- Catapulte electromagnetique
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Catapulte électromagnétique
Une catapulte électromagnétique sur la Lune (vue d'artiste)
Une catapulte électromagnétique est une méthode de propulsion spatiale qui utilise un moteur linéaire pour accélérer des charges à haute vitesse.
Sur son principe, elle s'inspire de la catapulte utilisée sur les porte-avions.Toutes les catapultes existantes, ou en projet, utilisent des bobines de câble chargées en électricité pour créer des électroaimants. L'allumage séquentiel d'un rang d'électroaimants accélère la charge le long de la voie. Après avoir quitté la voie, la charge continue sur sa lancée grâce à l'inertie.
Sommaire
Généralités
Une catapulte électromagnétique est essentiellement un canon magnétique qui accélère un projectile composé d'un support magnétisable et d'une charge utile. Une fois la charge utile accélérée, les deux se séparent, le support est ralenti et réutilisé pour une autre charge utile.
La première catapulte électromagnétique apparue dans les documents écrits s'appelait « le canon électrique ». Il était décrit en détail dans un roman de science-fiction paru en 1897, A Trip to Venus ("Un Voyage vers Vénus"), par John Munro, éd. Jorrold & Sons, Londres. Il se présentait comme un moyen de lancer des véhicules dans l'espace à partir du sol. Le livre est maintenant exempt de droits d'auteurs et est librement accessible sur http://www.gutenberg.org/etext/13716.
John Munro est également l'auteur de The Wire and the Wave ("Le Fil et la Vague"), The Story of Electricity ("L'Histoire de l'électricité"), etc.
Dans le livre, John Munro décrit en détail des bobines électriques alimentées par des solénoïdes, avec une synchronisation calculée pour éviter aux passagers une trop forte accélération. Le canon serait au besoin incliné en l'installant sur le flanc d'une colline. Ce livre décrit également en détail des choses étonnantes : des systèmes pour augmenter la vitesse et changer de direction à partir de fusées, de jets de gaz comprimé et même de balles qu'on tire à partir de la capsule, ainsi qu'un système d'aérofreinage pour l'arrivée dans l'atmosphère et des parachutes pour l'atterrissage.
Des prototypes de catapultes électroniques existent depuis 1976. La plupart ont été construites par le Space Studies Institute américain afin de prouver leurs propriétés et leur caractère pratique. Un tel système pourrait notamment être utilisé pour propulser un vaisseau spatial (voir plus loin).
Principes de fonctionnement
Les catapultes électromagnétiques réelles emploient en général des bobines supraconductrices qui fournissent une bonne efficacité énergique (environ 50% de l'énergie électrique de départ étant transformée en énergie cinétique de la charge projetée).
La meilleure performance connue est obtenue avec une catapulte dont la charge utile est une bobine en aluminium. Les bobines de la catapulte induisent des courants de Foucault (paramagnétisme) dans la bobine du projectile, puis agissent sur le champ magnétique résultant. La catapulte est composée de deux sections :
- Dans la partie accélération, les bobines sont disposées à intervalles réguliers et synchronisent les courants de la bobine projetée. Dans cette section, l'accélération augmente en même temps que la vitesse, jusqu'à un certain maximum.
- Ce maximum atteint, la charge à projeter arrive dans une région d'accélération constante. Dans cette partie, les bobines sont disposées à distances croissantes, ce qui permet de fournir une augmentation régulière de la vitesse par unité de temps.
Dans les prototypes, la charge utile est posée dans une "cuillère", puis libérée, pour que la cuillère puisse être ralentie et réutilisée.
Usages
Catapultes fixes
A l'heure actuelle, les catapultes électromagnétiques ne fonctionnent en général bien que sur de petits objets, propulsés à quelques kilomètres par seconde ; par exemple 1 kg à 2,5 km/s. Des objets plus lourds seront projetés plus lentement, tandis de très petits objets peuvent être projetés à plus de 20 km/s. Les limites de ces catapultes sont généralement le coût du silicium pour commuter le courant et celui de l'alimentation et du stockage de l'énergie électrique provisoire. L'emploi de catapultes électromagnétiques pour propulser des véhicules d'une tonne ou plus sur orbite depuis la Terre est donc peu susceptible d'être rentable dans un avenir proche.
La difficulté vient essentiellement de la forte pesanteur et de l'épaisseur de l'atmosphère de la Terre. Aussi, des propositions ont été faites pour installer des catapultes électromagnétiques sur la Lune où la plus faible pesanteur et l'absence d'atmosphère réduiraient de manière significative les coûts.
Avec ce système, on pourrait envisager des catapultes électromagnétiques pour transporter du matériel, à partir de la Lune, pour l'habitat dans l'espace, en utilisant l'énergie solaire. Le Space Studies Institute (Institut d'Études de l'Espace) a prouvé que cette application pourrait fonctionner.
