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FUSEES SPATIALES

Il faut que les satellites artificiels, les sondes lointaines et les engins spatiaux divers disposent d’un moyen pour s’extraire de la pesanteur afin d’atteindre leur orbite. Cette étape  nécessite une grande dépense d’énergie et elle est confiée à une fusée.
Après le lancement de Spoutnik, les Etats ont mesuré l’importance militaire et économique de leur présence dans l’espace et les fusées sont devenues des équipements stratégiques permettant d’atteindre cette nouvelle frontière. Depuis cette compétition des débuts où la France a tenu une honorable troisième place, les technologies se sont vulgarisées et beaucoup d’états ont développé leurs fusées et lancé leurs satellites. De technologique, la compétition est devenue économique. Avec le lancement de plus de 100 satellites et sondes par an, dont une trentaine de charges commerciales lourdes, le marché des fusées spatiales est des plus attractifs pour les pays industrialisés , d’autant qu’il occupe un personnel hautement qualifié. Cette PdQ vous est présentée pour faire le point au moment où se prépare un épisode de concurrence sévère avec l’émergence de nouveaux pays et surtout la croissance de la firme commerciale américaine Space X. Cette concurrence pour Arianespace a renforcé l’urgence de disposer d’un lanceur  Ariane 6  low-cost pour l’Europe.

 

RAPPELS DE PRINCIPES

Une longue histoire

Des gaz sous pression s’échappant par un petit orifice d’un récipient clos propulsent celui-ci par simple réaction. Ce sont les Chinois qui les premiers ont utilisé ce principe pour des feux d’artifice ou des engins de guerre. Pour créer ces gaz, on va utiliser des mélanges, les propergols, qui ont la propriété de s’enflammer sans nécessiter l’oxygène de l’air et de produire une grande quantité de gaz très chauds. Diverses matières ont été utilisées, mais c’est finalement la poudre noire, mélange de charbon, soufre et salpêtre, qui s’est imposée et qui est apparue en Occident au milieu du XIIIème siècle. L’utilisation sous forme de fusée s’est limitée aux spectacles de feux d’artifice et à quelques engins incendiaires militaires. Finalement, seules  les armes à feu utilisent la poudre et on peut voir qu’en 1865, pour aller “De la Terre à la Lune” Jules Verne ne voit qu’un canon pour propulser sa cabine. Au début du 20ème siècle, des précurseurs parlent de fusées et de vols spatiaux. On retiendra Constantin TSIOLKOVSKI en Russie, Robert GODDARD aux USA et plus tard Hermann OBERTH en Allemagne et  Robert ESNAULT-PELTERIE en France. L’utilisation de fusées à longue portée apparait au cours de la 2ème Guerre Mondiale avec les V2 et se développe rapidement ensuite avec des objectifs militaires. C’est par Spoutnik, le 4 octobre 1957 que l’utilisation spatiale commence.

 

 

Quelques règles de fonctionnement

Sans refaire les équations complexes du vol des fusées, il faut retenir quelques principes appliqués à leur fabrication. Un ou plusieurs réservoirs contiennent les propergols hautement combustibles. Dès la mise à feu les gaz de combustion sont éjectés à grande vitesse vers l’arrière et par “réaction” propulsent le corps de la fusée dans l’autre sens. Entre l’allumage et l’extinction des propergols, l’augmentation théorique de vitesse va dépendre de trois facteurs principaux qui sont la vitesse des gaz, la masse de  l’engin à l’allumage et la masse à la fin de la combustion. En lancement depuis la Terre, cette vitesse sera freinée par la pesanteur  et par le frottement aérodynamique dans l’air. Une équation simplifiée de l’augmentation de vitesse est: Dv= Vgaz x Log (Ma/Mf)

On note que pour que la fusée atteigne une grande vitesse permettant la satellisation il faut:
- une éjection la plus rapide possible des gaz de combustion, ce qui dépend des propergols utilisés.
- une masse Mf de l’engin la plus basse possible à la fin de la combustion.
Ceci nous explique pourquoi les fusées lanceurs de satellites sont formées de plusieurs étages comme le montre ce calcul simple:

soit une fusée pesant 550 tonnes composée de 500 t de propergols, de 40t de structure et de 10 t de charge utile (les satellites).

-S’il y a un seul étage, il va devoir pousser les 50 t de structure et de charge utile et n’atteindra que 4 ou 5000 m/s.
-Si on prévoit deux étages répartis comme suit:
              1er étage C’est le plus lourd avec  400 t de propergol +30 t de structure.
              Avec 500 t au décollage, il atteint 4000 m/s.
              2ème étage   Quand le 1er étage se détache, le 2ème est déjà à 4000 m/s et après la combustion
              il atteindra les 8000 m/s nécessaires à la satellisation.

Il ne reste que 20 t en fin de la combustion alors qu’avec un seul étage il serait resté 50 t

 

COMPOSANTS D’UN LANCEUR

La partie active indispensable est composée des moteurs et des propergols qui les alimentent. Celle-ci est intégrée dans une structure qui va participer à l’aérodynamisme et à la trajectoire de la fusée. Il faut enfin un cerveau de pilotage et les capteurs donnant des informations pour guider et piloter la fusée. Tout ceci pour protéger une charge utile et la mettre sur la bonne orbite.

Moteurs et propergols

Les moteurs de fusées ne peuvent pas trouver dans l’atmosphère l’oxygène nécessaire à la combustion d’un carburant. Ils emportent donc carburant et comburant qui peuvent être sous forme gazeuse, liquide ou solide. On trouve très souvent dès fusées dont le corps est composé d’étages à liquides et qui possèdent des accélérateurs de premier étage à propulseur solide.

