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Catégorie : Les Armes
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Moteur ionique

 
 
 
Test d’un moteur ionique à grilles accélérant du xénon, dans un laboratoire du Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Un moteur ionique est un moteur qui produit sa force de propulsion en accélérant des ions à très haute vitesse. En pratique ce terme désigne le moteur ionique utilisant des grilles polarisées et s'oppose à l'autre grande catégorie de moteur ionique : le propulseur à effet Hall. Le moteur ionique se range dans la famille des propulseurs électriques c'est-à-dire des moteurs dont l'énergie est d'origine électrique et fournie par une source externe (panneaux solaires) par opposition aux moteurs-fusées classiques qui tirent leur énergie des réactions chimiques ou des ergols. C'est un propulseur électromagnétique car l'accélération des ions est obtenue à l'aide d'un champ électrique.

La poussée est très faible (entre 0,05 et 5 newtons en 2018) et de ce fait son utilisation est réservée au domaine spatial. La vitesse d'éjection des ions très élevée (jusqu'à 50 km/s) produit un rendement (impulsion spécifique) 10 fois plus élevé que les moteurs chimiques ce qui permet de diminuer fortement la masse de l'engin spatial en réduisant la quantité d'ergols à emporter.

Les principes physiques sous-jacents ont été découverts dans les années 1910, mais les premières réalisations sous forme de prototype ne sont apparues que dans les années 1950 au début de l'ère spatiale. Le domaine d'application réservé initialement aux petites corrections de trajectoire orbitale ou d'orientation s'est étendu à la fin du XXe siècle à la propulsion de sondes spatiales interplanétaires (Deep Space 1, Dawn, Hayabusa) et aux mises en orbite géostationnaire depuis une orbite basse (satellite de télécommunications).

Fonctionnement du moteur ionique

Le moteur ionique, n'utilise pas de "carburant" comme les autres moteurs-fusées mais un gaz neutre (du xénon) qui n’est en rien une source d'énergie et qui n'est utilisé que pour la "masse d'appui" qu'il représente (sa masse d'inertie). Ce gaz neutre n'est donc pas brûlé (il ne brûle pas) mais simplement ionisé. Les ions alors libérés passent par deux grilles fortement chargées électriquement et subissent ainsi une accélération. La force d’accélération des ions cause une force de réaction de sens opposé : c’est la force de propulsion du moteur à ions.

Les ions récupèrent leurs électrons juste avant de sortir du moteur, afin de maintenir la neutralité électrique du véhicule et du gaz neutre éjecté. En l'absence de canon à électrons neutralisateurs, les ions qui sortent du propulseur ionique sont attirés par le compartiment principal par attraction coulombienne du fait de leur caractère ionique. En les neutralisant, les atomes sont ainsi propulsés vers l'extérieur du dispositif sans attraction dans le sens opposé à leur déplacement.

C’est le xénon (un gaz noble) qui est utilisé comme « carburant » (ou plutôt comme masse d'appui). Par le passé, le césium, le sodium et le mercure ont été testés, mais ces matières érodent le moteur[réf. nécessaire]. Selon une étude américaine de 19981, le mercure est trop toxique, ce qui complique les opérations, et le césium convient mal car il conduit à une dégradation des surfaces.

L’énergie électrique nécessaire pour l’ionisation du gaz neutre et l’accélération des ions libérés est obtenue grâce à des panneaux solaires. Il est envisagé d'utiliser des réacteurs nucléaires2 pour fournir suffisamment d'énergie, soit à grande distance du Soleil, soit dans l'optique d'obtenir des poussées plus importantes.

Principes physiques

Une particule chargée dans un champ électrostatique subit une force proportionnelle au champ électrique et à sa charge électrique.

F = q E {\displaystyle \mathbf {F} =q\mathbf {E} }

Cette force permet d'accélérer la particule.

a = q m E {\displaystyle \mathbf {a} ={\frac {q}{m}}\mathbf {E} }

À côté de la simplicité de ce principe, la propulsion ionique soulève une complexité pour obtenir un moteur réellement efficace.

