Acta Astronautica · Vol. 224DPET — Dir. de la Propulsion et de l'Énergie ThermiqueAccès ouvertSoumis 08 nov. 2025 · Accepté 21 jan. 2026
NK-125 : conception et validation expérimentale d'un propulseur ionique à grilles SiC-f tri-étages opérant à 125 kW — impulsion spécifique de 9 620 s et rendement anodique de 78,4 %
Campagne d'essais TORCH-IV (oct. 2024 – jan. 2026), chambre à vide HELIOS-6, IFRAS Toulouse.
Première démonstration publique complète des performances du NK-125 dans des conditions représentatives d'une mission de transfert Terre–Mars.
Dr. François RouxDPET · Chef de programme NK
Dr. Anika SchreiberDPET · Physique des plasmas
Prof. Ricardo AlmeidaDPET · Thermique & Rendements
Camille LerouxDPET · Doctorante, simulations PIC
DOI10.1016/j.actaastro.2026.01.0082
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Réf. interneIFRAS-DPET-2026-007
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Pages22 pp. · 7 fig. · 3 tabl.
Résumé — Abstract
Nous présentons les résultats de la campagne TORCH-IV sur le NK-125, propulseur ionique à grilles de
125 kW développé par la DPET de l'IFRAS. Le propulseur atteint une impulsion spécifique de 9 620 ± 85 s —
valeur sans précédent pour la classe 100+ kW — grâce à un système de trois grilles en carbure de silicium
fritté (SiC-f) et une tension d'accélération de 8 400 V. Rendement anodique : 78,4 ± 1,2 %. Durée de vie
qualifiée : 12 000 heures en test accéléré. Ces résultats positionnent le NK-125 comme candidat principal
pour la propulsion du module de transfert PROMETHEUS-2 (Terre–Jupiter, lancement 2031).
Contrairement à la pratique habituelle, nous présentons les chiffres clés en ouverture
afin de donner au lecteur le cadre interprétatif avant l'analyse. Les valeurs ci-dessous
sont toutes issues d'essais à pleine puissance nominale (125 kW, xénon, 4 × 10⁻⁶ mbar).
9 620
secondes
Impulsion spécifique Isp — record classe 100+ kW
78,4 %
rendement
Rendement anodique ηa à 110 kW (optimum)
542
millinewtons
Poussée nominale à 125 kW
12 000
heures
Durée de vie qualifiée en test accéléré ×3,2
Tableau 1 — Positionnement du NK-125 dans l'état de l'art des propulseurs ioniques
Propulseur
Organisme
Année
Puissance (kW)
Isp (s)
ηa (%)
Statut
NSTAR
NASA / JPL
1998
2,3
3 100
61
Vol (Dawn, 2007)
NEXT-C
NASA / GRC
2007
7
4 190
71
Vol (Lucy, 2021)
RIT-22
ESA / Astrium
2005
5
4 350
65
Vol (Alphasat)
µ10
JAXA / ISAS
2003
0,35
10 000
58
Vol (Hayabusa)
HiPEP
NASA / GRC
2003
25
9 620
80
Démonstrateur — non qualifié
NK-40
IFRAS DPET
2021
40
6 800
72
Qualifié IFRAS
NK-85
IFRAS DPET
2023
85
8 100
76
Qualifié IFRAS
NK-125 ★
IFRAS DPET
2026
125
9 620
78,4
Campagne TORCH-IV
★ Premier propulseur à réunir simultanément Isp ≥ 9 600 s, P ≥ 100 kW et qualification durée de vie ≥ 12 000 h.
HiPEP (2003) atteignait la même Isp à 25 kW mais n'a jamais été qualifié pour le vol. Sources : [1–5].
La performance en durée de vie est directement corrélée au taux de pulvérisation cathodique
du matériau de grille. La figure ci-dessous situe le SiC-f face aux quatre matériaux candidats
identifiés lors des études préliminaires (2020–2022).
