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L'ingénieur 312 : Exotrail, la micropropulsion électrique

Article de "L'ingénieur"

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12/06/2020

cet article est le troisième article du dossier "L'espace en 2020 : Enjeux et perspectives" paru dans L'ingénieur n°312



EXOTRAIL : LA MICROPROPULSION ÉLECTRIQUE
Un exemple de l’entrepreneuriat spatial français.

David Henri (Polytechnique, Université de Cambridge 2017) est le PDG d’Exotrail, société de propulsion spatiale qu’il a cofondée en 2017, après l’avoir démarrée en 2015 au cours de ses études. Forte d’une vingtaine d’employés, de plus de six millions de fonds levés et de bureaux à Massy et Toulouse, l’une des pépites NewSpace françaises a récemment annoncé son premier contrat pour équiper deux satellites de la future constellation ELO d’Eutelsat, un des plus grands opérateurs au monde de satellites.


Interview par Antoine Bocquier (ECLi 2019)

Que réalise Exotrail ?

Chez Exotrail, on développe des propulseurs électriques intégrés pour petits satellites, accompagnés d’outils de conception, d’optimisation et d’opérations de missions spatiales.

Quel est l’objectif d’Exotrail ?

L’objectif est d’amener de l’agilité dans le spatial : optimiser les coûts au lancement des petits satellites, leur durée de vie et leurs performances d’utilisation, et aussi éviter les débris spatiaux sources de collisions. 

Quels clients visez-vous ?

Pour les aspects propulsifs, nos clients directs sont en général les intégrateurs de satellites, qui eux-mêmes vendent les satellites à des opérateurs de constellations ou pour des missions unitaires. On est aussi en contact avec les opérateurs via notre outil logiciel.

Les cofondateurs d’ExoTrail (© Exotrail).

Quel est votre marché ?

Le marché des petits satellites est amené à exploser dans les prochaines années, notamment au vu des nombreux projets de constellations. Nous visons les satellites d’une dizaine à quelques centaines de kilos, qui ont deux options de lancement. 

Soit ils réservent une place comme charge utile secondaire, partageant le lancement (rideshare). Mais ne pouvant pas choisir l’orbite finale, sélectionnée par le satellite primaire, ils doivent embarquer un système propulsif et davantage de carburant pour rejoindre leur orbite finale. Ou bien accepter l’orbite donnée, cela affectant leur durée de vie et leurs performances. 

Soit ils utilisent un microlanceur dédié, comme ceux qui commencent à voir le jour mais dont le nombre de projets (une centaine) est deux à trois fois plus élevé que le marché disponible. Aujourd’hui, ils ont une place parce qu’il y a des opportunités de lancement et surtout parce que les gros lancements étaient relativement chers pour les clients qui étaient tous seuls à bord. Ils ont mis du temps à ajuster leur prix mais ils sont en train de s’adapter et de proposer de nouveaux services de rideshare. J’attends donc de voir ce que vont devenir les micro-lanceurs.

Je pense que la solution la plus adaptée à des satellites de masse inférieure à quinze kilos, tels les cubesats (1 à 10 kg), est un dernier étage les satellisant – comme un étage électrique – ou un lanceur dédié. Ces petits satellites peuvent avoir un intérêt à mutualiser la fonction propulsion afin de ne pas l'embarquer eux-mêmes. Au-delà, de quinze à quelques centaines de kilos, il est préférable de les lancer sur des rideshares avec leur propre propulsion. En effet, la pénalité induite par le carburant supplémentaire pour faire des manoeuvres de station-keeping (maintien d’orbite) et de désorbitation, étant relativement faible par rapport au coût de construction et d'achat d'un dernier étage électrique.

Pourquoi avoir misé sur la propulsion électrique ?

Il y a deux grandes familles de propulsion : la propulsion chimique et la propulsion électrique. L’avantage des propulseurs chimiques c’est qu’ils donnent une forte poussée mais ils sont plus lourds et plus gros, plus dangereux et plus chers. À l’inverse, les propulseurs électriques ont une poussée plus faible mais ils sont plus petits et plus légers. Donc cela permet d’utiliser moins de masse et de volume pour une même mission, même si cela prend plus de temps.

