SMART-1 : Un satellite qui préfigure l'avenir

Représentation artistique de SMART-1
23 septembre 2003

ESA INFO 16-2003. Un moteur très efficace, une place accrue pour les instruments, des performances améliorées et un coût réduit: toutes ces qualités font de SMART-1, le satellite que l'Agence spatiale européenne s'apprête à lancer dans la nuit du 27 au 28 septembre.

Un véhicule spatial beaucoup plus petit, moins cher et à de nombreux égards plus performant que les satellites classiques. Son secret réside dans l'utilisation d'un certain nombre de nouvelles technologies qui seront bientôt indispensables aux véhicules spatiaux de nouvelle génération. Mais l'aventure ne sera pas réservée aux seuls ingénieurs. Les scientifiques y trouveront également leur compte, eux qui attendent avec tout autant d'impatience le départ de cette première mission européenne vers la Lune.

SMART-1 constitue la première d'une série de "petites missions de recherche et technologie de pointe" (Small Missions for Advanced Research in Technology) destinées à tester de nouvelles techniques pour les futurs satellites. Dans le cas de cette mission inaugurale, il s'agira principalement d'un système expérimental de "propulsion hélio-électrique" et de la miniaturisation des instruments et de la plate forme satellitaire. Réunies, toutes ces technologies permettent au satellite de présenter des caractéristiques révolutionnaires : taille réduite, légèreté, possibilité d'emporter davantage d'instruments scientifiques, moindre consommation de carburant. Toutes ces qualités permettent de réduire considérablement le coût d'une mission.

"Plus de science pour moins d'argent" : tel pourrait être le mot d'ordre qui résume cette nouvelle philosophie. Bien qu'entièrement novateur, le développement de SMART-1 n'a demandé qu'un peu moins de quatre ans et le budget de la mission ne s'élève qu'à 110 millions d'€, soit moins du cinquième des crédits habituellement consacrés par l'ESA à ses grands projets scientifiques. Cette somme couvre les services de lancement, l'exploitation du satellite et la réalisation d'une bonne dizaine d'expériences scientifiques. Ce résultat a été partiellement obtenu par l'introduction de nouvelles méthodes de gestion (équipes moins nombreuses au sein de l'ESA comme de l'industrie) et partiellement grâce aux caractéristiques même de SMART-1 (miniaturisation, conception nouvelle).

SMART-1 artist's impression
SMART-1

Le responsable du projet, Giuseppe Racca, explique : "Quel a été notre secret ? Tout d'abord le raccourcissement de la phase de développement a permis de diminuer les dépenses. Ensuite le fait que SMART-1 soit un petit satellite - ce qui était l'une des exigences de cette mission destinée à tester des équipements miniaturisés - nous a autorisés à "partager" un vol commercial d'Ariane avec deux autres passagers. Enfin, n'ayant pas à subir les contraintes d'une conception déjà existante, nous avons pu nous montrer innovants et optimiser l'architecture de notre satellite. La nouvelle architecture électrique de SMART-1 a par exemple permis de simplifier considérablement les essais au niveau système."

Pour un satellite capable de recueillir autant de données scientifiques et technologiques SMART-1 s'apparente à un jouet : son volume est d'un mètre cube à peine pour un poids de 367 kilos et une envergure - panneaux solaires déployés - d'environ 14 mètres.

Le projet SMART-1 est également innovant sur le plan de la politique industrielle. Il constitue un bon exemple de mission ESA dont le développement est confié à un maître d'œuvre de taille relativement modeste, en l'occurrence la Swedish Space Corporation (SSC). "L'objectif de l'ESA consistant à favoriser un paysage industriel équilibré en Europe et l'expérience acquise par la SSC dans des projets ayant connu une grande réussite au niveau national ont été des facteurs déterminants dans la décision que nous avons prise" précise Niels Jensen au nom de la Direction des Affaires industrielles et des Programmes technologiques de l'ESA.

