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Quel ticket pour l’espace

Avec une exploitation des satellites largement commerciale, il est naturel que les opérateurs se préoccupent de plus en plus du prix des satellites et de leur mise en orbite. Pour les fabricants, la concurrence et le progrès technique  influent sur les prix, mais si les principes mêmes de conception
et de mise en orbite ne sont pas modifiés ce ne peut être que d’une façon marginale.

Rappelons  brièvement que l’utilisation  d’un satellite en orbite implique trois postes de dépenses. Dans le  coût du lancement, il y a la conception et la fabrication du satellite qui représente 50 à 65 % et le lanceur, les assurances  et les opérations  qui complètent la dépense.  Les frais d’exploitation sont le troisième volet  très variable selon le type de satellite.

Pour avoir en tête une idée générale du prix du ticket pour l’espace, voici un ordre de grandeur des dépenses  pour un satellite géostationnaire de 4 à 5 tonnes mis en orbite avec Ariane 5 
Opération de 300 millions € : Satellite : # 180 M€ - Lanceur (tir double) 80 M€ - assurance et frais 40 M€

Pour les exploitants et les industriels, les millions qui partent en fumée avec le lanceur sont une préoccupation  irritante depuis bientôt 35 ans. Chacun propose des améliorations, mais la solution miracle, si elle existe, n’a pas encore été trouvée.

Les grandes étapes

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LES SOURCES D’ECONOMIE

Les systèmes et les satellites

Nous ne nous étendrons pas sur les systèmes qu’il convient de mettre en orbite sous la meilleure forme adaptée à l’utilisation recherchée.  C’est un choix fondamental  qui définit les spécifications d’un satellite ou d’un groupe de satellites. .
Découlant de sa mission, le satellite lui-même est réalisé en harmonisant les critères de performance, de masse  et de fiabilité (durée de  vie). Depuis les années 80, une véritable industrie spatiale s’est créée qui n’a  cessé d’améliorer les satellites dans ces trois domaines en exploitant les progrès de l’électronique, de l’informatique et des matériaux nouveaux.  De nouvelles  économies substantielles viendraient  plutôt de choix originaux dans la définition et de la constitution  des systèmes spatiaux.

 

Lanceurs et exploitation

Pour atteindre l’objectif assigné de mise en orbite, l’engin de lancement peut prendre des formes très variées depuis le simple propulseur jusqu’à l’avion spatial. Les réactions chimiques ou nucléaires qui engendrent la poussée peuvent avoir des sources différentes, de même que les matériaux et l’architecture des moteurs.

A ce jour, si de nombreuses recherches ont été faites autour des lanceurs, seules deux techniques  ont été retenues pour  l’exploitation opérationnelle. Elles font toutes les deux appels  à des ergols (combustible + comburant)  chimiques  qui peuvent être solides ou liquides.

Fusée classique

Le principe  remonte aux feux d’artifice chinois  et utilise la poussée fournie par des gaz de combustion.  La fusée est consommable  et il n’en reste que des déchets. C’est cette forme de lancement, issue d’applications militaires, qui a permis les premiers vols spatiaux  et qui reste la plus utilisée actuellement.

Avion spatial

Le principe d’un engin qui se met en orbite terrestre pour y déposer des satellites, puis qui revient à sa base est séduisant. Il a été mis en œuvre avec les Navettes américaines (Space Shuttle)  qui en 30 années de service ont effectué 135 vols spatiaux .La Navette, beaucoup plus couteuse que les lanceurs classiques pour placer les satellites en orbite,  a  finalement été abandonnée en 2011   pour des raisons essentiellement économiques. Elle reste une grande réussite de la conquête spatiale.

 

Quelles économies sur les systèmes spatiaux ?

Après bientôt soixante ans d’activités spatiales et l’expérience de la Navette américaine, il apparait que les fusées classiques restent le moyen le moins couteux  pour placer un satellite en orbite.  Il faut donc rechercher quelles modifications et quelles adaptations  pourraient permettre de faire des économies. Nous pouvons  citer au moins trois pistes pour réduire les coûts.

Production, qualification, essais
La fabrication et les contrôles sont très exigeants en temps. Une tentation est de les simplifier. Elle n’a de sens que quand le volume de la production et l’expérience acquise  le permettent sans risque. C’est avec l’amortissement des outillages un des avantages des séries.

