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La sonde IKAROS et la voile solaire

Julio Gallardo

Julio Gallardo

AERTEC Solutions / RPAS Department

IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) est un satellite de démonstration de la voile solaire, développé par l’Agence d’exploration aérospatiale japonaise (JAXA – Japanese Aerospace Exploration Agency) afin de mettre en évidence les techniques les plus récentes de propulsion par voile solaire. Cette mission a débuté en 2010, à destination de Vénus dans un premier temps, afin de démontrer ce concept novateur qui fournissait à la fois l’énergie électrique nécessaire aux équipements et la puissance de propulsion de l’engin.

Les principaux objectifs d’IKAROS étaient les suivants : le déploiement d’une grande voile solaire (200 mètres carrés), la production d’énergie grâce à des cellules solaires situées sur la membrane de la voile, la démonstration de la faisabilité de la technique de propulsion par photons et la démonstration des techniques GNC (guidage, navigation et contrôle) qui gèrent les accélérations faibles mais constantes engendrées par ce type de système.

La voile solaire, sur le principe de la voile d’un bateau qui produit son impulsion grâce à l’énergie cinétique de l’air sur la toile, utilise la collision des photons solaires sur une membrane réfléchissante. En conséquence, plus la membrane de la voile est capable de réfléchir une grande quantité de photons, plus l’aéronef bénéficie d’une poussée importante : une membrane de grande taille offre donc une poussée suffisante capable de propulser un véhicule spatial. Cette technologie permet de se déplacer sans consommer de carburant, de produire une puissance suffisante et d’orienter la voile pour suivre une trajectoire déterminée.

Cette théorie date de plusieurs décennies mais rencontrait de nombreux obstacles techniques dans le choix des matériaux, le déploiement de la membrane et le contrôle de son comportement. Dans le but de résoudre certains de ces problèmes pour la mission Ikaros, la JAXA a conçu une voile solaire carrée, sans structure de soutien rigide, reliée au satellite par des cordes. Quatre masses d’un total de deux kilogrammes, situées à chaque extrémité de la voile, produisent une force centrifuge qui permet de déployer la voile. Cette force est maintenue après la phase de déploiement, afin de conserver la forme de la voile. C’est la raison pour laquelle le contrôle du comportement a été l’un des systèmes les plus critiques de la mission. Les moyens traditionnels (propulseurs chimiques) produisaient des mouvements oscillatoires sur la voile partant du corps central, et le contrôle des photons s’avérait en outre complexe, car la membrane ne conservait pas sa rigidité face aux forces de pression solaire.

La membrane, dont le poids frôlait les 14 kg, était formée de quatre parties trapézoïdales qui accueillaient des cellules solaires, capables d’engendrer jusqu’à 500 W de puissance sur seulement 5 % de sa surface environ. Elle comprenait également un système de détection des poussières et un équipement de contrôle de la réflectivité. Le reste de la surface était composée d’une couche de polyimide de 7,5 µm d’épaisseur, recouverte d’une couche d’aluminium vaporisé de 80 nm d’épaisseur. Le revêtement en polyimide de la voile lui conférait une grande résistance thermique, chimique et mécanique et une masse très légère. La couche en aluminium avait pour but de refléter la lumière au maximum, pour obtenir la poussée nécessaire.

La masse totale de la sonde IKAROS était de 308 kg et elle se composait d’un corps cylindrique de 1,6 m de diamètre et de 0,9 m de hauteur. Elle fut lancée le 20 mai 2010 depuis le Tanegashima Space Center, une des installations de développement et de recherche spatiale du Japon. Quelques jours plus tard, le 10 juin, la membrane s’est déployée ; le 23 juillet, il fut possible de vérifier le parfait fonctionnement du système de contrôle de l’attitude et constater la propulsion du satellite par le vent solaire. Sept mois plus tard, en décembre 2010, la JAXA a conclu la réussite des expériences qu’IKAROS devait réaliser et ce dernier est entré en hibernation. Mais la mission n’était pas terminée pour autant. Au mois d’août 2013, le satellite continuait à accélérer (à +400 m/s) grâce à la voile solaire. Le 23 avril 2015, après cinq années de mission environ, IKAROS s’est réveillé pour la quatrième et dernière fois et a transmis des données, très importantes pour mieux concevoir des modèles de navigation spatiale à la voile. Le 21 mai de cette même année, la JAXA a pu établir de nouvelles communications et a conclu la mission.

Jusqu’à présent, IKAROS est le seul véhicule spatial ayant pu produire une puissance de propulsion grâce à une voile solaire, moyen qui s’avérerait utile pour les déplacements interplanétaires. Pour cette raison, le succès d’IKAROS ne réside pas uniquement dans la vitesse atteinte par le satellite ou dans les résultats prometteurs qui ont été obtenus, mais plutôt dans le nombre de lignes de recherche possibles qui pourraient découler de cette mission et des missions futures, qui auront pour but d’avancer dans le domaine de la propulsion spatiale sans carburant.

La JAXA, l’Agence spatiale japonaise d’exploration se place aujourd’hui à l’avant-garde de la propulsion des véhicules spatiaux par voile solaire. Cette agence a vu le jour le 1er octobre 2003, résultat du travail conjoint de trois organisations aérospatiales japonaises : l’ISAS (Institute of Space and Astronautical Science), le NAL (National Aerospace Laboratory) et le NASDA (National Space Development Agency of Japan). Agence centrale, son rôle est de soutenir l’ensemble du développement aérospatial du pays.

Grâce à la JAXA, huit astronautes japonais ont été dans l’espace et ont participé à différents programmes internationaux, parmi lesquels l’ISS (International Space Station), où ils ont mis au point le laboratoire KIBO, un module japonais d’expérimentation. Elle fait actuellement partie de programmes collaboratifs d’exploration spatiale, comme le programme Gateway dont l’objectif est de placer une station habitée permanente en orbite lunaire, le programme SLIM (Smart Lander for Investigating the Moon) qui cherche à mettre au point un système l’alunissage de haute précision ou le MMX (Martian Moon Exploration) qui sera en mesure de ramener sur Terre les premiers échantillons de Phobos, la plus grande lune de Mars.

 

Ikaros probe

 

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