L’ONERA propulse le spatial vers des technologies plus vertes

La propulsion des satellites

Le contexte

Si aujourd’hui la propulsion chimique prédomine, depuis quelques années, les industriels du spatial se sont engagés dans le développement de plateformes satellite à système propulsif électrique. Avantageuse en termes de poids, la propulsion électrique fournit néanmoins une poussée limitée, suffisante pour les manœuvres de maintien en orbite, mais qui rallonge la mise à poste. Cette phase peut alors durer plusieurs mois, au lieu d'une vingtaine d'heures avec la propulsion thermique. Une des solutions à l'étude consiste à intégrer à la motorisation électrique un module de propulsion chimique qui servirait à accélérer la phase de mise à poste du satellite, et se détacherait juste avant que le satellite n'atteigne sa position finale.
Actuellement, la mise à poste des satellites par propulsion chimique est assurée par des ergols dérivés de l'hydrazine, que l’Europe envisage à moyen terme d’interdire. Afin d’anticiper cette évolution, tout en optimisant les performances des futures missions spatiales, l’ONERA travaille au développement d’une filière « propulsion verte ». Plusieurs projets innovants sont à l’étude.

Le monergol vert

Le CNES et l’ONERA ont signé un accord en 2016 pour un Programme d’Intérêt Commun (PIC SO PMV) de recherche. L’objectif : développer et qualifier, dans des conditions proches de son environnement applicatif, un démonstrateur de propulseur de satellite conçu pour des petites poussées (de 1 à 10 newtons) et fondé sur un monergol vert, alliant des performances propulsives inédites et une toxicité réduite.
Composé de liquides ioniques originaux, ce nouveau produit permet de s'affranchir de catalyseur, mais requiert le développement de matériaux adaptés à sa température de combustion élevée.

La propulsion hybride

La technologie sur laquelle l'ONERA a commencé à travailler dès les années 1960 est dite "hybride", car elle se situe entre la propulsion solide et la propulsion liquide. Le principe : mettre en présence du polyéthylène (PE), solide, avec de l'eau oxygénée concentrée, liquide, passant à travers un lit catalytique, ce qui provoque une auto-inflammation. C'est l'énergie libérée par cette réaction qui est à l'origine de la poussée du moteur.

Dans le cadre du projet H2020 HYPROGEO, achevé en 2018, le démonstrateur de moteur hybride conçu et testé à l’ONERA, a fonctionné cinq minutes à poussée constante, une première mondiale. L’ONERA a en effet conçu une chambre de combustion axiale innovante à régression compensée par déplacement : le système comprend un cylindre plein renfermant 100 kg de PE, qui brûle pour maintenir constant le volume de la chambre de combustion, même sur de longues durées de fonctionnement.
Les moteurs hybrides pourraient équiper des microlanceurs destinés à la mise sur orbite des cubesats, à 220 km d'altitude environ. Ils pourraient également permettre aux satellites d'effectuer des changements rapides et agiles d’orbite, ou de désorbiter les satellites en fin de vie. En effet, à la différence de la propulsion solide, la technologie hybride permet de contrôler le débit et de moduler ainsi sa poussée.

Les propulseurs électriques

Il existe plusieurs technologies de propulsion électrique, parmi lesquelles la technologie à effet Hall et la technologie à grille, cette dernière étant plus économe en masse mais au prix d'une puissance électrique plus élevée.  Ces technologies, qui permettent d’économiser jusqu’à 40% de la masse d’un satellite géostationnaire, lorqu'il est « tout électrique », relèvent d’une physique complexe, et quelques points sont encore mal compris. L'ONERA travaille au développement des moyens de mesure, ainsi qu'à la modélisation et à la production de codes de calculs, dans le but d'améliorer la compréhension et les performances des propulseurs, d'augmenter leurs durées de vie et de réduire leurs coûts.  
L'ONERA développe également de nouvelles technologies, notamment le propulseur ECRA (Electron Cyclotron Resonance Accelerator). Actuellement développée dans le cadre du projet européen MINOTOR, cette technologie a permis une montée en maturité d'une nouvelle configuration (TRL 4). Celle-ci apporte des performances intéressantes, et se distingue par ses avantage en termes de fiabilité et de coût, entre autres parce qu'elle se passe de neutraliseur. L'ONERA souhaite continuer à accroître la maturité de cette solution qui pourrait contribuer à réduire de manière significative le coût de la propulsion électrique.

L’avenir des lanceurs

La réutilisation des lanceurs est l’une des pistes explorées pour effectuer des lancements à coût réduit, en particulier pour les petits satellites dont le marché est en expansion grâce à la miniaturisation des composants et à la montée en puissance des projets de constellations. Coordonné par l’ONERA, le projet européen Altaïr explore ainsi une solution innovante de lancement aéroporté par un avion automatisé réutilisable, qui largue en altitude un lanceur consommable. L’ONERA se projette également dans l’après Ariane 6, via l’étude du concept de lanceur lourd réutilisable Ariane Next.