Par rapport à d’autres technologies électriques, nous avons une bien meilleure poussée ou alors on utilise moins de puissance électrique à poussée similaire. Cela permet de réduire les temps de manoeuvres, la propulsion électrique permettant principalement de passer de l’orbite de lancement à l’orbite opérationnelle après le lancement. Cela permet d’optimiser les coûts de lancement en sélectionnant un lanceur peu cher, puis on est autonome pour rejoindre l’orbite opérationnelle.

Typiquement, pour lancer des petits satellites de masse et volume réduits, la propulsion électrique est adaptée mais prend du temps et est complexe à  implémenter. Avec notre moteur à plus forte poussée, on rend le changement d’orbite plus rapide d’une part, et avec nos outils d’optimisation de la mission, on le rend plus facile à implémenter d’autre part.

Quels sont les défis technologiques majeurs que vous vous lancez ?

En amont, il faut comprendre ce que permet de faire la propulsion électrique, pour être capable d’expliquer aux clients que cette propulsion leur permet de changer leur stratégie au lancement. 

C’est un peu un défi de discours : les gens qui lancent des petits satellites sont habitués à choisir où ils veulent aller ou au contraire ils acceptent de ne pas pouvoir choisir. Donc il faut leur expliquer cette raison économique qui est que, sur les constellations, on peut gagner des dizaines de millions d’euros en utilisant de la propulsion et des lanceurs

moins chers, ou alors gagner très largement des performances sur le produit en étant capables d’aller exactement là où on veut. Le deuxième défi c’est le calcul de manoeuvres : comme la poussée est faible, c’est un problème mathématique assez complexe pour concevoir des trajectoires en orbite, et c’est ce que permet de faire notre outil logiciel notamment.

D’un point de vue système, la propulsion électrique est complexe car il faut de la puissance pour fonctionner : il faut être connecté à l’ordinateur de bord, il y a un actuateur d’AOCS (Attitude & Orbit Control System) donc il a un impact potentiel sur l’attitude du satellite, etc.

Technologiquement, ce n’est pas simple de réaliser un moteur performant et fiable, capable de tenir plusieurs centaines à milliers d’heures en orbite.

Zoom sur : La Propulsion électrique

Tout comme la propulsion chimique (liquide ou solide), la propulsion électrique utilise le principe de la conservation de la quantité de mouvement : en éjectant de la matière dans une direction, on induit un déplacement du vaisseau dans la direction opposée. L’accélération induite, et donc les vitesses atteignables dans un temps donné, dépendent de la quantité de masse éjectée et de la vitesse d’éjection. En expulsant une quantité importante de matière, la propulsion chimique fournit une poussée (et donc une accélération) importante alors que la propulsion électrique éjecte peu de matière (gaz), accélérée électriquement mais à des vitesses bien supérieures. Cela réduit la quantité de carburant utilisée, et donc la masse de carburant embarqué qui est convertie en charge utile. Cependant, l’accélération (donc la poussée) fournie est faible car limitée par la puissance électrique générée à bord, ce qui induit des manoeuvres longues (plusieurs mois contre quelques jours, par exemple). 

En résumé, pour une masse équivalente à déplacer dans l’espace (notamment pour atteindre son orbite finale après la séparation avec le lanceur), la propulsion électrique utilise donc beaucoup moins de carburant mais nécessite une durée plus longue pour atteindre une vitesse importante.  


Quelle est votre approche de développement produit ?

Notre démarche est clairement d’itérer. Au lieu de développer un produit et de le démontrer, on a d’abord démontré pour ensuite le développer, dans la mesure où on a démarré notre développement produit par un démonstrateur, conçu en dix mois de A à Z, livré en 2019 et qui volera début d’année prochaine. 

Notre produit est donc déjà sur le marché et on le livrera à nos premiers clients au troisième trimestre 2020 : nous équiperons les satellites ELO 3 et ELO 4, que construira AAC Clyde Space pour le compte d’Eutelsat. Ces satellites, prévus  pour un lancement en 2021, seront les précurseurs de la potentielle constellation ELO d’Eutelsat (Eutelsat LEO for Objects).

