La propulsion par laser est un type de propulsion spatiale étudié depuis les années 1970, dans laquelle l'énergie est fournie au véhicule spatial par un laser de forte puissance depuis la Terre ou l'espace. Les travaux sur ce mode de propulsion se sont développés en particulier dans le cadre du projet américain de la guerre des étoiles. Cette technologie est aujourd’hui envisagée dans la propulsion de microsatellites (comme le Lightcraft) et de sondes interstellaires miniatures (Breakthrough Starshot) dans le but de réduire drastiquement le coût de leur mise en orbite.
500px|Un système de lancement laser
Historique Les précurseurs L’idée de la propulsion par laser pour le transport spatial, également désignée par l'acronyme LP [Laser Propulsion] dans la littérature internationale, remonte à 1972. Elle est attribuée à Arthur Kantrowitz, du laboratoire de recherche Avco-Everett, qui propose un concept de véhicule dépourvu de propulseur ou de carburant embarqué, dont l’énergie nécessaire à la propulsion serait fournie par un laser pulsé de forte puissance depuis un site distant, tel qu'un observatoire terrestre ou un satellite en orbite.
Le faisceau laser irradie l’arrière de l’engin, générant un plasma de haute densité utilisé pour produire la poussée. Un miroir parabolique concave placé à l’arrière concentre l’énergie du laser dans une chambre de combustion. Celle-ci, remplie d’air servant de comburant, permet la formation d'un plasma qui et se détend à des vitesses supersoniques, de l’ordre de 10 à 20 km/s. La pression à l’intérieur du plasma peut atteindre plusieurs dizaines d’atmosphères, entrainant la formation d'ondes de choc. En l’absence d’air, le laser peut être focalisé sur un combustible solide. Dans ce cas, la propulsion est assurée par l’éjection de matière par ablation laser. L'objectif de cette technologie est de réduire le coût du kilogramme de charge utile injecté en orbite à une centaine d’euros.
De 1975 à 1980 Cette période a connu les recherches les plus intensives en matière de propulsion par laser. Toutefois, les expérimentations étaient limitées par la puissance des lasers de l’époque.
Les chercheurs (tels que A. Pirri de Physical Sciences Inc. PSI) ont d'abord cherché à obtenir les paramètres de contrôle de ces moteurs propulsés par laser. Pour cela, ils ont travaillé sur un système simple qui consiste à envoyer le faisceau laser (en mode continu) directement dans la tuyère. Ainsi, ils ont fait apparaître les premières corrélations entre l’impulsion spécifique et le coefficient de couplage, qui est le rapport entre l’énergie cinétique du véhicule et l’énergie transmise par le laser. Ils ont aussi mis en évidence l’importance de la stabilité de la zone d’absorption dans la chambre de combustion.
La recherche était aussi divisée sur le type de laser à utiliser : continu ou pulsé.
En continu, les études portaient sur les ondes plasma créées par les lasers (ondes de combustion ou ondes de détonation selon le niveau d’énergie). En particulier, l’idée était de placer le laser à bord du véhicule et de focaliser l’énergie sur l’air en vol atmosphérique et sur de l’hydrogène gazeux hors atmosphère.
En pulsé, la recherche portait sur l’ablation d’une cible solide : le transfert d’énergie à la cible se fait via un plasma opaque induit par laser en quelques nanosecondes. Si la cible est placée dans l’air, le plasma se crée plus rapidement grâce à l’apport d’électrons de la surface de la cible. Le problème était que la durée de la pulsation des lasers de l’époque était supérieure au temps nécessaire à la formation du plasma. Par conséquent, les résultats étaient identiques à ceux des lasers continus. L’ablation laser a donc été abandonnée pendant un certain temps, faute d’avoir des lasers pulsés performants.
À la fin des années 1970, les budgets concernant la propulsion laser ont été largement amputés au profit de la navette spatiale (STS).
