et se maintienne ainsi à une température relativement basse. Le passage de la chaleur à travers les convertisseur produit de l'électricité. Au plus les radiateurs sont grands, au plus leur température d'équilibre est basse, ce qui augmente le rendement. Dans l'espace lointain, une petite partie de la chaleur pourrait servir à "dégeler" certains sous-systèmes.
Des réacteurs utilisant la même technologie fondamentale que les Topaz, d'une puissance allant de 1 à 100 kW, conviendraient pour des missions robotiques vers les planètes extérieures, les comètes, etc. La plupart des technologies sont déjà maîtrisées : propulsion ionique ou plasmique, réacteur nucléaire (que l'on concevrait sans doute le plus proche possible de ceux employés commercialement, mais plus petit bien sûr), radiateurs légers avec circulation capillaire de fluide colporteur (employés sur certains satellites pour évacuer la chaleur due à l'électronique et/ou au soleil), conversion thermoélectrique, boucliers de protection de la charge utile contre la radioactivité, etc. Le lancement réclamerait des conditions de sécurité particulières, calquées sur celles des vols habités.
Pour des réacteurs plus puissants (à partir de quelques dizaines ou centaines de kilowatts) destinés par exemple à des missions habitées sur Mars ou à des expéditions robotiques de plus grande ampleur, il sera préférable, en termes de poids, d'avoir un système de conversion thermodynamique, c'est-à-dire qu'un fluide colporteur de chaleur (de l'hydrogène liquide, de l'eau, du césium, ou autre) serait chauffé dans le cœur et ferait tourner un système turbo-générateur ou un moteur Stirling, les radiateurs fournissant encore la source froide. On peut envisager des réacteurs à double usage : pour le départ, ils fonctionneraient en circuit ouvert (propulsion nucléothermique) puis basculeraient en circuit fermé (nucléoélectrique).
Pour toute mission utilisant une propulsion électrique, il faut donc choisir entre ces deux types d'alimentations. La propulsion nucléaire-électrique semble s'imposer lorsque la taille du vaisseau et le delta-v, donc la puissance nécessaire, deviennent importants, et lorsque l'on s'éloigne fort du soleil. Il est à noter que les mêmes réacteur pourraient servir à la surface des planètes, pour alimenter un avant-poste robotique (voir habité avec un réacteur plus puissant) sur des planètes, satellites et astéroïde éloignés du soleil.
Autres possibilités
A long terme, sera peut-être disponible l'alimentation à distance par lasers ou micro-ondes, cette possibilité est détaillée en 4.3. Les piles à combustibles (largement employées dans le domaine spatial depuis 40 ans) pourrait éventuellement convenir à de petites sondes auxiliaires (larguées d'une sonde principale) ayant des besoins en énergie faibles et une durée de vie très courte. Elles ont déjà été employées sur de nombreux engins spatiaux, depuis les capsules Gemini. Quant à l'alimentation par fusion nucléaire, elle ne sera pas disponible avant au moins un demi-siècle.
La fusion nucléaire pouvant produire quelques 1011 Joules par gramme de matériaux fissile (soit 10 millions de fois plus que la combustion hydrogène/oxygène), elle semble intéressante comme moyen de propulsion spatiale. Ne sont traités dans cette partie que les concepts employant directement l'énergie nucléaire comme moyen de propulsion, ceux qui l'utilisent comme source d'électricité sont décrit en 1.5.
- 2.1 Propulsion nucléothermique (à fission)
Cette technologie est étudiée depuis les années 40 (beaucoup d'info techniques et historiques ici). On pensait à l'époque, tant en URSS qu'aux USA, s'en servir pour les vols de fusées depuis le sol car le rapport poussée/poids dépasse 1. C'est hors de question pour des raisons écologiques évidentes mais on pense encore employer ce système dans l'espace. Elle consiste à chaufferun fluide à l'aide d'un réacteur nucléaire pour le rejeter dans une tuyère conventionnelle, similaire à celle d'un moteur-fusée chimique. Un avantage de ce type de moteur (comme des solaires-thermiques) est de pouvoir utiliser à peu près n'importe quel gaz, ainsi, on pourrait se ravitailler avec les matériaux disponibles sur place : hydrogène, ammoniac, méthane, azote, etc.
La solution la plus simple techniquement serait d'utiliser un coeur en phase solide. Un réacteur comparable à celui d'une centrale nucléaire commerciale serait traversé par l'hydrogène. L'impulsion spécifique (800-1000 secondes), ne vaut pas celle d'un moteur ionique ou plasmique mais, à poids égal, la poussée se situe plusieurs ordre de grandeur au-dessus : un moteur de 10 tonnes poutrait développer plus de 300 kN. C'est cette filiaire que les Américains étudient depuis plus d'un demi-siècle sous le nom de NERVA Il existe des propositions utilisant un réacteur en mode nucléothermiques pour quitter la Terre (ou une autre planète) puis en mode Nucléaire-électrique (moindre poussée, meilleure Isp) en régime de croisère. D'autres songent à combiner ce système avec la propulsion chimique : l'hydrogène traverserait le réacteur (pas l'oxygène, qui rouillerait le coeur), puis serait mélangé à l'oxygène. Cette technologie a été largement testé, surtout aux Etats-Unis, dans les années 50 à 60, et est assez mature. Certains des réacteurs testés voisinaient les deux gigawatts thermiques.
