Une équipe française a conçu un propulseur spatial à plasma « sans parois »

Une équipe française a conçu un propulseur spatial à plasma « sans parois »

Des chercheurs du CNRS ont testé pour la première fois un système de propulsion d’un type nouveau où la « combustion » se fait à l’extérieur de la tuyère, rallongeant ainsi la durée de vie de ce genre de propulseurs d’un facteur 100 voire 1000. Il s’agit concrètement d’un propulseur à plasma, gaz d’atomes et électrons chauds, ou encore d’un « propulseur électrique à effet Hall« . En réalité, parler de combustion est impropre car les moteurs à plasma ne fonctionnent pas sur le principe d’une réaction chimique explosive (combustion) entre ergols, comme les moteurs classiques utilisés dans les lanceurs comme Ariane, Soyouz, Ares, etc. Ici, il s’agit d’accélérer des atomes au moyen de champs magnétiques.

Schéma de principe du fonctionnement d’un moteur à plasma

Il n’est pas encore envisagé de remplacer les moteurs des lanceurs par la technologie à plasma car les poussées obtenues sont trop faibles pour arracher une masse de plusieurs centaines de tonnes de la surface de la Terre : la meilleure propulsion à plasma peut développer une poussée de quelques newtons (N) contre 4 à 14 millions de newtons (MN) pour Soyouz ou Ariane. Mais ces propulseurs sont idéaux pour voyager dans le vide cosmique (une fois mis en orbite). De nombreux satellites, sondes et autres engins spatiaux se servent déjà de la propulsion à plasma, et la recherche spatiale est extrêmement active dans ce domaine.

Suite et fin de l'article

J'ai vu une photo analogue dans une revue scientifique il y a déjà 46 ans !

Donc cette "invention n'est pas récente.

Elle ne pourra percer que si on dispose d'une source d'énergie électrique puissante. (réacteur nucléaire)

Cette propulsion ne peut être utilisée près de la Terre car la poussée est insignifiante. En revanche appliquée sur de très grandes distances, elle pourrait grandement raccourcir la durée des voyages.

Ah je n'en doute pas, pour la photo !

L'idée n'est pas récente, cela dit. Pour l'invention en elle-même, je ne sais pas. Mais ce qui est important, c'est ce qui est entre guillemets, d'après ce que j'en ai compris.

Pour ce qui est de l'énergie électrique puissante et de son application éventuelle, c'est effectivement ce qu'ils expliquent dans la suite de l'article :)

génial :)

Bonjour,

Je n'ai pas tout lu, mais ce système ressemble beaucoup aux système MAD et MHD (magnéto aéro/hydro dynmaiques). Ces types de systèmes avaient été imaginés pour fonctionner en invironnment fluide (liquide ou gaz), mais je ne savais pas qu'on les développait aussi pour des applications sous vide.

En milieu fluide, cette technologie aurait l'avantage certain de "pomper" le fluide (pour le ioniser et générer le plasma) à l'entrée du réacteur résuisant ainsi au passage considérablement les forttement.

La puissance est donc certe relativement faible, mais rendement global serait particulièrement élevé.

A ma connaissance, il s'agit du premier prototype qu'on réussi à fabriquer (même si certains, comme Jean-Pierre Petit, suspectent la NASA d'avoir déjà réussi à mettre au point ces systèmes depuis longtemps. Théorie rejettée par la communauté scientifique, entre autre car JP Petit semble convaincu que la NASA n'aurait pu réussir l'exploit sans posséder un prototype d'origine extra terrestre...... si si ^^).

A ma connaissance toujours, l'une des principales difficultés est la stabilisation d'un plasma (chose complexe car nécessitant une très bonne maitrise du milieu : les atomes ionisés ayant la facheuse habitude de vouloir réagir avec tout et n'importe quoi... Sales bêtes... ). Pour maitriser ces milieu, on génère souvent le plasma "sous vide" (vide, à l'exeption bien sûr des particules ionisée). La couleur bleue de ce plasma me fait dire qu'il s'agit peut être d'un plasma d'argon, autre paramètre important donc : la stabilité du noyeu (les gaz noble étant plus stables).

Bref, en théorie, c'est vrai qu'on y pense depuis longtemps. Le tokamak est l'un des premier exemple d'utilisation d'une technologie similaire, (servant à accéler les noyeaux pour qu'ils entrent en collision). La complexité technique d'un tokamak est une bonne idée de la complexité de la mise en oeuvre pratique d'un tel réacteur, ce qui explique certainement que si l'idée existe depuis longtemps, sa réalisation pratique n'en n'est pas moins un exploit.