De 1986 à 1990 Après une pause de six ans des recherches, un groupe de travail fut organisé en 1986 au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) dans le cadre du SDIO (Strategic Defense Initiative Organization) avec la participation des industriels du secteur spatial (dont Lockheed Martin) et les laboratoires qui avaient mené les expériences sur la propulsion laser. Le but était de faire un point sur l’avancée des technologies à la suite du lancement du programme de Guerre des étoiles, le SDI. En particulier, l’idée était de savoir si le matériel envisagé à l’époque (lasers gigawatt, optique adaptative, etc.) était suffisant pour développer un propulseur avec une Impulsion spécifique (Isp) de 800 s et un rendement de poussée supérieur à 40 % capable d’emporter des charges utiles entre 20 et 100 kg. Après deux ans de réflexion, il s’avéra qu’il était encore trop tôt pour développer un tel système à court terme.
Entre-temps, l’ablation laser avait connu un regain d’intérêt avec l’apparition des lasers pulsés microsecondes et femtosecondes. Ils ont permis de découpler l’action directe du laser de la formation du plasma. Les résultats obtenus laissèrent entrevoir un gain de performance largement amélioré par rapport à la détonation dans l’air.
Mais à nouveau, en 1990, avec l'effilochement du programme SDI, les crédits furent coupés et les chercheurs retournèrent à leurs laboratoires.
De 1995 jusqu’à nos jours En 1995, les études sur le Lightcraft, le premier prototype de véhicule propulsé par laser, prirent de l'ampleur. Ce prototype alla au-delà des espérances, en réalisant non seulement un vol filoguidé en étant capable d’une autonomie totale, grâce à sa stabilité sur le laser. Il battit des records d’altitude (plus de 70 m) et attira l’attention des médias et des scientifiques sur ce genre de propulsion, entamant le renouveau de la propulsion laser.
Historique de la propulsion laser|center
La théorie La propulsion laser par ablation De nombreuses études sont menées en laboratoire pour comprendre les phénomènes mis en jeu dans ce type de propulsion. Les interactions laser-gaz sont déjà mal maîtrisées et la présence d'un solide dans la chaîne de phénomènes ajoute davantage de complexité.
La séquence est la suivante : la lumière est absorbée par les électrons libres grâce au rayonnement continu de freinage inverse. Ces électrons accélèrent et ionisent par impact les atomes voisins. Il s’ensuit que le nombre d’électrons augmente de façon exponentielle à l’intérieur de la cible. L’équilibre de la matière ainsi rompu provoque l’éjection supersonique de particules hautement ionisées.
Seuil d’irradiation
La principale difficulté de l’ablation est le seuil d’irradiation : en effet, pour un atome d’azote, il faut 120 photons pour extraire un électron, soit un seuil d’irradiation de . Pour aller loin, il faut donc avoir un seuil d’irradiation le plus bas possible. Abaisser ce seuil est très difficile avec des combustibles liquides ou gazeux. Certes, les expériences montrent que la présence de surfaces solides réduit considérablement le seuil d’irradiation de l’air. Mais, dans ce cas, il faut avoir un matériau susceptible de résister à l'importante température atteinte par le plasma (au minimum ). L’idée est donc de venir directement ablater le matériau solide qui a un seuil d’irradiation beaucoup plus faible (1000 fois moins que pour les gaz) : la portée du véhicule peut être alors augmentée d'un facteur 100.
Interactions laser-atmosphère
Une autre difficulté vient de l’interaction entre le rayon laser et les couches atmosphériques entre le sol et le véhicule. Le seuil « d’allumage plasma » de l’air est de ; or, les lasers susceptibles d’être utilisés auront une puissance de l’ordre du gigawatt. Afin d'éviter la formation de plasma dans l’atmosphère le long de la trajectoire (à la fois pour des problèmes d’environnement et d’efficacité de la propagation du rayon laser, le plasma réfléchissant la lumière), il faut que le combustible ablaté ait le seuil d’irradiation le plus bas possible.