Flexibilité et  regroupement
Avoir des lanceurs adaptés à la masse du satellite et à la mission reste la meilleure façon de faire des lancements économiques.  Une autre solution consiste à regrouper plusieurs charges utiles sur le même lanceur. Utilisée notamment par Ariane 5, cette dernière méthode est souvent critiquée pour son manque de flexibilité.

Réutilisation partielle
Une partie de la fusée est satellisée  et la préoccupation des Agences spatiales est plutôt de la voir se détruire rapidement  pour ne pas encombrer les orbites. Par contre, le premier étage qui est le plus important  et le plus couteux  retombe  quand il a terminé sa poussée. Pour les moteurs à ergols liquides, la partie propulsion, la plus complexe,  reste en état de fonctionnement avant de s’écraser en mer. En termes de coût, autant imaginer un avion long-courrier mis à la casse après un vol Paris-Tokyo !

Récupérer cet étage, quel beau programme pour  les comptables et les ingénieurs.

 

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REUTILISATION DES MOTEURS

L’idée n’est pas nouvelle  et les Agences ont lancé des études il y a plus de 10 ans.  Ainsi, le CNES et Roskosmos  se sont penchés sur la question avec les projets Oural et Volga qui, jugés peu rentables, n’ont pas été retenus.

Le défi spatial des tycoons

Habitués à bousculer les limites, les grands managers ont été rapidement attirés par l’espace et la nouvelle frontière qui s’offrait aux visiteurs assez riches pour se payer le voyage. Sans détailler ces actions, il est intéressant de noter  combien des initiatives individuelles  ont pu secouer et influencer les industriels et les Agences.

Space Ship  One & Two

L’un des premiers fut Paul Allen, co-fondateur de Microsoft avec Bill Gates, qui se lança dans le projet d’avion spatial Space Ship One pour gagner en 2004  le Ansari X-Prize de 1 million de $ Ce prix offert par les entrepreneurs Ansari, riche famille iranienne, se proposait  de lancer le tourisme spatial et était remis au premier engin dépassant l’altitude de 100km au moins deux fois en 10 jours.Après ce succès, le programme Space Ship a été transféré à Richard Bronson, patron de Virgin  dont l’entreprise Virgin Galactic a développé  dès 2010 Space Ship Two  une version plus performante. Un accident en 2014 a retardé le programme de tourisme  qui est l’objectif de cet avion « spatial ».

Blue Origin- New Shepard

Une autre initiative vient de Jeff Bezos, fondateur  de la firme internet mondiale Amazon. Elle  propose avec des objectifs touristiques comparables une autre technologie  plus proche de la fusée réutilisable. Sa société Blue Origin a développé  la fusée New Shepard . Elle ne comprend qu’un seul étage surmonté d’une capsule de 6 m de diamètre accueillant jusqu’à 6 astronautes pour un parcours au-delà de l’atmosphère. Le moteur BE-3 à ergols liquides Hydrogène –Oxygène  a une poussée de 49 tonnes (500  kN). Il est d’une remarquable flexibilité  puisqu’après largage de la capsule au-delà de 100 km, il peut revenir se poser sur son aire de lancement. La fusée New Shepard  a fait un premier vol aller- retour  en novembre 2015 et a pu être réutilisée  pour un vol le 22 janvier 2016. Blue Origin prépare la version  améliorée BE-4  pour 2017.

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Space X- Falcon 9

Enfin, le dernier projet remarquable vient de Elon Musk, autre richissime industriel d’origine sud-africaine (Tesla Motors, Paypal, Solarcity, …). Il a créé la société Space X  et se présente comme un concurrent  des entreprises  qui lancent les satellites commerciaux telle Arianespace.
Dans ces initiatives, les premières, tournées vers le tourisme spatial ont apporté des idées, mais n’ont pas perturbé l’équilibre  des grands opérateurs spatiaux. Par contre, Space X  qui s’invite avec agressivité dans le marché des lancements de satellites a relancé les recherches d’économies sur les opérations de lancement et contraint Arianespace à remettre en question son très performant lanceur  Ariane 5.  