Taux de pulvérisation cathodique (atomes/ion Xe⁺ à 8 keV) — matériaux de grilles
SiC-f (NK-125)
Graphite PyC
Carbone-Carbone
Molybdène
Figure 1
Taux de pulvérisation cathodique mesuré à 8 keV Xe⁺ pour les quatre matériaux candidats aux grilles.
Le SiC-f présente la valeur la plus faible — 3,8 fois inférieure au molybdène —
ce qui se traduit directement par la durée de vie qualifiée de 12 000 h.
Données Mo, C/C, PyC compilées depuis [4, 5] ; valeur SiC-f : essai IFRAS-DSMR SPUTTER-2024-12.
2. Contexte — programme NK et verrous technologiques
Les propulseurs ioniques à grilles offrent les impulsions spécifiques les plus élevées parmi tous
les systèmes de propulsion spatiale opérationnels [1]. La mission Dawn (NASA, 2007) et la sonde
Hayabusa (JAXA, 2003) ont ancré cette technologie dans l'exploration du système solaire [2, 3].
Mais la montée en puissance vers la classe 100 kW — nécessaire aux missions habitées ou de remorquage
orbital de grande masse — ouvre trois verrous : dissipation thermique des grilles, homogénéité plasma
sur grande surface, et érosion accélérée [4].
Le programme NK répond à ces verrous depuis 2019 par itérations : NK-40 (2021, 40 kW, 6 800 s),
NK-85 (2023, 85 kW, 8 100 s), puis le NK-125. L'architecture à trois grilles SiC-f est protégée
par le brevet FR-2024-DPET-019.
Le HiPEP de la NASA (2003) atteignait déjà 9 620 s mais à seulement 25 kW, sans qualification de
durée de vie [4]. Le NK-125 est le premier propulseur à réunir cette impulsion spécifique,
une puissance de 125 kW et une qualification de 12 000 heures.
3. Architecture et base physique
La chambre de décharge cylindrique (∅ 320 mm × 480 mm, molybdène/PyC CVD) est ionisée par
cathode creuse centrale à xénon (0,4–2,2 mg·s⁻¹), confinée par anneau magnétique cusped-field NdFeB.
L'Isp théorique se déduit directement de la tension d'accélération nette :
Avec Vscreen = 8 640 V et |Vaccel| = 240 V, la tension nette est
Vnet = 8 400 V. Pour le xénon (mi = 131,3 u), l'équation (1) prédit
une Isp théorique de 9 870 s. L'écart mesuré (−2,5 %) est attribué à la
dispersion en énergie du faisceau (FWHM = 48 eV), à la divergence angulaire (14,2°) et
aux ions Xe²⁺ (fraction molaire 3,8 %).
Isp = (1 / g₀) · √(2eVnet / mi)
(Éq. 1)
La troisième grille de décélération réduit le courant d'interception sur la grille
d'accélération de 0,82 % à 0,18 %, prolongeant sa durée de vie d'un facteur ~4.
L'ajustement empirique de la campagne TORCH-IV donne α = 0,024, β = 3,14
(régression sur 12 points de mesure). Ce résultat confirme les prédictions
PIC du code ISAT-Plasma v4.1 [6].
Jint / Jbeam = α · exp(−β · Vdec / Vacc)
(Éq. 2)
4. Qualification durée de vie
Les 12 000 heures de qualification sont conduites en régime accéléré (facteur ×3,2 sur le flux
de bombardement ionique) dans la chambre HELIOS-6. La perte d'épaisseur sur la grille
d'accélération est suivie par profilométrie laser (résolution axiale 0,1 µm) et pesée
en salle blanche toutes les 500 heures équivalentes.
Bilan à 12 000 h équivalentes : perte d'épaisseur maximale de 120 µm (8 % de l'épaisseur
initiale de 1,5 mm). Aucune perforation, aucun délaminage fibre/matrice. Le critère de
fin de vie (perte de 30 %) n'est pas atteint. Une grille en molybdène dans les mêmes
conditions aurait perdu ~460 µm.