Description technique

 
Schéma d'un moteur ionique à grilles.

Un propulseur ionique se compose essentiellement de trois éléments :

Les principaux propulsifs utilisables sont le césium, le sodium, le lithium, le platine, ou le xénon. Émettant une couleur bleutée caractéristique, ce dernier est le plus souvent employé du fait de sa neutralité chimique, alors que le sodium, par exemple, érode le moteur.

Production des ions

 
Principe de fonctionnement d'une source d'ions au gaz, en rouge les cathodes et en bleu, l'anode.

Deux principales méthodes de production d'ions :

Les ions vont ensuite être focalisés sous forme de faisceau grâce à une première série d'électrodes. Une autre série d'électrodes, ou grille, va alors les accélérer en dehors du propulseur. Enfin un système d'émission électronique se charge de neutraliser le faisceau.

Caractéristiques et applications

De par leur principe même, l'ionisation du gaz propulsif, ces moteurs ne fonctionnent que dans un environnement de vide (spatial ou caisson d'essai).

Leur faible poussée, de quelques dixièmes de newtons seulement, équivalente à un souffle humain sur une main distante de 20 cm, limite leur usage à des missions de maintien en orbite, ou plus généralement dans des zones de champs gravitationnels faibles.

Ces types de propulseurs ont de grandes impulsions spécifiques : 5000 à 25 000 s.

Les moteurs de ce type sont bien adaptés pour des missions d'exploration automatique (sonde), et sont envisagés très sérieusement pour des missions habitées lointaines comme celle de Mars dans un premier temps.

Le courant ionique de sortie est un paramètre important dans ce type de propulseur. Il peut être calculé en première approximation par la somme (l'intégrale sur la surface) des charges franchissant le plan de sortie par la vitesse moyenne des charges. La poussée du propulseur peut être calculée facilement à partir du courant ionique de sortie.

Comparaison avec les moteurs-fusées classiques

Avec les moteurs classiques, il faut embarquer la masse à éjecter, et l’énergie pour l’éjecter. Alors qu’avec les moteurs ioniques, seule la masse à éjecter est embarquée, l’énergie de l’éjection peut être prise sur place avec des panneaux solaires ou provenir d’un générateur thermoélectrique à radioisotope.

Les moteurs-fusées classiques fournissent, en peu de temps, une accélération importante, mais utilisent pour cela de grandes quantités de carburant. Les moteurs-fusées doivent pouvoir supporter des contraintes énormes de pression et de température, ce qui les rend lourds. De plus, la réserve de carburant elle-même doit être propulsée, tout autant que le véhicule spatial ; en conséquence, le véhicule spatial doit emmener avec lui encore plus de carburant (voir Équation de Tsiolkovski).

Les moteurs ioniques, qui produisent une force de propulsion faible mais sur une très longue durée, sont particulièrement économes. Ils produisent, par kilogramme de gaz neutre embarqué comme masse d'appui, une quantité de travail très supérieure à celle des moteurs-fusées classiques. Ils peuvent donc, après un temps, certes, non négligeable, conférer la même vitesse au véhicule spatial, au prix d'une consommation de masse d'appui bien moindre. Ce véhicule peut alors emporter moins de cette masse d'appui. Les moteurs ioniques sont également beaucoup plus légers (une dizaine de kg), permettant ainsi une économie supplémentaire de propulsion3.

Applications

Les moteurs ioniques, de par leur faible poussée, ne conviennent pas pour le lancement de véhicules spatiaux. Pour cela, les moteurs-fusées conventionnels sont encore nécessaires. Mais, en principe, dès que le véhicule spatial a atteint l’espace, le moteur ionique peut prendre le relais2.

Le moteur ionique peut fonctionner très longtemps sans s’arrêter, si nécessaire durant des années. Avec son aide, des destinations extrêmement lointaines, comme Jupiter, peuvent être atteintes bien plus rapidement2.

