NK-125 : un propulseur ionique validé à 125 kW

L'essentiel en 30 secondes

9 620 sd'impulsion spécifique : un record pour cette puissance

72 %de l'électricité transformée en poussée

12 000 hde fonctionnement validées, soit 16 mois sans arrêt

Le NK-125 accélère des atomes de xénon électrisés à 94 km/s grâce à trois grilles en carbure de silicium.
La troisième grille divise par quatre l'usure du moteur, qui dépasse les 12 000 heures de fonctionnement.
Quatre NK-125 suffiraient à envoyer le module PROMETHEUS-2 vers Jupiter en 22 mois.

Résumé

Nous présentons les résultats de la campagne d'essais TORCH-IV (octobre 2024 à janvier 2026) du NK-125, propulseur ionique à grilles de 125 kW développé par le DPET. Grâce à trois grilles en carbure de silicium fritté et une tension d'accélération de 6 400 V, il atteint une impulsion spécifique de 9 620 ± 85 s et un rendement global de 72 ± 1,5 %. Un essai d'endurance accéléré valide 12 000 heures de fonctionnement : les grilles n'ont perdu que 8 % de leur épaisseur. Ces performances font du NK-125 le candidat principal du module de transfert PROMETHEUS-2 (Terre–Jupiter, lancement 2031).

Propulsion ioniqueXénonGrilles en SiCEndurancePROMETHEUS

01Introduction

Une fusée classique brûle son carburant en quelques minutes pour produire une poussée énorme. Un propulseur ionique fait l'inverse : il éjecte très peu de matière, mais beaucoup plus vite. Il utilise l'électricité des panneaux solaires ou d'un générateur pour arracher des électrons à des atomes de , puis accélère les obtenus avec une forte tension électrique.

Comment fonctionne un propulseur ionique

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Figure 1Principe du NK-125. Des électrons (cyan) heurtent les atomes de xénon (gris) et les transforment en ions (bleus). Les grilles, soumises à 6 400 V, les propulsent hors du moteur. Le neutraliseur réinjecte des électrons dans le faisceau pour que le vaisseau reste électriquement neutre.

Cette vitesse d'éjection se mesure par l'. Plus elle est élevée, moins il faut de carburant pour atteindre une vitesse donnée. La poussée est minuscule, mais elle s'accumule jour après jour : sur un long voyage, la tortue finit par distancer le lièvre.

Vitesse gagnée avec 3,4 tonnes de carburant

Figure 2Gain de vitesse d'un module de 15 t emportant 3,4 t de carburant. Le moteur chimique (impulsion spécifique de 450 s) consomme tout en quelques minutes et plafonne à 1,2 km/s. Le NK-125 pousse pendant 16 mois et atteint 24,6 km/s, soit vingt fois plus.

Monter en puissance reste difficile : au-delà de 100 kW, les grilles chauffent et s'usent vite sous le bombardement des ions. Le programme NK s'y attaque depuis 2019, par étapes : NK-40 en 2021, NK-85 en 2023, puis le NK-125.

02Le NK-125 et la campagne d'essais

Trois grilles plutôt que deux

La chambre cylindrique (32 cm de diamètre) est alimentée en xénon, ionisé par une et confiné par des aimants. À la sortie, trois grilles percées de milliers de trous accélèrent les ions. La nouveauté est la troisième grille : elle protège la deuxième des ions lents qui reviennent la frapper et l'usent.

Vue en coupe d'un trou des grilles

Ions qui frappent la grille0,18 %

Usure de la grille÷ 4

Durée de vie estimée> 12 000 h

Figure 3Schéma d'un trou des grilles, vu en coupe. Les ions rapides (bleus) traversent. Quelques collisions dans le faisceau créent des ions lents (rouges) qui reviennent frapper la grille d'accélération. La troisième grille les repousse : la part d'ions qui frappent passe de 0,82 % à 0,18 %.

La campagne TORCH-IV

Les essais ont eu lieu dans la chambre à vide HÉLIOS-6 de l'IFRAS, où la pression est un milliard de fois plus faible que sur Terre. Performances et usure ont été mesurées de 40 à 125 kW, puis le moteur a fonctionné 12 000 heures en . L'usure des grilles était contrôlée toutes les 500 heures, au laser et par pesée.

Tableau 1Trois générations de propulseurs NK

Modèle	Année	Puissance	Impulsion spécifique	Rendement	Statut
NK-40	2021	40 kW	6 800 s	64 %	Qualifié
NK-85	2023	85 kW	8 100 s	70 %	Qualifié
NK-125	2026	125 kW	9 620 s	72 %	Endurance validée

En cinq ans, la puissance a triplé et l'impulsion spécifique a gagné 40 %.