 

LES LIMITES D’ARIANE 5

Le lanceur lourd Ariane 5 conçu dans les années 90 pour mettre en orbite basse des engins de 20t et sur l’orbite de transfert géosynchrone  jusqu’à 10 t est une fusée d’une fiabilité remarquable  qui domine le marché important des lancements de satellites géostationnaires de télécommunications. Il a toutefois quelques défauts couteux  exploités par la concurrence  (Zénith, Proton, Longue Marche 5, Antares, Falcon 9, ..) pour lui ravir des marchés. La qualité des services lui permet de maintenir sa position, mais cet avantage diminue  et il est temps pour les Européens de préparer une nouvelle génération de lanceurs mieux adaptés à l’évolution du marché. 

Space X avec Falcon 9 a agité la sonnette d’alarme !

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Que manque-t-il à Ariane 5 ?

Le reproche le plus marquant est son manque de flexibilité pour s’adapter à la grande variété de satellites à lancer. Même pour les lourds satellites de télécommunications, il faut les regrouper par deux pour utiliser toute la capacité du lanceur. Il n’a pas ces propulseurs d’appoint optionnels qui permettraient de moduler les masses lancées.  D’autre part, à la différence de lanceurs plus récents, son deuxième étage n’est pas ré-allumable  et manque de souplesse pour certaines missions. Ces faiblesses pèsent évidemment sur les coûts  et demandent d’étudier un concept  mieux adapté aux besoins et aux contraintes du marché actuel.

 

FALCON 9 et  ARIANE 6

Soutenu par la Nasa, Space X est le plus sérieux concurrent d’Arianespace pour les années à venir. L’entreprise européenne a mesuré le risque représenté  à moyen terme sur le marché des lancements. Les instances concernées ont lancé en 2014 une étude pour contrer cette concurrence et pour définir  un lanceur  à moindre coût  mieux adapté au marché, c’est le programma Ariane 6, adopté en fin  2015.

 

SPACE X et le lanceur  FALCON  9- (Full  Thrust)

Le magnat américain Elon Musk, passionné d’espace, a créé la société Space X avec pour ambition à terme de créer sur Mars une colonie humaine importante. La première étape est de disposer de lanceurs adaptés et peu couteux. Il a obtenu en 2008 un contrat important avec la NASA pour assurer la liaison avec la Station Spatiale Internationale. C’est le départ pour le développement de son programme de  lanceurs qu’il organise avec comme objectif : placer un kg de charge utile en orbite au moindre coût.
Ce prix de lancement qui est souvent comparé à 1 kg d’or à payer pour placer 1 kg dans l’espace pourrait d’après lui être divisé  au moins par 10. C’est probablement très optimiste, mais le diviser par 2 serait une révolution.

Les recettes de SpaceX.

Avec beaucoup de pragmatisme, Space X adopte toutes les solutions qui permettent de réduire les coûts par l’organisation industrielle et  par la simplification des techniques et des équipements.

1/ Intégration verticale Pas de sous-traitant. Tout est fabriqué  et installé par l’entreprise, ce qui simplifie les interfaces et diminue les coûts.

2/ Un seul moteur fusée  La fusée à 2 étages n’utilise que le seul moteur de base Merlin développé et amélioré par SpaceX . Le premier étage est composé de 9 moteurs Merlin en cercle et le second étage n’en a qu’un.
Les moteurs sont les plus simples possibles, parfois trop simplifiés ! Mais les corrections juste nécessaires  ont été appliquées après les essais. Il y a eu au moins 4 versions de ces moteurs Merlin pour aboutir au lanceur Falcon 9.

3/ Des ergols moins exigeants.  Les moteurs Hydrogène-Oxygène liquides sont les plus performants mais ils exigent des équipements spéciaux pour ces ergols à basse température. Les moteurs Merlin abandonnent l’Hydrogène liquide pour le RP-1 qui est un kérosène purifié, certes moins performant mais plus pratique.

4/ Récupération du premier étage  Pour ne pas perdre en mer le premier étage et ses 9 moteurs Merlin, Space X a étudié un système de récupération de cet équipement.  Après la séparation avec le deuxième étage, les moteurs du premier étage fonctionnent en rétrofusée  pour freiner l’étage dans sa chute. Puis, cet étage est piloté  pour se poser  en douceur sur le site de lancement.

Cette opération délicate exige 40 t. de carburant et ne se fait pas sans pénaliser les performances  du lanceur qui perd de 20 à 30 % sur sa capacité de mise en orbite. Cette manœuvre a été réalisée avec succès en début 2016.