Les travaux de recherche à la NASA

 
Premiers tests de moteur ionique au centre de recherche Lewis en 1959.

Le développement de la propulsion ionique débute à la NASA dans les années 1950. Le docteur Harold Kaufman du centre de recherche Lewis (établissement de la NASA), construit le premier moteur de ce type en 1959. En 1964, un petit satellite expérimental, Space Electric Rocket Test 1 (SERT 1), est lancé par une fusée Scout. Un des deux moteurs parvient à fonctionner durant 31 minutes. SERT 2 également équipé de deux moteurs ioniques est mis en orbite en 1970 : un des deux moteurs fonctionne durant 5 mois (3 871 heures en continu), l'autre durant 3 mois. Ces premiers moteurs utilisent comme ergols soit du césium soit du mercure. Mais ces deux éléments chimiques présentent des inconvénients et les ingénieurs choisissent pour les moteurs suivants le xénon qui s'avère plus simple à utiliser. Au début des années 1960 le centre de recherche HRL Laboratories situé à Malibu (Californie), filiale du constructeur aérospatial Hughes, travaille également sur la propulsion ionique. Un premier moteur expérimental de ce constructeur est testé à bord du satellite militaire Geophysics Laboratory's Spacecraft Charging at High Altitude lancé en 1979. En aout 1997 une version opérationnelle est installée à bord du satellite de télécommunications PanAmSat 5 : le moteur ionique est utilisé pour maintenir le satellite sur sa position géostationnaire et contrôler son orientation. Au début des années 1990, le Jet Propulsion Laboratory et le centre de recherche Lewis développent ensemble le moteur ionique NSTAR dans l'optique de l'utiliser pour propulser des engins spatiaux interplanétaires. Le centre Lewis fait fonctionner le moteur dans une chambre à vide durant 8 000 heures. Les tests qui s'achèvent en septembre 1997 sont un succès et la NASA décide de développer un moteur ionique opérationnel avec Hughes pour la mission Deep Space 14.

Premier test en 1998

Le moteur ionique a été testé de façon approfondie pour la première fois par le véhicule spatial non habité Deep Space 1. Ce dernier a été lancé par la NASA le . Il avait pour but premier de tester un certain nombre de nouvelles techniques astronautiques, dont le moteur ionique.

À la fin de la mission, la vitesse de Deep Space 1 avait augmenté, grâce au moteur ionique, de 4,5 km/s, après l’usage de seulement 81,5 kilogrammes de gaz neutre. Avec un moteur conventionnel utilisant la même masse d'ergols, le véhicule aurait subi à peine un dixième de cette augmentation de vitesse.

Satellites

Les satellites de télécommunication suivants sont munis de propulseurs à ions :

Les forces d’attraction variables de la Lune et du Soleil impliquent d'effectuer régulièrement des corrections de trajectoire afin de maintenir ce type de satellite sur la bonne orbite. La quantité de gaz neutre (ou masse d'appui) qui peut être emportée est limitée, mais du fait que les moteurs ioniques sont très économes, la durée de la mission pourra ainsi être augmentée.

Le satellite Artémis (Advanced Relay and Technology Mission Satellite) a été sauvé d'un mauvais lancement (échec partiel d'Ariane 5, le , qui l'avait placé sur une orbite plus de deux fois inférieure à celle prévue, 17 000 km d'altitude à l'apogée au lieu de 36 000). Propulsé par ses moteurs ioniques qui n'avaient pourtant pas été conçus à cette fin, car destinés à de simples corrections d'orbite une fois à l'altitude et à la position voulues, il a rejoint l'altitude souhaitée au bout de 18 mois.

En 2018, l'ESA a mis au point un prototype de moteur ionique fonctionnant avec l'air ambiant, pouvant être utilisé pour des satellites dont l'orbite est comprise entre 150 et 200 km d'altitude5. Ce modèle, encore en développement, n'est cependant pas prêt à être utilisé en conditions de vol réelles6.