Un réacteur en phase liquide utiliserait de l'uranium (ou du plutonium, ou un mélange) fondu, maintenu sur les bords d'un moteur en rotation rapide. L'hydrogène arrive par l'extérieur, "remonte" vers le centre sous forme de bulles, et est éjecté par l'un des côtés de la chambre. L'impulsion spécifique est moitié supérieure, mais il y a un problème de perte d'uranium sous forme de gouttelettes emportées par l'hydrogène. Ce problème est encore plus grave dans les réacteurs à cœur en phase gazeuse, qui peuvent atteindre 7000 secs d'Isp.
On peut envisager un propulseur nucléothermique miniature, construit autour d'une pile à radio-isotope. Celle-ci serait similaires à celles employées comme source d'énergie (RTG) mais utiliserait du polonium 210 au lieu du plutonium, de façon à dégager plus de chaleur pendant moins de temps. Pour fixer les idées, le Poodle réalisé aux États-Unis dans les années 60 pesait 13 kg pour 33 cm de long, générait 5 kW de chaleur pendant quelques semaines, et avait une poussée de l'ordre de 1.5 Newton pour une impulsion spécifique d'environ 700 secondes (soit une température de 1500°c). Cette technologie a les défauts d'un RTG : la pile ne peut être ni contrôlée ni éteinte, sa puissance s'atténue peu à peu. Lorsqu'on n'utilise pas le propulseur, il faut refroidir la pile à l'aide d'une cycle fermé et d'un radiateur.
- 2.2 Propulsion directe par fission
Dans l'enthousiasme du début de l'ère spatiale, où les concepts se multipliaient, les USA étudièrent Orion. Il s'agissait d'un vaisseau propulsé par impulsion atomiques. C'est-à-dire que des bombes A étaient largués à intervalle régulier derrière le vaisseau et assuraient son avancée par leur effet de souffle. Une telle conception s'est avérée absurde, de par les chocs, la pollution si l'on opère près d'une planète, le nombre énorme de bombes à employer, etc.
Aujourd'hui, on pense propulser des vaisseau par résidus de fission. C'est-à-dire que les fragments d'atomes issues de la fission sont rejetés pour propulser le vaisseau. Ce mode de propulsion pourrait offrir des impulsions spécifiques extraordinaires, jusqu'à un million de secondes. Si l'utilisation de l'uranium ou du plutonium est envisageable, des carburants exotiques comme le curium ou l'américium sont préférables.
Les chercheurs de l'institut Ben Gourion (Israël) ont démontré qu'il serait possible de se rendre sur Mars en deux semaines en utilisant un moteur à Américium 242. Celui-ci serait sous la forme de feuilles de moins d'un micron d'épaisseur. Par ailleurs des chercheurs américains proposent une combinaison originale de propulsion solaire et nucléaire : il s'agit d'une voile solaire recouverte d'une pellicule de matière fissible. La désintégration atomique produit une poussée s'ajoutant à celle du soleil.
- 2.3 Utilisation de la fusion nucléaire
- 2.31 Principe de base, matériaux fusibles
La fusion nucléaire est la source d'énergie des étoiles elles-mêmes. Elle consiste à "assembler" des noyaux atomiques légers qui en forment de plus lourds et libèrent au passage de l'énergie. La mise en oeuvre de cette formidable source d'énergie (un gramme de mélange deutérium-tritium fournit
Différents "carburants" sont possibles La fusion la plus "facile" a réaliser (en terme de de température et de pression nécessaires) est celle du Deutérium(2H) et du tritium (3H), mais elle dégage beaucoup de neutrons, ce qui n'est pas sans problèmes. Les neutrons n'étant pas chargés, on ne peut les diriger par des champs électriques ou magnétiques. Ils sont un danger pour la charge utile, il faut donc les arrêter par d'épaisses cloisons, qui sont alors chauffées. Cela permet de récupérer de l'énergie, mais un tel dispositif serait très lourd. Le deuxtérium est abondant sur terre, on peut l'extraire de facilement de l'hydrogène de l'eau. Le tritium est très rare, mais on l'obtient en bombardant du lithium (un élément très répandu, de numéro atomique 3) avec des neutrons. On pourrait n'emporter que du deutérium et du lithium et fabriquer le tritium au fur ezt à mesure en utilisant les neutrons fabriqués par le réacteur à fusion.