Artist's impression of SMART-1 ion engine
Représentation artistique d'un moteur ionique de SMART-1

La magie des moteurs ioniques

La propulsion "hélio-électrique", l'une des principales technologies testées par SMART-1, repose sur l'utilisation de moteurs dits "ioniques". Ces moteurs fonctionnent en expulsant vers l'arrière un faisceau continu de particules chargées - des ions - ce qui crée une poussée en direction opposée et permet de mouvoir les satellites vers l'avant. L'énergie nécessaire à ces moteurs est fournie par des panneaux solaires, d'où le qualificatif d'hélio-électrique attribué à ce mode de propulsion.

Les ingénieurs travaillent depuis plusieurs dizaines d'années à la mise au point des moteurs ioniques, mais ce n'est que récemment qu'ils ont pu surmonter les obstacles suscités par des facteurs tels que la faible puissance fournie par les panneaux solaires. Jusqu'ici, la propulsion hélio-électrique a surtout été utilisée à des fins de contrôle d'attitude et de correction d'orbite. Mais récemment, c'est le moteur ionique équipant le satellite de télécommunications de l'ESA Artémis qui a contribué à sauver la mission. Ce satellite avait en effet été placé sur une mauvaise orbite par son lanceur et seule l'utilisation de ce moteur - simplement conçu au départ pour maintenir la plate-forme à poste - a permis de le placer, lentement mais sûrement, sur son orbite de travail.

SMART-1 sera le premier satellite européen à utiliser la propulsion hélio-électrique comme principal mode de propulsion et à exploiter les immenses avantages qu'elle présente. Les propulseurs ioniques sont avant tout très efficaces : l'impulsion qu'ils délivrent est dix fois plus importante par kilogramme de carburant que celle des moteurs classiques. Cela permet de réduire considérablement la masse de carburant transporté par le satellite et donc d'augmenter en proportion la place ou le poids dévolu aux instruments scientifiques. Ils autorisent également la définition de trajectoires permettant de voyager plus rapidement à de très longues distances, et ouvrent ainsi la porte à une véritable exploration de l'espace lointain. Autre avantage présenté par ces moteurs : ils permettent de diriger les satellites de manière extrêmement fine, ce qui est indispensable aux missions visant un objectif très précis.

Tous ces avantages découlent du fait que les moteurs ioniques ont une poussée très faible. Le moteur de SMART-1 produira une accélération d'à peine 0,2 mm/s², en imprimant au satellite une poussée équivalent au poids d'une carte postale. C'est la raison pour laquelle il est impossible d'utiliser la propulsion hélio-électrique pour faire décoller une fusée. Ce type de propulsion ne fonctionne que dans le vide spatial, mais il est idéal pour les destinations lointaines. Contrairement aux fusées traditionnelles à propulsion chimique, dont les ergols s'épuisent en quelques minutes, les moteurs ioniques peuvent fonctionner pendant des années, aussi longtemps que les panneaux solaires peuvent leur fournir de l'électricité. La "tortue" ionique devrait ainsi finir par rattraper le "lièvre" chimique.

Testing solar electric propulsion and studying the Moon
SMART-1: une mission lunaire pour tester un moteur ionique

Les missions interplanétaires, qui durent de nombreux mois et sont gourmandes en énergie, seront certainement les premières à bénéficier des avantages procurés par la propulsion hélio-électrique. Normalement, de telles missions nécessitent le stockage à bord de grandes quantités de carburant chimique, ce qui laisse peu de place aux instruments scientifiques. Elles sont en outre obligées de recourir au maximum aux manœuvres dites "d'assistance gravitationnelle" pour économiser leur énergie, ce qui rend leurs trajectoires spatiales plus longues et plus complexes. La propulsion hélio-électrique permet ainsi de diminuer considérablement les stocks de carburant, d'augmenter la place laissée aux instruments et d'éviter les manœuvres compliquées d'assistance gravitationnelle. Ces avantages s'avèrent toutefois moins probants sur les courtes distances, comme le trajet Terre - Lune.