Typiquement notre produit est très modulaire. En interchangeant les modules fluidiques, plasmiques, électroniques, etc., on arrive à des versions différentes de notre moteur. On a une vision agile du développement produit : on développe au sol et tous les 12 à 18 mois, on va démonter leur capacité en orbite, avec des clients ou des missions variées. Cela permet de constamment améliorer nos produits.

Le moteur ExoMG™ en test (© Exotrail).


Quels sont les enjeux de développement durable d’après vous pour le spatial ? 

Les débris deviennent un sujet central, on en tient compte avec l’aspect « désorbitation » permis par nos propulseurs. On espère que des décisions à l’échelle internationale seront prises pour forcer les opérateurs à trouver des

solutions. 

Que pensez-vous des nouvelles agences spatiales davantage tournées sur du développement commercial, tel  que le Luxembourg ?

J’attends de voir, mais je vois plus l’Agence spatiale luxembourgeoise comme un organe d’investissement ou une chambre de commerce. Je ne les vois pas encore comme des agences spatiales dans la mesure où il leur faudrait un pôle technique. Mais elles peuvent le devenir si elles acquièrent de l’expérience et des compétences pour mettre en oeuvre des missions.

En tous cas, c’est bénéfique pour ces pays, car cela permet de créer et ramener des compétences techniques. 


Quelle est votre opinion sur le fait d’entreprendre en Europe, et en France ?

En Europe, il a y une forte densité d’acteurs, dans toute la chaîne de valeurs car il y a beaucoup de clients. Cette force industrielle, pour un fournisseur de systèmes, c’est avantageux. 

Il y a des pays d’Europe où il est plus facile de démarrer et d’obtenir des  financements. En France, c’est plus compliqué pour des raisons de retour géographique (ndlr : principe de juste-retour géographique de l’ESA).

Globalement, il y a des facilités de financement en Europe, mais pour réaliser de grosses levées de fonds, c’est plus compliqué qu’aux États-Unis. Cependant, il y a beaucoup d’entreprises donc l’écosystème NewSpace est riche. 

Quel axe d’amélioration souhaiteriez-vous ?

Plus de financement côté contrats : je pense que les agences pourraient davantage faire confiance à de petites entreprises pour développer des missions. 

Avez-vous des conseils à donner aux  nouveaux ingénieurs souhaitant entreprendre ?

Si vous sortez d’études, trouvez quelqu’un qui a de l’expérience pour vous accompagner. Allez chercher des gens qui ne vous ressemblent pas en termes de compétences, mais aussi en termes de comportements, de profils, parce que cela apporte du positif. Nous, nous étions quatre, nous avions une forte  complémentarité, et c’est toujours le cas de l’équipe aujourd’hui.

Et soyez différenciant : comme il y a énormément de choses qui sont faites, quelqu’un qui arrive aujourd’hui devra se démarquer. Je pense que la plupart des bonnes idées dans le spatial sont déjà en développement, et ont donc de l’avance.

Une tendance à suivre pour de futurs ingénieurs ?

Il y a beaucoup de projets de constellations mais il n’y a pas encore de Planet ou Spire (ndlr : leaders américains de constellations d’observation de la Terre) sur les constellations en orbite basse. De nombreuses constellations amèneront à gérer de nombreuses problématiques, typiquement de liaisons inter-satellites (communications entre satellites), de segment sol (stations de poursuite et de

contrôle), de propulsion, etc. Ce sont toutes ces technologies, qui font que les constellations seront viables techniquement et économiquement, qu’il faut regarder. 

Le plus passionnant dans votre travail ?

À titre personnel, gérer des gens, avoir recruté mon équipe, passer du temps avec eux, leur expliquer pourquoi ce qu’on fait est important, leur donner un cap à long terme et les motiver à court terme. Moi, c’est vraiment cette gestion de l’humain qui me passionne.


Illustration du propulseur ExoMG en action sur un satellite (© Exotrail).

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