Vala vala... :)

Bonjour,

Je n'ai pas tout lu, mais ce système ressemble beaucoup aux système MAD et MHD (magnéto aéro/hydro dynmaiques). Ces types de systèmes avaient été imaginés pour fonctionner en invironnment fluide (liquide ou gaz), mais je ne savais pas qu'on les développait aussi pour des applications sous vide.

En milieu fluide, cette technologie aurait l'avantage certain de "pomper" le fluide (pour le ioniser et générer le plasma) à l'entrée du réacteur résuisant ainsi au passage considérablement les forttement.

Où est-ce que les frottements seraient-ils diminués ?

Je ne comprends pas ce qui fait la différence de puissance entre les deux moteurs (celui-ci et les turbomoteurs à combustion). A vrai dire, la poussée étant basée sur le transfert de quantité de mouvement entre le jet et l'air ambiant par action-réaction, on s'attendrait à ce que la puissance du jet soit pilotée par la vitesse de sortie des particules (ici le plasma) puisqu'il n'y a pas une différence notable de masse entre les particules du gaz brûlants et les atomes ionisés du plasma (du moins, je pense qu'un ion et une molécule basique ont une masse du même ordre de grandeur).

Eclaire-moi, car dans le document proposé, il n'y a malheureusement pas de chiffres.

Je veux te donner une réponse scientifique. Je me permets donc de prendre le temps de replonger dans mon bouquin de MHD (ce sera une bonne occasion...)

Où est-ce que les frottements seraient-ils diminués ?

Je ne comprends pas ce qui fait la différence de puissance entre les deux moteurs (celui-ci et les turbomoteurs à combustion). A vrai dire, la poussée étant basée sur le transfert de quantité de mouvement entre le jet et l'air ambiant par action-réaction, on s'attendrait à ce que la puissance du jet soit pilotée par la vitesse de sortie des particules (ici le plasma) puisqu'il n'y a pas une différence notable de masse entre les particules du gaz brûlants et les atomes ionisés du plasma (du moins, je pense qu'un ion et une molécule basique ont une masse du même ordre de grandeur).

Eclaire-moi, car dans le document proposé, il n'y a malheureusement pas de chiffres.

Tu n'as pas honte ? Le faire réviser ainsi, le pauvre homme !

On attend ta réponse

Où est-ce que les frottements seraient-ils diminués ?

Je ne comprends pas ce qui fait la différence de puissance entre les deux moteurs (celui-ci et les turbomoteurs à combustion). A vrai dire, la poussée étant basée sur le transfert de quantité de mouvement entre le jet et l'air ambiant par action-réaction, on s'attendrait à ce que la puissance du jet soit pilotée par la vitesse de sortie des particules (ici le plasma) puisqu'il n'y a pas une différence notable de masse entre les particules du gaz brûlants et les atomes ionisés du plasma (du moins, je pense qu'un ion et une molécule basique ont une masse du même ordre de grandeur).

Eclaire-moi, car dans le document proposé, il n'y a malheureusement pas de chiffres.

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La vitesse finale d'une fusée est donnée par la formule V finale = V gaz x 2,3 log m/M

dans les fusées à combustion V gaz = 2 000 m/s et le rapport des masses m/M = 1/80.

Au final, en combinant les étages on peut lancer un satellite à la vitesse de 7800 m/s avec un moteur éjectant à 2000 m/s.

Avec une fusée ionique décrite en introduction, la vitesse du plasma atteint 100000 m/s soit 50 fois plus vite. En revanche le rapport des masses est très faible. quelques 1/1000

Au final si le moteur fonctionne assez longtemps la vitesse de la fusée peut atteindre 100 km/s.

Ce qui raccourcit de plusieurs mois la durée d'un vol vers Mars.

En revanche, la poussée étant très faible, ce moteur ne fonctionne bien que dans le vide et lorsqu'un moteur fusée traditionnel l'a déjà placé sur orbite terrestre.

Enfin seul un moteur nucléaire est actuellement capable d'avoir l'énergie massique suffisante pour alimenter ce genre de moteur ionique.

Où est-ce que les frottements seraient-ils diminués ?