Dans ces conditions, pourquoi avoir choisi une mission lunaire pour tester un moteur ionique ? La réponse est triple. La Lune constitue tout d'abord un objectif scientifique de premier choix. Ensuite, SMART-1 pourra partager le coût d'emport sur Ariane-5 avec deux autres "passagers" à destination de l'orbite de transfert géostationnaire (GTO) d'où il est possible de gagner la Lune. Enfin, et c'est là l'un des facteurs essentiels, la trajectoire en spirale nécessaire pour transférer SMART-1 de l'orbite GTO à son orbite lunaire est longue et complexe, ce qui permettra de tester le moteur ionique dans des conditions véritablement représentatives des futures missions dans l'espace lointain.

Des retombées bénéfiques pour l'ensemble du secteur spatial

La mise au point des technologies testées sur SMART-1 représente un investissement stratégique pour l'ESA. L'Agence a notamment suivi directement le développement du mode de propulsion hélio-électrique de la mission. L'expérience acquise avec SMART-1 aura des retombées dans de nombreux domaines des technologies spatiales et contribuera à la préparation de ses futurs programmes.

C'est ce qu'explique Denis Estublier, ingénieur à l'ESA : "La mission SMART-1 apportera des réponses à des questions techniques qui concernent l'ensemble du secteur spatial. Elle permettra notamment de tester l'utilisation et la durée de vie des propulseurs électriques dans l'espace, les méthodes de contrôle au sol d'un véhicule spatial subissant une poussée quasi-continue, les performances de panneaux solaires dans les ceintures de radiation, ainsi que l'interaction du faisceau ionique avec la surface et les instruments du satellite."

De nombreux types de satellites, y compris les satellites de télécommunications commerciaux, pourront bénéficier de ces progrès technologiques. Les moteurs ioniques trouveront une application immédiate dans de futures missions scientifiques lointaines de l'ESA, qu'il serait impossible de lancer en utilisant des véhicules spatiaux à propulsion chimique traditionnelle, ceux-ci se trouvant dans l'incapacité de transporter la charge utile nécessaire. On pourra, dans le cas d'autres satellites scientifiques, se reposer entièrement sur le contrôle précis autorisé par la poussée très douce des moteurs ioniques.

Night image of Kourou
Le départ de SMART-1 aura lieu à Kourou

Le départ de SMART-1 aura lieu le Samedi 27 septembre à 08:02 p.m., heure de Kourou (Dimanche 28 septembre à 01h02 a.m., heure de Paris sur la base de lancement européenne de Kourou (Guyane) à bord d'une Ariane-5. La première partie de l'aventure sera plutôt réservée aux ingénieurs, appelés à vérifier le bon fonctionnement des nouvelles technologies utilisées par la sonde. Les chercheurs quant à eux n'interviendront véritablement qu'à partir du mois de décembre 2004, lorsque SMART-1 aura atteint le voisinage de la Lune. Les instruments scientifiques les aideront alors à élucider des questions aussi fondamentales que l'origine de la Lune, la présence d'eau sur notre satellite ou la possibilité d'installer une base humaine permanente à sa surface.

Note aux rédactions

La mission SMART-1 a été développée pour le compte de l'ESA par la Swedish Space Corporation (SSC), en tant que maître d'œuvre, avec la contribution d'environ 30 contractants venant de 11 États européens et des États-Unis. La charge utile scientifique du satellite pèse 19 kg au total et comprend des expériences conçues par des chercheurs venus de Finlande, d'Allemagne, d'Italie, de Suisse et du Royaume-Uni.

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Giuseppe Racca, Chef du projet SMART-1 à l'ESA,
Direction du Programme scientifique,
Tél. : +31 71 565 4618
E-mail: Giuseppe.Racca@esa.int

Bernard Foing, Responsable scientifique du projet SMART-1 à l'ESA,
Direction du Programme scientifique,
Tél. : + 31 71 565 5647
E-mail: Bernard.Foing@esa.int

Niels Jensen,
Direction des Affaires industrielles et des Programmes technologiques de l'ESA
Tél. : +31 71 565 3932
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