vignette|Schéma du principe de fonctionnement du moteur VASIMR avec des champs et des rayonnements électromagnétiques. La propulsion magnéto-plasmique à impulsion spécifique variable ou VASIMR (acronyme en anglais de ) est un type de propulseur spatial à plasma. Il utilise des champs et des rayonnements électromagnétiques variables (sans électrodes) pour chauffer, ioniser et accélérer un gaz (hydrogène, argon ou hélium).
La VASIMR est une solution polyvalente, alternative aux deux systèmes spécialisés existants que sont les propulseurs à haute poussée et à faible impulsion spécifique (comme les moteurs-fusées à propulsion chimique) d'un côté, et les propulseurs à faible poussée et à haute impulsion spécifique (comme les moteurs ioniques) de l'autre, car il est capable de fonctionner dans les deux modes en ajustant à tout moment ses paramètres de fonctionnement.
Principe
La propulsion magnéto-plasmique à impulsion spécifique variable présente la particularité de faire appel aux trois aspects de la propulsion électrique The potential of plasma ; Rapid Mars Transits With Exhaust-Modulated Plasma Propulsion , F.R. Chang-Díaz, M.M. Hsu, E. Braden, I. Johnson, T. Fang Yang, NASA Technical Paper 3539, mars 1995 : Chauffage par induction électromagnétique et détente du gaz (propulsion électrothermique) ; Ionisation et accélération des ions du plasma dans un champ électrique induit (propulsion ionique) ; Confinement de plasma interne, guidage et contrôle du jet externe par champ magnétique (propulsion électromagnétique).
centré|vignette|500px|Schéma de VASIMR en coupe :1. Le gaz neutre (hydrogène ou hélium) est injecté en entrée du dispositif.2. Un tube en quartz recueille et confine ce gaz neutre avant son ionisation.3. Une « antenne hélicon » spéciale pré-ionise le gaz (chauffage à ) à l'aide de radiofréquences émises dans un champ magnétique axial (rayonnement hélicon excitant les électrons).4. Le plasma est confiné à distance de la paroi par des solénoïdes entourant la chambre cylindrique, créant un champ magnétique axial dans l'enceinte.5. Une « antenne ICRH » () ionise totalement le plasma en le portant à très haute température () et engendre un champ électrique induit qui accélère les ions en une trajectoire hélicoïdale vers la sortie. C'est le booster principal.6. Une « tuyère magnétique » en sortie contrôle le jet de plasma en modelant axialement la trajectoire des ions.
Cette tuyère à « géométrie magnétique variable » permet de faire varier l'impulsion spécifique et la poussée à puissance constante, en modulant l'intensité du champ magnétique et la géométrie de ses lignes de champ. Une analogie consiste à assimiler cette tuyère magnétique à la boîte de vitesses d'un véhicule, dont le moteur serait alimenté en combustible à régime constant.
Recherches actuelles et futures vignette|Illustration d'un vaisseau interplanétaire futuriste à propulsion magnéto-plasmique à impulsion spécifique variable.Le concept théorique de la propulsion magnéto-plasmique à impulsion spécifique variable a été inventé à la fin des années 1970 par l'astronaute et physicien des plasmas Franklin Chang-Díaz Franklin R. Chang-Díaz Biographical Data, sur jsc.nasa.gov, qui l'étudia d'abord au puis au du MIT et enfin à l'ASPL () fondé à cet effet en au JSC de la NASA, qui détient un prototype expérimental.
De multiples universités et organisations contribuent au programme VASIMR, en plus de la NASA : le MIT, l'Université du Texas à Austin Theoretical components of the VASIMR plasma propulsion concept , A.V. Arefiev, B.N. Breizman, Institute for Fusion Studies, University of Texas, Austin, 18 janvier 2004, le Laboratoire national de Los Alamos, le centre de vol spatial Marshall, l'université Rice, l'université de Houston, l'université du Michigan et le Laboratoire national d'Oak Ridge. Afin d'accélérer le développement et la commercialisation des moteurs VASIMR, Chang-Díaz a créé en 2006, avec le soutien de la NASA et de toutes ces organisations, l'entreprise AD Astra Rocket Agreement to Commercialize Advanced NASA Rocket Concept; Former Astronaut Franklin-Chang Diaz to Lead Effort, Johnson Space Center, Press Release, 23 janvier 2006, basée à Houston aux É.-U. et à Guanacaste au Costa Rica.