🔩Fig. 2 — Grille d'accélération SiC-f après 12 000 h (attendue)
Photographie en lumière rasante de la grille d'accélération (80 × 80 cm) après test accéléré.
Érosion maximale mesurée : 120 ± 8 µm. Surface active uniforme, pas de délaminage visible.
Figure 2
Grille d'accélération SiC-f en lumière rasante après 12 000 heures de test accéléré (TORCH-IV, jan. 2026).
La profilométrie laser (résolution 0,1 µm) confirme une érosion uniforme et l'absence de point chaud.
L'intégrité de la structure fibre/matrice est vérifiée par microscopie électronique à balayage
sur 6 zones prélèvées en périphérie et au centre de la grille.
5. Application — mission PROMETHEUS-2
Avec quatre NK-125 embarqués (500 kW total) et une fraction de propergol de 62 %,
l'équation de Tsiolkovsky (Éq. 3) donne un ΔV disponible de 24 600 m·s⁻¹ pour
le module de transfert orbital de PROMETHEUS-2 (Terre–Jupiter, lancement 2031).
Ce ΔV réduit la durée de transit Terre–Jupiter de 24 mois (NK-85) à 14 mois,
soit −42 %. Cette compression de la durée d'exposition aux rayonnements galactiques et aux
ceintures de Van Allen réduit la dose cumulée reçue par l'équipage d'un facteur estimé à 1,7
par les modèles NOAA-SEP [7].
Tableau 2 — Impact des performances NK-125 sur le profil de mission PROMETHEUS-2
Paramètre
Avec NK-85 (2023)
Avec NK-125 (2026)
Gain
Puissance totale embarquée
340 kW (4×85)
500 kW (4×125)
+47 %
ΔV disponible
16 800 m·s⁻¹
24 600 m·s⁻¹
+46 %
Durée de transit Terre–Jupiter
24 mois
14 mois
−42 %
Dose rayonnements équipage
Référence
÷ 1,7
−41 %
Fraction de propergol
70 %
62 %
−8 pts
Masse utile restante (300 t initial)
90 t
114 t
+27 %
Simulation de trajectoire : code GMAT v2025.1 (NASA GSFC), profil de poussée variable optimisé par contrôle impulsionnel.
Hypothèse propergol : xénon pur 99,9 %. Dose rayonnements : modèle NOAA-SEP, orbite de transfert 0,97–5,2 UA [7].
La DPET et le CNES ont signé en février 2026 un accord de co-développement pour l'intégration
d'une unité de vol NK-125 dans le démonstrateur orbital IONOS-1 (lancement T2 2028).
La qualification vol sera conduite à HELIOS-6 en 2027.
Références bibliographiques
Kaufman, H.R. (1961). An ion rocket with an electron-bombardment ion source. NASA Technical Note D-585. Lewis Research Center, Cleveland, OH.
Rayman, M.D. et al. (2006). Dawn: A mission in development for exploration of main belt asteroids Vesta and Ceres. Acta Astronautica, 58(11), 605–616. doi:10.1016/j.actaastro.2005.01.021
Kuninaka, H. et al. (2007). Asteroid rendez-vous of Hayabusa explorer using microwave discharge ion engines. New Journal of Physics, 9, 312. doi:10.1088/1367-2630/9/9/312
Goebel, D.M. & Katz, I. (2008). Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. Wiley-JPL Space Science & Technology Series. ISBN 978-0-470-42927-3.
Polk, J.E. et al. (2006). An overview of the results from an 11,000 hour wear test of the NSTAR ion thruster. AIAA 2006-2446, 42nd Joint Propulsion Conference, Sacramento.
Roux, F., Leroux, C. & Almeida, R. (2024). Simulation PIC multi-espèces du système de grilles tri-étages SiC-f du NK-125. Journal of Electric Propulsion, 3(1), 14. doi:10.1007/s44205-024-00054-7
Cucinotta, F.A. & Durante, M. (2006). Cancer risk from exposure to galactic cosmic rays. The Lancet Oncology, 7(5), 431–435. doi:10.1016/S1470-2045(06)70695-7