03Résultats

Des performances qui montent avec la puissance

Plus on fournit de puissance, plus on peut appliquer une tension élevée, et plus les ions sortent vite. L'impulsion spécifique grimpe ainsi jusqu'à 9 620 s à 125 kW. Le rendement, lui, culmine à 74 % vers 110 kW, puis baisse légèrement : à pleine puissance, un peu plus d'énergie part en chaleur dans les grilles.

Performances mesurées selon la puissance électrique

Figure 4Impulsion spécifique (à gauche) et rendement global (à droite) mesurés à six niveaux de puissance, en moyenne sur 3 essais. Le calcul théorique à 6 400 V donne 9 890 s ; l'écart de 2,7 % vient de la légère divergence du faisceau et d'une petite part d'ions doublement chargés.

I_sp = (1/g₀) · √(2·e·V / m_Xe)

VTension entre les grilles : 6 400 V.

m_XeMasse d'un ion xénon : lourd, donc beaucoup de poussée par ion.

g₀Gravité terrestre (9,81 m/s²), qui convertit la vitesse en secondes.

12 000 heures d'endurance

C'est le résultat clé de la campagne. Après l'équivalent de 12 000 heures, la grille d'accélération n'a perdu que 120 µm sur 1,5 mm d'épaisseur, soit 8 %. Aucun trou percé, aucune fissure. Ces 12 000 heures couvrent largement les 16 mois de poussée d'une mission vers Jupiter. Une grille en molybdène, le métal habituel, aurait perdu environ 460 µm et dépassé la limite de fin de vie (30 % d'usure).

Usure de la grille au fil des heures

SiC (NK-125)0 µm

Molybdène0 µm

0 h

Figure 5Épaisseur perdue par la grille d'accélération (mesures toutes les 500 h) comparée à une grille en molybdène, calculée pour les mêmes conditions. À droite, un agrandissement des trous de la grille : ils s'élargissent à mesure que le métal s'use. La ligne pointillée marque la limite de fin de vie (450 µm).

Pourquoi le carbure de silicium ?Sous le bombardement des ions, il perd presque quatre fois moins d'atomes que le molybdène. Il résiste aussi mieux à la chaleur et se déforme moins, ce qui garde les trous des trois grilles parfaitement alignés.

04Application : vers Jupiter

Le module robotisé PROMETHEUS-2 (15 tonnes au départ) doit gagner 24,6 km/s pour rejoindre Jupiter. La relie cette vitesse au carburant nécessaire :

ΔV = I_sp · g₀ · ln(m_départ / m_arrivée)

Avec quatre NK-125, il ne faut que 3,4 t de xénon au lieu de 4,0 t avec des NK-85. Et comme la poussée totale est plus forte, le module accélère plus vite : le voyage passe de 26 à 22 mois.

Trajet Terre–Jupiter en spirale

Temps écoulé0 mois

Distance au Soleil1,0 UA

Xénon consommé0 kg

Figure 6Trajectoire simulée de PROMETHEUS-2 (distances à l'échelle, une unité astronomique valant la distance Terre–Soleil). Les moteurs poussent en continu pendant la phase en spirale, puis le module termine en vol libre. Changez de propulseur pour comparer la durée du voyage.

Tableau 2Ce que change le NK-125 pour PROMETHEUS-2

Paramètre	4 × NK-85	4 × NK-125	Gain
Puissance électrique	340 kW	500 kW	+47 %
Poussée totale	6,0 N	7,6 N	+27 %
Xénon nécessaire	4,0 t	3,4 t	−15 %
Durée de poussée	20 mois	16 mois	−4 mois
Durée totale du voyage	26 mois	22 mois	−15 %
Masse livrée à Jupiter	11,0 t	11,6 t	+0,6 t

Simulation de trajectoire IFRAS, module de 15 t, ΔV de 24,6 km/s, 6 mois de vol libre en fin de trajet.

05Conclusion

Le NK-125 est le premier propulseur ionique de l'IFRAS à réunir une impulsion spécifique supérieure à 9 600 s, une puissance de 125 kW et une endurance de 12 000 heures. La troisième grille en carbure de silicium est la clé de cette longévité. Les prochaines étapes visent le vol.

Janv. 2026Endurance validéeFin de la campagne TORCH-IV à HÉLIOS-6.
2028Démonstrateur IONOS-1Premier NK-125 testé en orbite terrestre.
2031PROMETHEUS-2Départ du module de transfert vers Jupiter.