Gestion de la haute tension des satellites de nouvelle génération

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En collaboration avec Beyond Gravity et avec le soutien de l’ESA, des scientifiques du Swiss Plasma Center (SPC) de l’EPFL ont développé un collecteur tournant qui peut plus que tripler la tension opérationnelle des satellites haute tension de nouvelle génération.

L’essor actuel de l’exploration spatiale ne se traduit pas seulement par une augmentation du nombre de satellites, mais aussi par leurs améliorations, ce qui implique des besoins en énergie plus importants et des pertes électriques moindres. Cela signifie notamment des tensions plus élevées pour l’électronique des satellites et les propulseurs.

Pour utiliser l’énergie produite par les panneaux solaires, les satellites sont équipés d’un «collecteur tournant». Ce composant essentiel sert à transférer l’énergie électrique vers les systèmes d’alimentation électrique tels que les ordinateurs de bord, les tubes à ondes progressives, l’équipement de collecte de données et les propulseurs d’alimentation pendant la rotation. Pour cela, le collecteur tournant utilise des contacts électriques glissants: une bague rotative et un balai fixe – le «racleur» ou plus précisément le cil. Lorsque le système tourne dans un satellite, le racleur glisse le long de la surface de la bague, transférant un courant électrique à basse tension.

Aujourd’hui, des scientifiques du Swiss Plasma Center (SPC) de l’EPFL et de Beyond Gravity sont parvenus à mettre au point un collecteur tournant qui permet de transférer des tensions plus élevées dans les satellites, augmentant la plage des 28-100 volts actuels à 300-600 volts, d’où une amélioration des performances du satellite et une meilleure résistance aux pannes électriques.

Les travaux de recherche ont été co-financés dans le cadre du programme de compétitivité de base 4.0 ARTES (Advanced Research in TElecommunications Systems) de l’ESA inscrit dans le projet APRIOM (Advanced sliP Ring for hIgh vOltage Mechanism), dont l’objectif est de «développer, fabriquer et tester un montage expérimental dans un environnement adapté». Dans le domaine du spatial, un montage expérimental est utilisé pour vérifier les fonctions critiques dans un environnement typique avec un montage à l’échelle représentative applicable à la mission finale.

Les représentants de Beyond Gravity, de l’ESA et du SPC de l’EPFL. Crédit: Beyond Gravity
Les représentants de Beyond Gravity, de l’ESA et du SPC de l’EPFL. Crédit: Beyond Gravity

Le nouveau collecteur tournant est l’aboutissement d’un autre projet, Horizon 2020 High Voltage Electrical Power System Architecture (HV-EPSA), dans lequel l’équipe de recherche du SPC, dirigée par le professeur Ivo Furno et composée des docteurs Fabio Avino et Alan Howling, a mis au point une maquette évoluée de leur collecteur tournant cylindrique. Celle-ci a été fabriquée par l’entreprise suisse RUAG Space, devenue aujourd’hui Beyond Gravity, située à Nyon et spécialisée dans la fabrication de collecteurs tournants.

Les scientifiques du SPC ne cherchaient pas seulement à répondre au besoin grandissant de tensions plus élevées dans les satellites, mais aussi à surmonter les difficultés liées au fonctionnement d’un collecteur tournant dans l’espace, en éliminant le risque de panne électrique, notamment la formation d’un plasma nocif susceptible d’endommager irrémédiablement le satellite.

En effet, l’une de ces difficultés était les grands changements de pression que subit un satellite, de la pression atmosphérique au moment du lancement au vide profond de l’espace. Il s’agit d’un problème bien connu car l’isolation des composants électriques des satellites repose généralement sur des conditions de vide, en l’absence de toute pression gazeuse. Les solutions proposées jusqu’ici impliquent des configurations de plus en plus complexes de circuits électriques qui peuvent finir par entraver le fonctionnement du satellite.

Un autre défi est le nombre de tours que le collecteur doit faire par jour, ce qui, après un certain temps, peut avoir des effets négatifs sur son fonctionnement.

Comme l’exigeait le projet APRIOM, les scientifiques du SPC ont apporté leur expertise et leur soutien technique à Beyond Gravity dans la nouvelle conception du collecteur tournant et les essais dans des conditions reproduisant la durée de vie d’un satellite. Le collecteur tournant s’est avérée fonctionner dans une plage de 400-500 volts (et 8 A) à partir de très basses pressions (10-5 mbar) jusqu’aux valeurs de pression les plus critiques (env. 1 mbar), avec une puissance transférée résultante allant jusqu’à 40 kW. Il a maintenu ce rendement même après 25 000 tours. À titre de comparaison, le collecteur tournant d’un satellite géostationnaire effectue environ 11 000 tours après 30 ans de fonctionnement.

«La réussite de ce projet est le fruit d’une étroite collaboration entre le milieu universitaire et l’industrie, où tous les partenaires devaient comprendre les besoins et les contraintes de chacun», explique Ivo Furno. «Grâce à la nouvelle conception du collecteur tournant, qui sera testée en orbite dans les années à venir, nous ouvrons la voie à la nouvelle génération de satellites à propulseur haute puissance.»