Sondes spatiales

La sonde spatiale SMART-1 (367 kg, dont 52 kg de xénon à éjecter) de l’Agence spatiale européenne (ESA) avait aussi un moteur ionique. Lancée le sur une orbite géostationnaire (36 000 km), elle a effectué des orbites terrestres de plus en plus hautes, puis le , sa première orbite autour de la Lune. Pour rejoindre la Lune, distante seulement de 385 000 km, elle a parcouru 100 millions de kilomètres, en ne consommant que 60 litres de gaz neutre, grâce à son moteur remarquablement performant7. Pendant près de deux ans, elle effectua de nombreuses orbites lunaires, puis comme prévu s'est écrasée sur la Lune, le . Cette sonde met beaucoup plus de temps qu’un véhicule spatial muni d’un moteur-fusée classique, mais elle coûte beaucoup moins, car la charge à mettre en orbite est considérablement réduite.

La sonde spatiale japonaise Hayabusa, lancée le , est dotée d’un moteur ionique. C’est la première à avoir (presque) réussi à se poser sur l’astéroïde Itokawa, le . Sa propulsion ionique lui a permis de revenir sur Terre le dimanche à 13 h 51 TU, avec des échantillons de l’astéroïde, après avoir parcouru environ 300 millions de kilomètres et plus de 31 000 heures cumulées de fonctionnement.

La sonde Dawn, de la NASA, lancée en 2007 vers la ceinture d'astéroïdes, dispose de trois moteurs ioniques à xénon, en version améliorée du NSTAR. La propulsion ionique a été utilisée durant 70 % du temps de transit vers le premier objectif, Vesta. Après une mise en orbite le , Dawn a quitté Vesta le pour rejoindre Cérès en .

La mission BepiColombo, lancée le , consiste à envoyer deux modules d'observation conçus par l'ESA et la JAXA vers la planète Mercure8. L'ensemble des sondes, avec une masse initiale de 4 121 kg, est propulsé par 4 moteurs ioniques puisant dans une réserve de 580 kg de Xénon avec une durée d'utilisation de 880 jours. Les sondes arriveront en orbite autour de Mercure en , et la durée de la mission d'observation sera de 1 à 2 ans.

La mission Hayabusa 2 possède également un moteur ionique pour rejoindre l'astéroïde Riogou

Station spatiale

Le premier module de la seconde station spatiale chinoise, lancé en avril 2021 et appelé Tianhe, utilise quatre propulseurs ioniques, ce qui permet d'avoir besoin de 10 fois moins de carburant que l'ISS, selon l'Académie des sciences chinoise. Ce type de propulseur doit également être utilisé pour les missions vers Mars, afin de réduire le voyage de 9 mois actuellement, à 39 jours9.

Vols spatiaux futurs, à très grande distance du soleil

La NASA travaille au développement d’un moteur ionique qui sera alimenté en énergie grâce à un réacteur nucléaire2. Cela rendrait l’utilisation du moteur ionique possible pour les vols spatiaux à très grande distance du Soleil, là où des panneaux photovoltaïques ne peuvent plus fournir assez d’énergie.

Notes et références

  1. (en) Victor Tangermann, « China’s New Space Station Is Powered by Ion Thrusters — The country is betting big on electric spacecraft propulsion » [archive], Futurism,

Bibliographie

Voir aussi

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Articles connexes

Liens externes

 

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Canon magnétique

 
 

Le canon magnétique ou canon de Gauss (coilgun ou Gauss cannon en anglais) est un canon qui utilise l'effet d'attraction/répulsion magnétique. Il est l'une des deux formes du canon électromagnétique, l'autre étant le canon électrique.

 
Animation des bobines d'excitation d'un canon magnétique

Principe

Attraction magnétique par ferromagnétisme

Dans sa forme la plus simple, pour laquelle un brevet a été déposé dès 1900 par le physicien Kristian Birkeland, c'est tout simplement un électroaimant en forme de tube (par exemple sous forme de solénoïde) : dès qu'on branche le courant électrique, un projectile ferromagnétique est attiré magnétiquement vers le centre du canon, puis on coupe le champ pour éviter de freiner le projectile qui se dirige avec une vitesse initiale vers la bobine suivante.