Il est donc probable que l'on préfère la fusion Hélium-3/Deutérium, qui produit plus d'énergie et ne dégage que des particules électrisées (un proton et un noyau d'hélium 4). L'hélium 3 n'existe qu'à l'état de traces sur la Terre, mais les régolites lunaires en contiennent sous un rapport de 10-8, issus du vent solaire. On pourrait dans 75 ou 100 ans les exploiter sur place et expédier à l'aide de drivers de masse soit sur Terre, pour alimenter les tokamaks commerciaux, soit en orbite pour approvisionner en "carburant" les vaisseaux interplanétaires stationnés. Notons aussi que les atmosphères des planètes géantes offrent en quantités illimitées tous les isotopes d'hydrogène et d'hélium.
- 2.32 Confinement inertiel
Il existe schématiquement deux catégories de générateurs à fusion : ceux à confinement inertiel et ceux à confinement magnétique. Tous deux font l'objet de recherches intenses qui laissent espérer qu'on en aura une bonne connaissance dans les années 2020, et que vers 2050 dans centrales à fusion soient opérationnelles. Mais il faudrait encore bien des années pour que des générateurs conformes aux contraintes de l'emploi dans l'Espace (compacité, légèreté, faible entretien...) voient le jour.
Les générateurs à confinement inertiel utilisent du combustible sous forme de pastilles que l'on lance dans le réacteur pour les "allumer" à distance à l'aide de lasers, de canons à micro-onde ou de canons à ions lourds. En utilisant des dizaines de pastilles par seconde dans une chambre ouverte située à l'arrière du vaisseau avec un champ magnétique guidant les explosions, on peut créer un moteur offrant une Isp de l'ordre de 107 secondes grâce à une vitesse d'éjection d'environ 3% de la vitesse de la lumière. Une étude britannique décrit un engin à deux étages, Pegasus, de 53 500 tonnes, capable en quatre ans de fonctionnement de donner à 830 tonnes de charge utile (de quoi procéder à l'étude robotisée d'un système solaire voisin du nôtre) une vélocité totale du 30 000 km/s (0.1c). Mais des progrès énormes sont à faire dans plusieurs domaines, surtout concernant les lasers (efficacité et cadence de tir).
Dans la fusion à confinement magnétique, un plasma est maintenu en place grâce à un puissant champ magnétique, dans un réacteur soit torique (Tokamak), soit cylindrique. Dans les deux cas, on pourrait réaliser un moteur nucléothermique à fusion, on mélangeant du plasma sortant du réacteur avec de l'hydrogène.
- 2.33 Confinement magnétique
- 2.34 Autres voies
Outre ces deux grands domaines de la fusion nucléaire, il existe diffrentes voies plus exotiques pour procéder à l'ignition. La plupart sont encore à un stade assez embryonnaire.
Crée dans les années 60 par un chercheur américain, Philo Farnsworth, la fusion à confinement inertiel-électrostatique semble très prometteuse. Dans un tel système, la fusion a lieu dans une sphère (ou un cylindre) où est maintenu un vide très poussé. Une petit boule grillagée se trouve au centre, et est maintenu à un potentiel négatif très grand (de l'odre de -50 000 à -100 000 Volts). Les ions (positifs) de matériaux fusibles introduits dans la chambre à vide et sont attirés par le champ électrique. La plupart passe au travers de la sphère cathodique et c'est à l'intérieur de celle-ci que le plasma atteind des conditions permettant la fusion.
De tels dispositifs sont couramment utilisés depuis plusieurs années comme sources compactes (moins d'un mètre de diamètre) de neutrons pour les laboratoires, le système fusion star d'EADS étant l'un des plus représentatifs. Comme pour les autres types de réacteurs à fusion, il reste d'énormes améliorations à faire avant d'obtenir un gain supérieur à l'unité. Si on y parvient, cette technologie deviendra très attractive pour fournir des réacteurs à fusion compacts et relativement bon marché, de puissance modérée, tant pour fournir de l'énergie sur Terre qu'en propulsion spatiale.
Un réacteur CIE pourrait fournir un plasma guidé par des champs magnétiques pour servir de fluide propulsif. En arrêtant les neutrons avant des parois épaisses, on pourrait chauffer ces dernières soit pour chauffer un gaz ensuite éjecté par une tuyère (pour un propulseur fusion-thermique), soit pour fournir de l'énergie électrique en utilisant des radiateurs et un dispositif de conversion thermoélectrique, voire pour en faire une "ampoule" pour un propulseur photonique (voir 4.4). Dans tous les cas, il s'agirait d'une source d'énergie bien adaptée à des missions interplanétaires.
La fusion muomique, ou fusion "tiède", repose sur les muons, des particules ayant la même charge négative que les électrons, mais 217 fois plus lourdes. Les muons, générés par une source externe, sont introduits dans la chambre à fusion. Ils prennent la place des électrons dans les atomes de gaz fusible et, du fait de leur forte masse, gravite beaucoup plus près du noyau. Dès lors, en rapprochant deux atomes, la répulsion réciproque des noyaux met beaucoup plus longtemps à se manifester. Celà abaisse fortement les exigences de pression et de température pour procéder à la fusion. Lorsque deux noyaux ont fusionné, les muons sont expulsés et se joignet à d'autre atomes, ainsi peu de muons sont requis pour faire fonctionner une centrale.