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Perfomances de Falcon 9- Full Thrust

Depuis 2010, Space X a perfectionné son lanceur Falcon. La dernière version est le Falcon 9 Full Thrust qui utilise les moteurs Merlin 1 D –V  avec une poussée de 800 kN. A la séparation du 1er étage, le lanceur atteint 12.000 km/h en version consommable  et 7.200 km/h en version récupérable. Le lanceur Falcon 9 peut porter 13 tonnes en orbite basse   et 5,5 tonnes sur l’orbite de transfert des satellites géostationnaires.
Le lancement couterait  autour de 75 millions d’Euros, moins cher qu’Ariane 5 dans ses plus bas prix.
           

Programme ARIANE 6

Les paramètres qui conditionnent le coût final d’un lancement sont nombreux et parfois méconnus. On se souvient de l’échec commercial de la Nasa qui espérait rafler le marché des lancements avec la Navette et qui, face aux frais de lancement  a dû abandonner  ce créneau aux fusées traditionnelles. Les conditions fixées pour Ariane 6 se sont plutôt limité à des schémas connus et des solutions prudentes.
Ici aussi : flexibilité,  simplification et économies ont été les bases de la réflexion.

Cadre étroit pour les spécifications

Après réflexions sur les capacités recherchées du lanceur, des limites claires ont été fixées pour sa définition comme par exemple :    
            -pas d’utilisation pour des vols habités dont on connait les lourdes contraintes.
            -pas les seuls lancements doubles  qui créent des files d’attente pour la date de lancement.
            -lanceur consommable, donc pas de réutilisation d’étage.
            -moteurs cryogéniques  classiques H2-O2 ré-allumables si nécessaire.
            -exploiter au mieux les études de moteur existantes en Europe.

Choix des performances

Des performances claires attendues :  pouvoir lancer UN satellite géostationnaire ( 5 t)  et éventuellement DEUX  dans une autre configuration.  Les capacités en orbite basse et héliosynchrone en découlent.  Le moteur du dernier étage ré-allumable  complète la gamme de missions  remplies par Ariane 6.

Principe  du lanceur 

Au tour d’un corps central composé de deux étages cryogéniques H2-O2, sont disposés des moteurs à poudre qui donnent l’impulsion initiale. Leur nombre varie selon l’objectif  à atteindre.

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Description d’Ariane 6

En commençant par le haut du lanceur, on trouvera  comme d’ordinaire la coiffe de la charge utile  puis le cerveau du lanceur dans une case à équipement.  Au-dessous sont les étages de propulsion fournis par le groupement ASL (Airbus Safran Launchers) :

-3ème étage composé du moteur cryogénique Vinci

Poussée : 180 kN – durée de fonctionnement :900 s- ré-allumable

-2ème étage  composé du moteur cryogénique Vulcain 2.1

Poussée : 1350 kN – durée de fonctionnement :460 s

-1er étage  composé de propulseurs à poudre P 120 C

Poussée d’un propulseur  4000kN  pendant 130 s.

C’est en jouant sur le nombre de propulseurs P 120 C que sont constituées les 2 versions d’Ariane 6

Ariane A62- 2 propulseurs- 5 t. GTO
Ariane A64- 4 propulseurs -10 t. GTO

 

Calendrier et production

Le calendrier affiché prévoit un lancement d’essai en 2020. C’est sur cette date que sont calés  les programmes de production industrielle  et  de construction  des locaux de montage et du pas de tir en Guyane. 
Sans être aussi précis, c’est dans le début des années 20 qu’Ariane 6 remplacera progressivement Ariane5.  La production pourrait atteindre jusqu’à 12 exemplaires par an.

                               

CONCLUSION

L’accès à l’espace est un marché intéressant et il est probable que bien d’autres concurrents se mettront sur les rangs pour amortir les lourds investissements qu’il faut consentir pour disposer d’un lanceur national ou commercial. L’alerte SpaceX  vient de montrer que la grande qualité technique  comme celle de l’industrie autour d’Ariane  est un atout primordial, mais qu’elle ne suffit pas dans un marché si convoité . Ariane 6 est une réponse que l’on espère efficace mais il a fallu 3 ans pour la décider. C’est bien long face à un Elon Musk qui tire plus vite que son ombre et qui pourrait nous réserver d’autres surprises ! Il parle du Falcon Heaivy et de ses 50 tonnes satellisées en orbite basse.

 

 

Textes : Jack Muller - Illustrations: Internet

crédits image: http://hubblesite.org/gallery http://www.esa.int/