Répulsion magnétique par induction

Dans ses réalisations plus évoluées, on dispose plusieurs solénoïdes courts en série autour du tube. Quant à l'obus, il possède en son sein un bobinage conducteur.

  1. Un courant électrique impulsionnel de forte intensité (délivré par un banc de condensateurs) est injecté dans le premier solénoïde. Ce bref et fort courant génère un champ magnétique dans le tube, d'intensité rapidement croissante.
  2. Les spires à l'intérieur du projectile sont le siège d'un courant induit selon la loi de Lenz de l'induction magnétique. Ce courant électrique est à cet instant de sens contraire à celui circulant dans le solénoïde inducteur. Le projectile crée donc à son tour un champ magnétique induit, et de ce fait deux pôles magnétiques identiques se font face : le projectile subit un effet magnétique répulsif qui le propulse.
  3. Les solénoïdes sont successivement commutés les uns à la suite des autres, au moment où le projectile passe devant eux, ce qui lui procure une accélération supplémentaire.

À noter que cet « effet répulsif magnétique », dû à ce que l'on nomme la loi de Lenz, est l'effet macroscopique des forces de Laplace qui agissent en réalité individuellement sur chaque électron mis en mouvement par induction dans les spires en métal du projectile, alors que le champ magnétique ambiant est croissant : ces forces de Laplace agissent sur les spires du projectile avec à la fois une composante radiale centripète (qui tend à compresser la spire, mais celle-ci est rigide) et une composante axiale (propulsive, car dirigée à l'opposé du solénoïde inducteur).

En règle générale, on utilise quelques solénoïdes courts de ce genre (classiquement pas plus de trois ou quatre) pour la « mise en vitesse » initiale du projectile. Les commutations des courants doivent être très finement calculées, à cause de l'accélération du projectile entre deux solénoïdes, et parce qu'une bobine possède une inductance qui fait que la « réponse magnétique » de celle-ci à un champ magnétique inducteur variable n'est pas instantanée. À la suite de ces solénoïdes commutés séquentiellement, un solénoïde long ou une suite de plusieurs solénoïdes courts sont commutés ensemble, générant un champ magnétique axial uniforme d'intensité globalement croissante, qui accélère continuellement le projectile en mouvement sur toute la longueur de ce dernier étage, jusqu’à sa sortie du canon.

Recherches

Comme le canon électrique, c'est une arme expérimentale qui est largement exploitée dans les œuvres imaginaires. Des recherches militaires actives sur les canons électromagnétiques sont effectuées depuis plusieurs années afin de pouvoir à terme remplacer le canon des chars d'assaut : l'intérêt de tels canons est la vitesse très élevée atteinte par le projectile, capable de percer les blindages les plus résistants sans même avoir recours à un explosif tel qu'une charge creuse. La vitesse des obus classiques propulsés par explosion de poudre est en effet généralement de 800 m/s (plus rarement 1 000 m/s), car pour augmenter de 20 % la vitesse d'un obus classique, il faut doubler la masse de poudre. Très peu de données concrètes sont accessibles sur ces recherches confidentielles, qui utilisent désormais des solénoïdes en fil supraconducteur permettant d'atteindre des champs magnétiques de plusieurs teslas.

Dans le domaine spatial, le principe de cet accélérateur électromagnétique est également envisagé pour servir de lanceur spatial, au sol, de satellites. Cette catapulte électromagnétique doit être dans ce cas très longue afin de pouvoir atteindre progressivement la vitesse de satellisation. Autre utilisation : embarqué dans un vaisseau spatial avec une source d'énergie électrique de courant alternatif, ce canon devient un propulseur électromagnétique à plasma à induction par onde magnétique, nommé PMWAC (Propagating Magnetic Wave Plasma Accelerator) ou IDA (Inductive Plasma Accelerator), potentiellement très efficace pour des vols spatiaux.