En 2006, on annonce qu'en 2007, un nouveau prototype va être construit au Costa Rica. Ce prototype, le VX-200, a été testé avec succès en dans une chambre à vide. Des expérimentations à bord de la station spatiale internationale étaient programmées pour 2010 et 2011, puis repoussées à 2013, mais n'ont pas eu lieu.
Les premières réalisations industrielles doivent produire des impulsions spécifiques de (correspondant à des vitesses d'éjection allant de 10 à ), et des poussées de 10 à . Bien que de très grandes poussées puissent potentiellement être atteintes avec VASIMR, le poids important des systèmes d'ionisation et de confinement du plasma empêcherait son utilisation là où un ratio puissance/poids élevé est nécessaire, par exemple pour le décollage depuis la surface de planètes, zone de forte gravité. Les progrès dans ce domaine sont néanmoins rapides, avec une diminution de la masse des électroaimants d'un facteur de 30 depuis les premières expériences, grâce aux matériaux supraconducteurs à haute température critique.
Les ondes radio et les champs magnétiques sont fournis par une source d'énergie électrique de quelques centaines de kilowatts pour les prototypes, idéalement de plusieurs mégawatts pour un vaisseau interplanétaire. Cette source d'énergie serait en 2008 la fission nucléaire. Avec l'amélioration de ces sources d'énergie compactes, il est envisagé de remplacer les propergols légers que sont l'hydrogène ou l'hélium par un plasma plus dense d'argon ou de xénon (un vaisseau de , alimentant un propulseur VASIMR avec , mettrait Mars à seulement de voyage de la Terre « Earth to Mars in 39 Days? » , Astronomy & Space, , juillet 2006). En élargissant cette idée et bien que cela ne soit pas réaliste à court terme, il est également théoriquement possible que le concept VASIMR puisse un jour s'articuler autour d'un plasma de fusion constituant lui-même le propulsif. L'apport calorique de la fusion, et donc la poussée, serait dans ce cas notablement plus élevé par rapport à un chauffage électrique ou électromagnétique.
En , la fusée à plasma VASIMR VX-200SS d' Ad Astra Rocket Company a fait l'objet d'un nouvel essai. Le moteur VASIMR a été testé à une puissance de 80 KW sur plusieurs jours, soit un objectif d'endurance haute puissance comme le définit la NASA. Le fonctionnement continu du moteur pendant 88 heures a marqué un succès pour l'entreprise. La fusée fonctionne grâce à la propulsion nucléaire électrique (NEP). Cette technologie permet d'envisager des missions commerciales mais aussi des missions habitées rapides vers Mars. L'intérêt de ce moteur réside dans son rendement énergétique dix fois supérieur à celui d'une fusée chimique.
Notes et références
Voir aussi
Bibliographie
« La fusée VASIMR », Pour la Science, ISSN 0153-4092, n°279, pp. 50-59, 2001 « Mars en 39 jours grâce à un nouveau moteur spatial », Ciel et Espace, ISSN 0373-9139, n°477, pp. 10-13,
Articles connexes Accélérateur MHD Magnétohydrodynamique Propulseur magnétoplasmadynamique Propulsion électrique Propulsion spatiale
Liens externes Mars : Les moteurs du voyage par Richard Heidmann sur Futura-Sciences.com Propulsion Systems of the Future sur le site de la NASA ASPL (Advanced Space Propulsion Laboratory) sur le site web de la NASA Three-phase electric arc plasma torches "Star" – Keldysh Research Center official web page
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