Les concepts
Breakthrough Starshot Le projet Breakthrough Starshot, lancé en 2016 par Stephen Hawking, Mark Zuckerberg et Iouri Milner, a pour ambition de lancer plusieurs centaines de sondes interplanétaires de 1 gramme environ, propulsées par un ensemble de lasers d'une puissance totale de 100 gigawatts, jusqu'à une vitesse de 20 % de la célérité de la lumière. Cela permettrait de rejoindre Proxima Centauri b, en 20 ans.
Le Lightcraft Les initiateurs de ce projet ont construit un plan d’étude complet qui va de la mise au point en laboratoire des technologies primaires nécessaires à la propulsion laser de l’engin jusqu’aux concepts futuristes de gros-porteur spatial et des « Autoroutes de Lumière » : cela a justifié l'intérêt de l’US Air Force et de la NASA Page officielle de présentation du Lightcraft.
Les objectifs Les applications visées à moyen terme par l’Air Force Research Laboratory et LTI avec le Lightcraft sont le lancement de micro-satellites destinés principalement à l’observation de la Terre Objectifs du Lightcraft sur le site officiel.. L’idée est d’intégrer le moteur à propulsion laser (combinaison mi-aérobie, mi-fusée) dans le satellite ; ainsi, la structure aérodynamique avant du véhicule sert de surface de compression pour l’entrée d’air et l’arrière du véhicule, en forme de miroir parabolique, permet à la fois de focaliser le rayon laser et de détendre l’air surchauffé transformé en plasma. La chambre de combustion proprement dite est constituée par la structure annulaire (cf. schéma ci-contre). Le véhicule, à échelle 1, a un diamètre de focale de 1 m et pèse 2 kg (1 kg à vide et 1 kg de combustible, soit une fraction massique de 0,5). L’énergie est apportée par un rayon laser infrarouge de l'ordre du mégawatt situé sur Terre. Il fonctionne en mode aérobie (en PDE) jusqu’à Mach 5 (soit une altitude de 30 km) puis passe en mode fusée. Une fois en orbite, le Lightcraft utilise son réflecteur de de diamètre pour différents objectifs selon la mission : étude de la Terre (avec une résolution envisagée de 8 à 15 cm), système GPS, télescope astronomique, télécommunications, livraison de composants de secours (ISS ou Shuttle), surveillance. Un tel système apparaît aux yeux des concepteurs comme simple, fiable, sûr et écologique. Les tirs peuvent se faire selon tous azimuts et jusqu’à véhicules par an peuvent être lancés. Le coût d’un lancement est estimé à (avec une production de masse à grande échelle) au lieu de 38 millions de dollars pour un lancement classique sur fusée Pégasus Comparatif entre le Lightcraft et les lanceurs standards.
Le programme LTD a été lancé en 1996 afin de maîtriser cette technologie ; il comprend 5 phases, dont 3 sont déjà réalisées : Phase , Lightcraft Concept Demonstration : démonstration de la validité du concept. Elle s’est achevée en 1998. Phase , Lightcraft Vertical Launches to Extreme Altitudes : en cours et d’une durée de 5 ans. But : faire voler un Lightcraft jusqu’à 30 km d’altitude avec un laser de 100 kW. Phase , Lightcraft Dual Mode Vehicle : durée de 2 ans ; lancer en orbite un Lightcraft.
Vue en coupe du Lightcraft|center
Validation du concept Cette phase a permis de mesurer avec des expériences « simples », l’impulsion du système (à l’aide de pendules), la poussée et la propagation du rayon. Un système électronique de pointage et de suivi a ensuite été développé et testé lors de vols guidés par un fil horizontal. Des tests en soufflerie à faible Mach ont été aussi effectués pour étudier l’écoulement de l’air.
Structure du démonstrateur