La fusion catalysée par antimatière est conceptuellement similaire à la fusion à coçnfinement inertiel, mais les lasers ou les flux de particules relativistes sont tout ou partie remplacés, pour "chauffer" la pastille de gaz légers, par l'utilisation d'une petite quantité d'antimatière.
III - Propulsion solaire directe
Dans cette rubrique sont classés les modes de propulsion employant directement le rayonnement solaire, sans le convertir en électricité. Elles ont l'avantage de se passer de panneaux solaires. Leurs principes de fonctionnement sont simples (mais non leur mise au point), ce qui présente des avantages en terme de fiabilité.
C'est un concept original qui se passe de carburant. Il s'agit de déployer à l'avant de l'engin une grande voile souple et ultra-légère (on pourrait employer une voile gonflable) que la pression de radiation du soleil fait avancer. En effet, la lumière, lorsqu'elle est réfléchit par un objet, "pousse" celui-ci. Quelques essais ont étés menés: ainsi, en 1973, Mariner 10, dans les environs de Mercure, a utilisé le vent solaire sur ses panneaux pour s'orienter. Il existe des projets comme une course Terre-lune de vaisseaux automatiques à voile solaire. Un autre, est mené par la planetary society : deux vols en 2001, un suborbital (20 Juillet), un orbital, de petits satellites à voile solaire tirés par des missiles russes reconvertis (Volna) doivent démontrer la validité du concept.
Les voiles solaires n'utilisent aucun carburant et ont donc une autonomie théoriquement illimitée, mais la poussée est très faible (au niveau de la Terre, 9 Newtons sur 1 km² de voiles). Cela n'autorise donc qu'une vitesse très limitée. Ce serait une bonne solution, par exemple, pour des missions cargo destinée à emmener vers Mars du matériel lourd : le voyage serait très long, mais le coût faible par rapport à la charge utile.
Certains pensent que l'on pourrait, au lieu d'une voile matérielle, une "magsail", ou voile magnétique. Ce serait un puissant champ magnétique, crée par une bobine de supraconducteur en anneau autour du vaisseau. Le champ magnétique renverrait le vent solaire comme un miroir. Mais il y a de nombreux problèmes : il faudrait mettre au point de meilleurs supraconducteurs, et on ne sait pas bien comment contrôler le vecteur poussée, comment opérer à proximité d'une planète (donc dans son champ magnétique), comment limiter l'échauffement des câbles portant l'électricité au bobinage annulaire, etc.
- 3.2 La propulsion solaire-thermique
Cette idée consiste à utiliser l'énergie du soleil concentré par des miroirs déployables ou gonflables pour chauffer un fluide (on utiliserait de l'hydrogène dans une chambre transparent) ensuite détendu dans une tuyère (comme dans une propulsion électrothermique, nucléothermique ou laser-thermique). L'Isp obtenue serait de l'ordre de 800-1000 secondes (plus si l'on concentre la chaleur directement sur l'hydrogène, évitant ainsi les limites dues à l'échauffement du carter) et le rapport puissance collectée-poids serait supérieur à celui d'un système solaire-électrique car des miroirs gonflables ne pèserait que quelques dizaines de kilogrammes par mégawatt collecté. Par exemple, ce mode de propulsion permettrait à un satellite de passer d'une orbite basse à une orbite géostationnaire en une vingtaine de jours, plus rapidement donc qu'un système solaire-électrique. Des études américaines sont menées, visant à la réalisation d'un démonstrateur en orbite.
Ces modes de propulsion dignes de la science-fiction sont hautement spéculatifs, puisque leurs mise au point réclamerait encore bien des décennies de recherches, ainsi que des investissements énormes. Il sont encore du domaine de la recherche fondamentale, et non de l'ingénierie. Mais on ne peut concevoir de mission interstellaire se passant d'eux.
- 4.1 Propulseur à antimatière
C'est le concept futuriste par excellence. L'annihilation matière-antimatière peut totalement transformer la masse en énergie, ce qui, conformément à la célebrissime équation d'Einstein, donne 9.1016 Joules par kilogramme de "combustible" - 300 fois plus que la fusion, 1100 fois plus que la fission... Mais, on s'en doute, l'utilisation de cette source n'est qu'un objectif très lointain. On pense utiliser de l'anti-hydrogène (un antiproton, noyau négatif, et un positron) stocké sous forme solide ou liquide dans un champ magnétique sous vide absolu.