Je ne comprends pas ce qui fait la différence de puissance entre les deux moteurs (celui-ci et les turbomoteurs à combustion). A vrai dire, la poussée étant basée sur le transfert de quantité de mouvement entre le jet et l'air ambiant par action-réaction, on s'attendrait à ce que la puissance du jet soit pilotée par la vitesse de sortie des particules (ici le plasma) puisqu'il n'y a pas une différence notable de masse entre les particules du gaz brûlants et les atomes ionisés du plasma (du moins, je pense qu'un ion et une molécule basique ont une masse du même ordre de grandeur).

Eclaire-moi, car dans le document proposé, il n'y a malheureusement pas de chiffres.

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Un moteur fusée fonctionne par "réaction"

à tout moment le produit m gaz x V gaz = v fusée x Masse fusée

en écriture vectorielle, il y a conservation de la quantité de mouvement.

donc dans un moteur ionique la vitesse d'éjection des gaz ionisé est énorme tandis que la masse éjectée est faible.

la dépense d'énergie totale pour faire le parcours sera la m^me qu'avec un lancement avec fusée à combustion mai sen revanche on peut avoir des vitesses très supérieures aux vitesses actuelles pou rles voyages lointains. donc un voyage vers mars consisterait d'abord à se satelliser avec une fusée classique puis utiliser en fonctionnement continu le moteur ionique. la durée du voyages en serait notoirement diminuée de plusieurs mois

Enfin, seul un moteur nucléaire est actuellement capable d'avoir l'énergie massique suffisante pour alimenter ce genre de moteur ionique.

Tu n'es pas clair, Repy : m est la masse de quoi ? M est la masse de quoi ?

V_finale est-elle la vitesse de la fusée lorsqu'elle n'a plus de carburant à brûler ?

D'où obtiens-tu cette formule (qui semble s'appliquer à un cas très particulier) de poussée : V_finale = V_gaz x 2,3 log m/M ?

Mes calculs, partant d'un bilan de la quantité de mouvement, me donnent (à t_f où il n'y a plus de carburant à brûler) :

V_fusée(t_f) = -g*m_0/a + V_fusée(t=0) + u*ln((M_0 + m_0)/M_0)

avec a le débit massique de gaz supposé constant, g l'accélération de la pesanteur sur Terre (qu'on peut prendre à 9,8 m.s-²), M_0 la masse initiale de la fusée, sans carburant, et m_0 la masse initiale de carburant contenue dans le réservoir de la fusée, M_0 + m_0 étant donc la masse totale de la fusée à t=0.

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Merryh, dans la première formule m est la masse finale et M est la masse initiale de la fusée.

Ton calcul n'est pas valable parce que le mouvement d'une fusée ne se fait pas avec une accélération constante mais avec une accélération qui augmente continuellement en raison de la masse du carburant qui diminue. Cette formule découle d'une intégration.

En conséquence la vitesse finale d'une fusée dépend de la vitesse d'éjection des gaz et du rapport des masses.

Pour le rapport des masses : on allège au maximum les masses inutile à la fin ( réservoirs) et on décompose la fusée en plusieurs étages.

Côté vitesse d'éjection il y a un aspect thermodynamique intéressant à énergie de combustion égale. Plus les molécules éjectées sont petites et plus cette vitesse d'éjection est grande. D'où le recours systématique au moteur à hydrogène plutôt que le moteur à kérosène. Dans le premier cas on éjecte des molécules d'eau H²O qui pèsent 18 tandis que dans le second on éjecte à la fois H²O et du CO² qui pèse 44

Mais pour maîtriser l'hydrogène liquide à -256°C et le lancer dans la chambre de combustion, la cascade des problèmes à résoudre est énorme et réservée à l'élite industrielle de quelques pays !

Parmi ces problèmes :

- porosité des parois métalliques à cette petite molécule H²

- très faible masse volumique d'où réservoirs énormes

- très faible inertie et viscosité ( coup de bélier dans les tuyauteries)

- les joints d'étanchéité habituels deviennent cassants aux très basses températures.

- réactivité avec de nombreux métaux pour donner des hydrures friables.

- ........

Donc le moteur à hydrogène est thermodynamiquement le meilleur des moteurs fusée à combustion mais c'est aussi le plus cher et le plus difficile à mettre au point

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Merryh, dans la première formule m est la masse finale et M est la masse initiale de la fusée.

Ton calcul n'est pas valable parce que le mouvement d'une fusée ne se fait pas avec une accélération constante mais avec une accélération qui augmente continuellement en raison de la masse du carburant qui diminue.