Présence dans les jeux vidéo

Les canons à accélération magnétique (CAM) des vaisseaux spatiaux, ainsi que les canons équipés sur certains Warthogs, dans l'univers de Halo sont des canons de Gauss. Le jeu vidéo Halo 4 introduit la carabine asymétrique sans recul, qui utilise l'effet Gauss.

Dans le récent jeu DOOM (le quatrième de la fameuse série), parmi les nouveautés se trouve le « Gauss Cannon ».

Le canon de Gauss est présent notamment dans le jeu en ligne Ogame, où il est un très bon système de défense contre les croiseurs. On retrouve aussi le canon de Gauss sous forme de fusil, dans le jeu S.T.A.L.K.E.R ou bien Crysis, où il est là aussi l'une des armes les plus puissantes ainsi que dans des jeux moins récents comme Syndicate ou X-com où il est une des armes humaines les plus puissantes. On le trouve aussi sous la forme d'un pistolet et d'un fusil dans les jeux de rôle post-apocalyptiques Fallout 2, Fallout 3, Fallout 4, Fallout 76 (aussi présence du format minigun), Fallout: New Vegas ou Fallout Shelter (fusil uniquement pour ce dernier) dans lesquels ils sont très puissants. Dans Red Faction, les balles de ce fusil peuvent traverser les murs.

Présent aussi dans Half-Life 1 et 2, sous forme d'une arme à énergie qui envoie des décharges. Dans Halo, il n'est utilisable qu'en tant qu'arme montée sur le buggy. Il est également présent dans l'univers Battletech et mechcommander. Cette technologie est aussi reprise dans le jeu Metal Gear sous forme d'un canon à rampe permettant de lancer des ogives nucléaires furtives. Dans StarCraft, les marines sont armés de fusils Gauss C-14 de 8 mm « Empaleur ». Ainsi que dans la série Mass Effect où la plupart des armes de poing et d'épaule fonctionnent par accélération magnétique des projectiles.

Présent dans le MMO de stratégie Total domination : Reborn où il est une unité de défense faible en attaque à cause de son besoin en énergie énorme. Il ressemble a un mécha à deux jambes et à la place de la tête et des bras, il a un canon.

La série des jeux Quake utilisent, quant à eux, des railguns comme fusil de précision (sniper). On trouve aussi cette arme dans Red Faction. Le railgun, bien qu'étant aussi une arme électromagnétique comme le canon de Gauss, est une variante de celle-ci, son principe de fonctionnement étant différent. Dans l'univers de Warhammer 40000, les guerriers du peuple Eldar, présents dans plusieurs jeux vidéo entre autres, utilisent des armes nommé très justement « catapulte shuriken » projetant des projectiles de type shuriken hi-tech par l'utilisation du principe de Gauss, plus tardivement la race des Tau utilise des railguns dans les chars Hammerhead et les armures broadside. Dans Starcraft 2, jeu de stratégie en temps réel, les Marines de la faction Terran se battent avec des fusils d'assaut à effet Gauss.

Dans Call of Duty: Black Ops 2, il est présent sous la forme d'un fusil de précision appelé Storm PSR. Il est doté d'un viseur à rayons X et d'un indicateur de charge qui permet au joueur de jauger la puissance qu'il souhaite donner au projectile, cela permet de percer des surfaces plus ou moins épaisses afin par exemple, d'atteindre un ennemi caché derrière une simple plaque de métal ou derrière le pilier d'un pont.

Dans PlanetSide 2, la faction du Nouveau Conglomérat utilise principalement des armes basées sur la technologie Gauss (Mercenaire AF-19, GD-7F, Bandit AF-4A, GaussSaw NC06, Railjack AF-8, etc.).

Dans Elite Dangerous, le canon de Gauss est une arme fonctionnant comme un railgun et qui est dédiée au combat contre les Thargoïds.

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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Armes électromagnétiques