Les particules d'antihydrogène sont "lancées" dans de l'hydrogène normal. La réaction qui a lieu alors dégage une quantité gigantesque d'énergie qui chauffe l'hydrogène qui est rejeté dans une tuyère. L'impulsion spécifique obtenue dépend de la quantité d'antimatière employée reportée à la quantité de matière chauffée, quantité elle-même limitée par la résistance thermique du carter du moteur. Elle pourrait atteindre 10 millions de secondes dans certains concepts où l'hydrogène est contenu dans un champ magnétique, se qui supprime cette limite à l'échauffement. On pourrait aussi utiliser l'antimatière à la place des lasers pour provoquer la fusion à confinement inertielle déjà évoquée.
On n'a jusqu'ici su fabriquer que quelques antiprotons dans des accélérateurs à particules, et le stockage et le transport représentent de sérieux défis. La mise au point industrielle est bien plus lointaine encore que pour la fusion nucléaire.
- 4.2 Statoréacteur spatial
L'espace, même interstellaire, n'est jamais un vide absolu. On compte quelques atomes d'hydrogène par centimètre cube. On peut donc envisager de collecter cet hydrogène dans un entonnoir de centaines de kilomètre de diamètre pour propulser un vaisseau. Dans la version initiale proposée dans les années 50 par l'américain Robert Bussard, l'hydrogène alimente ensuite un moteur à fusion nucléaire, mais on pourrait aussi employer un moteur à antimatière ou un moteur à fission style NERVA. Dans tous les cas, on se débarrasse des réservoirs d'hydrogène.
Un statoréacteur spatial offre un temps de fonctionnement en principe illimité, on pourrait donc se rapprocher autant que l'on veut de la vitesse de la lumière. Mais il ne peut fonctionner qu'à partir d'une certaine vitesse (plus basse si on commence dans l'espace interplanétaire, plus riche en hydrogène), qu'il faut lui communiquer par un autre moyen, par exemple en utilisant d'abord une réserve d'hydrogène.
- 4.3 Propulsion assistée par laser
Dans ce système, le vaisseau interplanétaire, voire interstellaire, est alimenté en énergie par un canon laser ou micro-onde basé à terre ou dans une station orbitale. Il faudrait donc des émetteurs très puissants (des dizaines de mégawatts), ce qui requérait, pour l'émetteur comme le récepteur, des optiques (laser) ou des antennes (micro-ondes) très grands (plusieurs centaines de mètres). En effet, il ne faut pas que l'énergie soit concentrée sur trop peu de matière, car l'échauffement serait excessif. On pourrait réaliser des optiques ou des antennes gonflables. Ce concept permet de débarrasser le vaisseau de la lourde alimentation électrique (réacteur nucléaire ou panneaux solaires) au profit d'un récepteur bien plus léger. Et contrairement aux technologies reposant sur l'énergie solaire, il fonctionne dans la partie extérieure du système solaire, ou même en voyage interstellaire.
L'énergie arrive donc au vaisseau, après des pertes de plusieurs dizaines de pourcents à cause de la dispersion du rayon. Elle sert ensuite pour la propulsion (et accessoirement à l'alimentation électrique à bord), par différentes méthodes. Une possibilité est une voile, très similaire à une voile solaire (ou même une Magsail, voire partie sur les voiles solaires), mais offrant bien plus de poussée puisque le rayonnement est beaucoup plus intense que celui du soleil. Une fois arrivé dans le "nouveau" système solaire, elle sert alors de voile solaire classique pour l'explorer. Mais il faudrait des quantités d'énergie délirantes : une étude américaine parle pour un voyage interstellaire de 1500... Térawatts (l'ensemble de l'humanité produit environ 13 TW). Avec des micro-ondes, la voile pourrait n'être qu'un filet, à condition que la maille ait un écartement inférieur à la moitié de la longueur d'onde. Malheureusement, la taille des antennes pour émettre des micro-ondes se situe plusieurs ordre de grandeur au-dessus de celles des optiques pour un laser de même puissance. La "light sail" (quelque chose comme 'voile à lumière') pourrait être utilisée à plusieurs années-lumières de distance, à condition d'avoir un laser gigantesque et une lentille de plusieurs centaines de kilomètres de diamètres.
Une deuxième option est la propulsion laser-thermique. Elle est similaire pour le principe à la propulsion solaire-thermique déjà évoquée : le flux laser ou micro-onde est concentré par des miroirs ou antennes gonflables sur un fluide. L'impulsion spécifique serait de l'ordre de 1000 ou 2000 secondes. La propulsion laser-électrique récupère l'énergie du rayon pour alimenter des propulseurs électriques (c'est donc une version dopée de la propulsion solaire-électrique, avec une puissance bien plus grande pour un système de réception de même masse). Une dernière solution est d'employer l'énergie du rayon pour une propulsion par fusion inertielle. Il a été calculé que cette technique, moyennant l'installation sur Terre d'un laser de 100 mégawatts, permettrait de réduire à trois mois le voyage habité vers... Saturne!