Tu n'as pas pris en compte que mon résultat est la vitesse au moment précis où il n'y a plus de carburant. Car le résultat en fonction du temps est :

V_fusée(t) = -gt + V_fusée(t=0) + u*ln[(M_tot,i)/(M_tot,i - at)] avec M_tot,i = M_0 + m_0 la masse totale initiale.

En dérivant ceci par rapport au temps, on constate bien que ce n'est pas une constante, comme tu le prétendais.

Par contre, le tien le laisse supposer...

Par contre, pour le reste, je suis d'accord.

Ma formule est celle que le russe Tsiolkovsky a élaborée en 1905 pour annoncer l'utilisation des fusées....30 à 40 ans plus tard !

Cette formule est la version simplifiée loin de la Terre en négligeant le travail de la pesanteur terrestre.

regarde sur Wikipédia à la rubrique "équation de Tsiolkowsky"

(sorry! j'ai oublié de mettre un signe moins ou d'inverser m et M)

Nous obtenons la même chose modulo le -gt (terme petit devant u et a fortiori u*ln[(M_0+m_0)/(M_0+m_0-at)]) et le fait que tu n'aies pas détaillé ton M et ton m.

la formule de Tsiolkowsky je la connais depuis 50 ans et donc je ne pensais pas que t'intéressant au spatial tu puisses l'ignorer !

Ce qui compte est de savoir que quelque soit le moyen de propulsion, chimique ou à plasma, il faut autant d'énergie dans les deux cas. L'énergie cinétique nécessaire pour entrer dans un champ de gravitation est indépendante du mode de propulsion.

En revanche un réacteur nucléaire à haute température qui éjecterait des molécules petites pendant assez longtemps permettrait de faire de très longs voyages en raccourcissant considérablement leur durée.

Reste à trouver le blindage léger pour mettre l'équipage et l'électronique à l'abri des rayonnements.

la formule de Tsiolkowsky je la connais depuis 50 ans et donc je ne pensais pas que t'intéressant au spatial tu puisses l'ignorer !

Je ne m'intéresse pas qu'au spatial, en fait. Je pourrai tout aussi bien faire de l'hydraulique, de l'énergétique et de la simulation numérique.

A vrai dire, je ne m'intéresse pas trop à connaître les noms des formules dans mon cursus - je pense que c'est plutôt l'apanage des universitaires - mais à les montrer pour les utiliser dans des cas précis (donc devoir repasser par la modélisation du phénomène, dans un but d'apprentissage du sens physique), du coup je connaissais une méthode pour arriver à une formule un peu plus élaborée que celle de Tsiolkowsky, mais je ne savais pas que le premier à l'avoir proposé était Tsiolkowsky !

Ce qui compte est de savoir que quelque soit le moyen de propulsion, chimique ou à plasma, il faut autant d'énergie dans les deux cas. L'énergie cinétique nécessaire pour entrer dans un champ de gravitation est indépendante du mode de propulsion.

En revanche un réacteur nucléaire à haute température qui éjecterait des molécules petites pendant assez longtemps permettrait de faire de très longs voyages en raccourcissant considérablement leur durée.

Reste à trouver le blindage léger pour mettre l'équipage et l'électronique à l'abri des rayonnements.

Si je comprends bien, nous n'utiliserons donc pas autant d'énergie à fournir la même poussée dans un cas ou dans l'autre cas ! Tu le disais toi-même, tout dépend du rendement thermodynamique qui peut être plus ou moins élevé selon les cycles utilisés et/ou la technologie employée !

Et c'est ce qui m'intéresse ici : Qu'est-ce qui ferait qu'un moteur à plasma serait moins puissant s'il a un rendement supérieur ?

L'énergie cinétique nécessaire pour entrer dans un champ de gravitation est indépendante du mode de propulsion.

Mais elle est dépendante du poids de l'objet déployé D'où l'intérêt d'étager la fusée pour libérer de la masse lestante.

Au fait, Répy, en ce qui concerne les réacteurs nucléaires, j'avais vu un article à propos d'un moyen de propulsion spatial se basant sur des ondes de compression dans un réacteur nucléaire.

Cela date de plus de trois ans, je vais essayer de te retrouver ça

A défaut d'avoir retrouvé le document, voici la rediffusion du lancement d'Ariane :

http://www.arianespace.tv/