Propulsion ultra-rapide pour les satellites
150'000 tours par minute à donner le vertige : des chercheurs de l'ETH Zurich et du spin-off de l'ETH Celeroton ont mis au point un entra?nement électrique ultra-rapide à palier magnétique pour roues de réaction. La vitesse de rotation élevée permet une forte miniaturisation du système d'entra?nement et le rend intéressant pour une utilisation dans des petits satellites.
"En fait, il n'y a pas grand-chose de nouveau là-dedans", déclare modestement Arda Tüysüz, postdoctorant au Power Electronic Systems Laboratory (PES) de l'ETH Zurich. L'électronique, le palier magnétique, le principe physique de base - tout cela a déjà été fait. Mais réunir ces bases dans un entra?nement à grande vitesse, massivement plus petit et plus efficace sur le plan énergétique, et qui réalise 20 fois plus de tours que les modèles précédents, voilà l'art de l'ingénierie que ma?trisent les chercheurs du PES. En collaboration avec le spin-off Celeroton de l'ETH, Tüysüz et ses collègues ont mis au point un nouveau type d'entra?nement à roue de réaction sur palier magnétique qui atteint plus de 150'000 tours par minute.
De telles roues de réaction à entra?nement électrique sont utilisées dans les satellites pour modifier leur position. Pour ce faire, la roue de réaction est reliée à un moteur électrique via un axe (rotor). Dès que la roue d'inertie, entra?née par ce moteur, tourne dans un sens autour de son propre axe, un couple est transmis au satellite qui tourne alors dans le sens inverse et peut ainsi être orienté dans une nouvelle direction.
Les systèmes actuels présentent de nombreux inconvénients
Les rotors et les roues de réaction des systèmes actuels sont généralement montés sur des roulements à billes. Ceux-ci s'usent toutefois relativement vite. Pour minimiser l'usure mécanique, ces entra?nements ne fonctionnent qu'à 6000 tours par minute. Ils doivent également être conservés dans un bo?tier hermétiquement fermé, dans une atmosphère d'azote à basse pression, afin que le matériau ne s'oxyde pas et que le lubrifiant ne se volatilise pas.
En outre, les billes d'un roulement à billes ne sont pas exactement identiques. Il en résulte des forces qui, associées au déséquilibre du rotor, transmettent de minuscules vibrations au bo?tier du satellite. Cela nuit à la précision des points que les satellites doivent avoir pour permettre, par exemple, des mesures au laser ou la communication entre satellites. Autant de raisons pour les chercheurs de l'ETH et de Celeroton de concevoir un nouveau système de propulsion électrique à paliers magnétiques.
La propulsion flottante ne s'use pas
Le travail de développement a débuté il y a quelques années par une thèse de doctorat au PES. Il y a deux ans, les chercheurs ont présenté un premier objet de démonstration lors d'une conférence spécialisée au Japon. En juin de cette année, ils ont présenté lors d'un symposium international un premier prototype d'un nouveau type de propulsion pour les petits satellites.
Ce prototype peut fonctionner à plus de 150'000 tours par minute - plus rapidement que les modèles comparables utilisés jusqu'à présent, car le rotor est suspendu dans un champ magnétique. La vitesse de rotation élevée a en outre permis aux chercheurs de réduire considérablement la taille du système d'entra?nement, car malgré ses dimensions réduites, il a le même moment cinétique qu'un entra?nement plus grand. Cela le rend intéressant pour une utilisation dans des petits satellites de la taille d'une bo?te à chaussures.
"Le palier magnétique nous permet en outre d'éviter les vibrations", explique Tüyüz. Comme ce système n'a pas besoin d'être lubrifié, il peut également fonctionner dans le vide, ce qui le prédestine à une utilisation dans l'espace. Le palier magnétique permet en outre de faire tourner la roue de réaction en douceur et sans à-coups, car il n'y a pas de résistance de frottement au démarrage du système.
L'agence spatiale s'intéresse au système
"Le nouveau système que nous avons développé est complexe dans son ensemble", souligne Tüysüz. Pour pouvoir le commander et le contr?ler, il faut une électronique de puissance sophistiquée. "Cela co?ncide parfaitement avec une autre compétence clé du Power Electronic Systems Laboratory", explique l'ingénieur électricien. Tüysüz travaille actuellement au développement et à l'amélioration de cette électronique de commande du système.
Le système développé par les chercheurs de l'ETH et leurs collègues de Celeroton n'est encore qu'un prototype qui a permis de prouver son fonctionnement. Les résultats ont été publiés scientifiquement, mais il n'est pas encore disponible à la vente. Néanmoins, les premiers intéressés se manifestent déjà, à commencer par l'Agence spatiale européenne (ESA).
Ce projet a été soutenu financièrement par le Secrétariat d'?tat à la formation, à la recherche et à l'innovation (SBFI).
Références bibliographiques
Kaufmann M, Tüysüz A, Kolar JW, Zwyssig C, Roues de réaction à grande vitesse et à lévitation magnétique pour petits satellites, Actes du 23e Symposium international sur l'électronique de puissance, les entra?nements électriques, l'automatisation et le mouvement (SPEEDAM 2016), Anacapri, Capri, Italie, juin 22-24, 2016.
Zwyssig C, Baumgartner T, Kolar JW. Démonstrateur de roue de réaction à haute vitesse à lévitation magnétique. Actes de la Conférence internationale sur l'électronique de puissance - ECCE Asie (IPEC 2014), Hiroshima, Japon, 18-21 mai 2014.