Un concept assez similaire emploie un accélérateur à particules linéaire en orbite, envoyant un flux de particules à une vitesse proche de celle de la lumière, qui viendrait frapper une magsail. Mais tous ces concepts exigent des technologies qui n'existent pas encore et des décennies de recherches. On commence à expérimenter des liaisons par laser entre satellites distants de milliers de kilomètres, mais il s'agit uniquement de transmission de données. Celà permet néanmoins de défricher des problèmes comme celui du pointage.
A l'instar de la voile solaire, le propulseur photonique, décrit en 1953 par un ancien de Pennemünde, Eugen Sänger, se passerait de fluide propulsif, la poussée étant fournie par la pression de radiation. La différence est qu'ici la lumière n'est pas simplement réfléchie mais produite par le propulseur lui-même, puis renvoyée par un miroir parabolique dont le générateur (de petite taille par rapport au miroir) occupe le foyer. Dans un futur lointain, le générateur pourrait être un point de rencontre de matière et d'antimatière, à plus court terme, il pourrait s'agir d'une "ampoule à fission nucléaire".
Celle-ci, décrite en Juin 2002 par le prix Nobel de physique Carlo Rubbia, serait chauffée à 3000° par un petit réacteur nucléaire. La chaleur serait transmise à ses parois par un des courants de convection dans un fluide colporteur, cela implique que "l'ampoule" tourne, générant ainsi une force centrifuge rendant ces courants possible. "L'ampoule" rayonnerait donc dans le proche infrarouge.
- 5-1 Généralités
Contrairement aux modes de propulsion abordés précédemment, les catapultes conviendraient à lancer des charges depuis une planète. Les catapultes utilisent une source d'énergie extérieure, qui accélère le projectile dans un guide (rails, canons...). Le défaut est que toute la vitesse est communiquée au sol, ce qui provoque des frottements aérodynamique énormes (donc des problèmes d'échauffement et une perte de vitesse), à l'inverse d'une fusée qui traverse l'atmosphère "lentement". Le passage d'objets de plusieurs tonnes dans l'atmosphère à 30 000 km/h ne serait pas sans problèmes écologiques (échauffement et ionisation de l'air).
De plus, il est difficile d'atteindre la première vitesse cosmique. Les catapultes, si leur emploi depuis la terre n'est pas exclu, semblent mieux adaptées au tir depuis la Lune, voire Mars, vu la gravité plus faible et l'atmosphère inexistante (Lune) ou ténue (Mars).
Les charges utiles doivent pouvoir supporter des accélération de dizaines, voire centaines de g, ce qui exclut totalement les vols habités et fait penser que cette solution se prêterait mieux aux transport de carburants, vivres, matériaux (par exemple exploités sur la Lune), qui ne souffent pas des fortes accélérations, que de satellites ou sondes. Cependant, pour des obus "intelligents", on fabrique déjà des électroniques (radars compris) supportant les milliers de g d'un canon.
Pour chiffrer le problème de l'accélération, imaginons une catapulte de 100 mètres de long, tirant un projectile à 3 km/s. Notons x" l'accélération, t le temps compté à partir de la mise à feu, T l'instant où le projectile quitte la catapulte. On a, pour tout t, 0<t<T : x'(t) (vitesse) = x".t et x(t) (position) = 1/2 .x".t². En T, on a : x'(T) = 3000 et x(T) = 100. On en déduit : T =0.1 seconde, et x" = 30 000 m.s-², soit plus de 3000 g d'accélération, en supposant celle-ci constante. Pour une catapulte chimique, elle ne l'est pas (surtout pour un canon) et l'accélération de pointe est bien supérieure. En revanche, un driver de masse, par exemple, a une accélération à peu près constante.
5-2 Catapultes chimiques
Placer le canon dans cette cette rubrique est un peu abusif, puisque c'est un moyen de propulsion chimique. On envisage (depuis Jules Verne) de lancer des charges dans l'espace à l'aide de canons similaires aux pièces d'artilleries par leur principe, mais aux dimensions bien supérieures. Dans le domaine des canons à longue portée (donc à forte vélocité à la sortie du tube) la référence reste le canon de Paris de la première guerre mondiale. Formé de neuf tubes de canons de marine de 14 pouces -350 mm- mis bout à bout, ce supercanon tirait des obus de 104 kilogrammes à 125 km, portée encore imbattue. Pendant la seconde guerre mondiale, les Allemands préparaient la construction de canons V-3 d'une portée de 165 km grâce à des culasses latérales rajoutant de la pression derrière l'obus au fur et à mesure de son avancée. La vitesse en sortie d'un canon peut difficilement excéder 2 km/s, mais on peut s'en servir comme "étage zéro" de lanceurs à poudre (un système à liquides ne survivrait pas à l'accélération).
Ainsi, l'ingénieur canadien Gerald Bull étudia, dans les années 60, étudia le lancement depuis un canon de marine de 16 pouces -406 mm- issus de la guerre 40-45 (en fait deux fûts mis bout à bout) de petites fusées à poudre. Des prototypes suborbitaux furent lancés. Marlet 4, qui devait marquer l'issue du programme, ne fut jamais réalisé. Ce lanceur de 1300 kg devait être tiré par canon et utiliser ses trois étages pour "orbiter" 23 kilogrammes. Des projectiles sous-calibrés à sabots (comme les obus-flèches) furent aussi étudiés, ils permettent d'augmenter un peu la vitesse de sortie.