Pour construire une catapulte électromagnétique sur Terre, on pourrait envisager un compromis : la catapulte accélérerait la charge utile jusqu'à une certaine vitesse, puis la libérerait, et la charge compléterait la poussée par ses propres moyens. Cela réduirait fortement la poussée nécessaire à un lancement, et permettrait de profiter des avancées technologiques des composants des trains à sustentation magnétique.
Les catapultes électromagnétiques comme moyen de propulsion de vaisseaux spatiaux
Les catapultes électromagnétiques peuvent être employées pour propulser des vaisseaux spatiaux de deux manières différentes : une grande catapulte au sol pourrait être employée pour lancer le vaisseau spatial à partir de la Terre ou d'une autre planète, ou un vaisseau pourrait en avoir une à bord pour projeter de la matière dans l'espace et ainsi se propulser selon le principe de la réaction de Newton. Une conception hybride est également possible (voir le canon magnétique, le canon électrique, ou le canon électrique hélicoïdal).
Catapultes montées sur engins spatiaux
Un vaisseau spatial pourrait se servir d'une catapulte électromagnétique comme moteur primaire. Avec une source appropriée de courant électrique (par exemple un réacteur nucléaire), la catapulte pourrait accélérer n'importe quel type de matière (ou presque) dans une certaine direction, ce qui projetterait, selon les lois de la réaction de Newton, le vaisseau dans la direction opposée.
Les catapultes fixes étant capables d'accélérer une charge jusqu'à 30 km/seconde, de tels véhicules devraient pouvoir disposer d'équipements au moins équivalents. Il ne semble pas y avoir de limite à la taille ou à la puissance des catapultes, et donc à la vitesse atteignable. Cependant, ce mode de propulsion est limité par la fraction de la masse totale du véhicule utilisée comme projectile. En effet, alors qu'une catapulte fixe peut transformer environ 50% de l'énergie électrique en énergie cinétique de la charge qu'elle projette (appelée "masse de réaction"), dans le cas d'un véhicule l'important est l'énergie cinétique du véhicule lui-même, et non pas du matériau qu'il projette derrière lui pour avancer. De fait, pour atteindre une certaine vitesse, le véhicule est obligé de se séparer d'une fraction conséquente de sa masse pour atteindre une vitesse de l'ordre de grandeur de la catapulte.
Malgré cet inconvénient, un tel système pourrait se révéler très utile dans le cadre de voyages en espace profond, par exemple interstellaires. En effet, il peut utiliser quasiment n'importe quel matériau déniché en chemin comme masse de réaction, et libérerait donc les vaisseaux de l'obligation d'emporter avec eux de grandes quantité de matière pour cet usage. Cependant, la rareté de la matière solide dans l'espace obligerait toutefois le vaisseau à faire des escales sur des planètes, comètes ou astéroïdes.
Un autre problème existe : cette masse de réaction, propulsée à des vitesses extrêmement élevées (potentiellement proches, pour des vaisseaux très puissants, de la vitesse de la lumière), et dotée d'une énergie cinétique considérable, pourrait être très dangereuse en cas de collision avec une planète ou un véhicule. Pour éviter ce problème, l'emploi de poussières très fines est envisagé, ainsi que la propulsion des masses de réaction à une vitesse suffisante pour qu'elles quittent rapidement le système solaire et ne demeurent pas longtemps un danger pour les activités humaines.
Catapultes hybrides
Une autre utilisation possible de ce système pour la propulsion est l'usage d'une catapulte électromagnétique montée sur un vaisseau spatial qui recevrait et renverrait en sens inverse de la matière qui lui serait envoyée par une seconde catapulte restée au point de départ du vaisseau.
La masse de réaction effectuant en permanence des aller-retour, chaque accélération et décélération augmenterait l'énergie cinétique et la vitesse du vaisseau. De cette façon, le véhicule n'aurait à emporter avec lui que très peu de masse de réaction, et le système ne nécessiterait même qu'une quantité réduite d'énergie électrique. D'autre part la catapulte de départ pourrait également être employée pour expédier au vaisseau du carburant pour son moteur électrique ou d'autres matériaux. Malgré des difficultés de réalisation certaines, ce système est donc assez prometteur sur le papier.
Catapultes utilisées comme armes
Les militaires effectuent des recherches à propos des moteurs linéaires à grande accélération. Ceux-ci pourraient être utilisés afin de propulser des munitions à très grande vitesse, à même de percer les blindages. Ces armes étant de conception assez simple et ne nécessitant qu'une quantité d'énergie assez réduite, elles pourraient atteindre une taille très élevée et être utilisées par exemple pour tirer directement sur des cibles dans l'espace ou pour bombarder la surface d'une planète depuis une orbite. Il est même possible d'envisager des tirs "au-delà de l'horizon" (tirs indirects) ou depuis une planète proche, telle qu'une lune.
Liens externes
- (fr) Un anneau de lancement pour envoyer les satellites en orbite
- (en) Electromagnetic Launch of Lunar Material
- (en) Lancement de matériel sur la Lune
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Catégorie : Astronautique
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