Il apparaît que pour lancer des satellites de masse appréciable, même les canons géants de la seconde guerre mondiale (les Allemands construisirent deux Kanone Krupp de 800 mm tirant des obus de plus de sept tonnes à 42 km, les Japonais envisageaient des pièces de 20 pouces -508 mm- sur un Yamato amélioré, de nombreux cuirassés ont employés des canons de 16, voire 18 pouces) sont trop petits. Ainsi, dans les années 80, Bull étudia en Irak la construction de deux supercanons "babylon" de 1000 mm capable de lancer une fusée de 2 tonnes orbitant 200 kg, ou un obus de 600 kg à 1000 km (ce qui n'en faisait pas pour autant une arme redoutable, car ce canon ne pouvait qu'être fixe donc exposé à un raid aérien). Un prototype de 350 mm fut construit.
A l'heure actuelle, aucun satellite n'a été lancé depuis un canon. Si l'on s'accorde à penser que cette solution offrirait des lancements à très bas prix, elle présente des inconvénients : installations énormes si l'on veut pouvoir lancer des satellites relativement lourds, forte accélération initiale, etc. Mais on notera qu'actuellement, on s'intéresse de plus en plus aux nanosatellites pesant quelques kilogrammes seulement. Un petit lanceur tiré par un canon de calibre raisonnable (15 à 20 pouces), similaire aux anciens projets de Bull, pourrait répondre à cette demande. Comme pour tous les types de catapultes, le coût du lancement est faible, mais ceux de la construction et l'entretien des installations sont élevés, ces installations doivent donc servir souvent pour être rentables.
Le principe est ici différent de celui du canon. Il ressemble, à l'échelle près, à celui de la carabine à air comprimé. Dans une carabine à air comprimé, un ressort pousse l'air d'un petit réservoir vers le canon, où il fait avancer la balle. Ici, une charge explosive remplace le ressort, et un gaz pur comme l'hydrogène ou l'hélium (ces gaz légers peuvent avoir une vitesse d'expansion supérieure au fumées d'un canon d'artillerie) remplace l'air... Le concept fut étudié dans les années 50, le but était alors de lancer des petits projectiles à très grande vitesse pour étudier la construction des ogives de missiles intercontinentaux.
Aux USA, le projet SHARP, dans les années 80, permit de défricher cette technologie qui permet de donner des vitesses initiales bien supérieures aux 2km/s des canons de Bull. Mais aucun programme actuel ne vise atteindre le stade de lancement orbital.
Statocanon est un néologisme que je crée pour traduire "Ram Acceleration Gun" (quelques chose comme "catapulte à accélération par effet de bélier). Il s'agit d'une catapulte fonctionnant sur le principe du statoréacteur. Le fut est remplit d'un mélange d'oxygène et de méthane. Le projectile avance et le mélange est comprimé entre celui-ci et les parois du tube. Le système fonctionne donc un peu comme un statoréacteur. En voici un shéma :
Les parois n'ont pas besoin d'être aussi solides que pour un canon, car elle n'ont pas à supporter pas de pressions excessives. Autre avantage : l'accélération est à peu près constante, le projectile est donc moins brutalisé qu'avec un canon. A l'instar du statoréacteur, ce système ne marche qu'à partir d'une certaine vitesse que l'on obtient grâce à un injecteur. Dans les petits statocanons actuels, on emploie soit un canon à gaz, soit un obusier classique. Un exemple de statocanon actuel est celui de l'institut franco-allemand de Saint Louis, qui lance 1.6 kg à 2200m/s.
5-3 Catapultes électromagnétiques
Un canon à rail est un moteur linéaire à courant continu de grande puissance. Pour en saisir le fonctionnement, il faut de petits rappels élémentaires de magnétodynamique.
1- Un fil conducteur traversé par un courant électrique
crée un champ magnétique qui tourne tout autour de lui comme
indiqué sur ce schéma. Cela se manifestera par exemple par
l'orientation d'un boussole placée à proximité. La mesure de
ce champ magnétique est proportionnelle à l'intensité du
courant. Si l'on change le sens du courant, le champ magnétique
s'inverse et notre boussole se retourne. A l'inverse, si le
courant décrit une boucle, le champ sera, à l'intérieur de la
boucle, perpendiculaire au plan de celle-ci. Dans une bobine, le
champ sera à peu près constant.
2- Un fil conducteur traversé d'un courant électrique et placé dans un champ magnétique subit une force perpendiculaire tant au fil qu'au champ et orientée comme sur le schéma. Cette force, dite de Laplace, est proportionnelle à la mesure du champ magnétique, au courant et au sinus de l'angle formé par le champ et le fil. Elle est donc nulle si le champ et le courant sont colinéaires. Celà peut aisément s'observer avec un fil de cuivre et un aimant en U.
Voici donc le fonctionnement du canon à rails. Deux
rails sont connectés aux deux bornes d'un générateur de
courant continu très puissant. Le projectile est placé entre
les rails et porte une armature qui les rejoint (pour simplifier
le schéma, seule l'armature est représentée). Juste entre les
deux rails se trouve un champ dirigé vers le haut, constant si
on se déplace en longueur (sauf à l'approche des bouts). En
approchant de l'un des rails, on verra le vecteur B s'incliner.
La force de Laplace tire le projectile en avant. Elle est
proportionnelle à l'intensité et au champ magnétique que celle-ci
génère, donc au final proportionnelle à i². Tout comme, en
conséquence, l'énergie donnée par la catapulte (travail :
produit scalaire de la force par le chemin parcouru). A quelques
simplifications près, la vitesse de sortie est donc
proportionnelle du courant.
Le rendement (rapport de l'énergie cinétique donnée à l'électricité consommé) des railguns est assez médiocre, de l'ordre de 40%, et même en utilisant des supraconducteurs pour supprimer les pertes par effets joule il ne dépasserait pas 70%. Le tube est bien entendu sous vide. Un exemple de railgun actuel est celui de l'Institut de Saint Louis (France-Allemagne), Pégasus, qui tire un kg à 2500 m/s, en consommant 10MJ (soit un rendement de 31%). Le contact entre l'armature et les rails est assuré par des brosses métalliques, mais pour des vitesses plus élevées il faudrait utiliser un arc de plasma en guise d'armature (pour ne pas avoir de frottements sur les rails, qui actuellement doivent être changés à chaque tir), le projectile étant maintenu en lévitation dans le champ magnétique. Cela complique fortement la fabrication.
On pense que les canons à rails ne peuvent guère lancer plus de quelques dizaines de kg, ainsi ils semblent mal adaptés au tirs spatiaux, sauf peut-être pour les minisondes (voir partie sur les drivers de masse). Par contre, ils pourraient servir d'armes antiaériennes ou antimissiles (voire antisatellites, à condition d'avoir un pointage très précis ou des projectiles capables de rectifier leur trajectoire), les cibles étant détruites par le choc : le projectile de Pégasus possède une énergie cinétique de 3MJ, autant qu'un camion de 3.6 tonnes à 150 km/h (celà équivaut aussi à 700 grammes de TNT). Et il est envisageable de multiplier par 4 la vitesse d'éjection, ce qui augmenterait cette énergie cinétique d'un facteur 16. Si la mise au point est récente, l'idée du canon à rails est ancienne : en 1917 Fauchon-Villeplee, ingénieur Français, en construit un prototype fonctionnel, avec l'idée d'un usage militaire. En 1943 l'Allemand Muck proposa un railgun à longue portée pouvant tirer cinq munitions de 200 kg sur Londres chaque minute, alimenté par une centrale de 100MW.
Le driver de masses semble plus intéressant que le canon à rails. Il utilise des bobines que le projectile traverse successivement. Le "chariot" est placé derrière la charge utile et la "pousse" en avant. Il comprend un cylindre métallique coaxial avec les bobines. Alors que le canon à rail a déjà donné naissance à des spécimens assez importants, les drivers de masse construits jusqu'ici sont de faible puissance.
On pense utiliser pour l'exploration du système solaire des mini-sondes, d'une masse de l'ordre de 1 à 100 kg, tirées depuis des catapultes (canons à rails ou drivers de masse) soit sur terre, soit en orbite basse. Ces mini-sondes seraient fabriquées en série, à un prix très faible. Un grand nombre serait nécessaire pour rentabiliser la construction de la catapulte. Elles seraient très spécialisées, auraient une durée de vie courte (le temps de voyage serait d'ailleurs réduit) et condamnées à n'emporter qu'une propulsion embarquée très limitée (voir aucune) ne leur autorisant qu'un delta-v modeste pour rectifier leur trajectoire, ce qui obligerait à utiliser l'aérocapture pour se satelliser autour d'une planète. Pour les objets sans atmosphère, ou si l'on ne parvient pas à obtenir une précision suffisante pour réaliser l'aérocapture, les missions ne pourraient être que des survols hyperboliques.
A l'inverse des canons à rails et des drivers de masses, les maglifter donneraient une faible vitesse (de l'ordre de mach 1) à des charges lourdes (des études actuelles visent une centaine de tonnes). Le maglifter utiliserait la sustentation magnétique (électroaimants créant un champ de répulsion qui à la fois maintient le véhicule en hauteur et le fait avancer) pour donner un "coup de pouce" au décollage d'une navette.
Le maglifter ressemble de près aux trains à sustentation magnétique qui dans plusieurs pays, en particulier l'Allemagne et le Japon, existent à l'état de prototypes.
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