Les propergols liquides

Parmi les éléments chimiques utilisés, on retrouve souvent l’hydrazine ou le kérosène, associé au peroxyde d’azote ou acide nitrique. Mais les moteurs les plus performants associent simplement sous forme liquide l’hydrogène(-253°C) et l’oxygène (-183°C)  et en emportent dans leurs réservoirs plus de 200 tonnes. L’impulsion spécifique est de 440 secondes.
L’impulsion spécifique mesure la performance, c’est en secondes  la durée pendant laquelle un kilogramme de propergol produit une poussée équivalente à une masse d'un kilogramme.

 

Les propergols solides

On désigne généralement par poudre le matériau utilisé qui est composé de perchlorate d’ammonium (oxydant) , de poudre d’aluminium et de polybutadiène, un élastomère qui sert de liant. L'impulsion spécifique obtenue est de 250 secondes. La poudre est généralement moulée en forme de tore avec un vide central où se fait la combustion. Les moteurs à liquide comportent des pompes et des compresseurs pour injecter les ergols dans la chambre de combustion.
Tous les moteurs se terminent par une tuyère qui accélère les gaz de combustion et sont parfois orientables. D’autres moyens de propulsion comme la propulsion ionique peuvent être utilisés mais la faible poussée ne permet pas de les retenir pour la mise en orbite des vaisseaux.

Autres composants

Structure aérodynamique et coiffe

Le corps du lanceur qui va contenir les moteurs, les réservoirs, les équipements de pilotage et la charge utile doit répondre à deux exigences: être les plus légers possibles  pour améliorer les performances et avoir un profil aérodynamique facilitant le passage dans les couches denses  de l’atmosphère. Il est équipé d’un empennage de stabilisation et souvent d’une coiffe abritant les charges utiles.
La coiffe est éjectée à haute altitude quand le lanceur est hors de l’atmosphère.

Cerveau et case à équipement

Un lanceur a une mission complexe qui va être pilotée par un ordinateur de bord installé avec les autres équipements de pilotage dans un tronçon placé au-dessus des moteurs avant la charge utile. C’est la case à équipements. Le lanceur est pendant son vol en liaison radio avec le PC de lancement qui peut intervenir pour apporter quelques corrections à la trajectoire.

Sauvegarde

Une défaillance du lanceur peut mettre en péril le pas de tir et les territoires survolés. Une fonction importante est la sauvegarde qui calcule les risques entrainés par une dérive de la trajectoire ou un disfonctionnement. Ses responsables peuvent décider à tout moment de la destruction du lanceur s’il devient dangereux.

 

LANCEURS HISTORIQUES

Mise à part la Navette spatiale, tous les lanceurs de satellite ont pour origine des fusées balistiques militaires modifiées et adaptées aux missions civiles. Avant de citer les principaux lanceurs actuels, un retour sur le passé et quelques lanceurs mythiques n’est pas inutile.

U.R.S.S. – Russie

C’est la  fusée Semiorka qui a lancé Spoutnik 1, mais les Russes ont développé rapidement les lanceurs spatiaux Vostok et Soyouz.

VOSTOK   (Est)
C’est la première famille qui a permis le vol de Gagarine. Le lanceur issu des Semiorka emportait 5,5 t. en orbite basse. Il fut amélioré et lancé 167 fois et un modèle fut utilisé pour les satellites de télécommunication jusqu’en 1991.

SOYOUZ  (Union)
Le terme est devenu maintenant commun et il recouvre plusieurs réalisations spatiales russes. Il désigne  d’abord un Programme lancé en 1960 prévoyant des vols habités jusqu’à la Lune. Ce programme utilise les capsules Soyouz encore  en service et les lanceurs du même nom. Notre propos concerne les lanceurs. Lanceur 3 étages de 300 t, il place de 7 à 9 tonnes en orbite basse. Il peut être lancé de Baïkonour, Plesetsk et Kourou. Plus de 1750 fusées Soyouz ont été lancées avec un taux de réussite de 98%.

PROTON
C’est le lanceur lourd complétant la gamme soviétique en 1960. Il comporte 4 étages pour une masse de 700t t. et peut  placer 20 tonnes en orbite basse. Encore en service, Proton a été lancé 400 fois avec 87 % de succès.

 

U.S.A. – Nasa 

Quelques lanceurs bien connus ont jalonné l’histoire spatiale des Etats Unis et certains d’entre-eux nous sont familiers pour avoir mis en orbite des satellites français. Les militaires ont leurs propres moyens de lancement, mais les lanceurs ne sont pas différents.

SCOUT
Cette petite fusée  (20 t) de 4 étages est un des rares lanceurs dont tous les moteurs sont à poudre. Elle date des  années 60 et permettait de lancer des petits satellites scientifiques (< 200 kg). Elle a lancé le satellite EOLE en 1971.

THOR-DELTA
Ou plus simplement DELTA. Issue du missile THOR, cette fusée va lancer les premiers satellites de télécommunication et notamment les 2 satellites franco-allemands Symphonie. Si le nom est resté, les lanceurs DELTA vont beaucoup évoluer et la charge utile passer de 200 kg à plusieurs tonnes. Plusieurs centaines de Delta ont été lancés.

TITAN 
C’est  dès 1959 le lanceur étudié pour couvrir la gamme supérieure. Très utilisé par les militaires il évolue beaucoup et sa charge utile avoisine les 20 t. Dans ses différentes versions, près de 500 lancements de Titan ont été effectuées.

Il faut terminer ce parcours parmi les lanceurs américains par les deux plus prestigieuses réalisations: la fusée Saturn 5 et la Navette.

SATURN 5
C’est pour la mission Apollo sur la Lune, la plus grosse fusée jamais construite (110m de haut, 3000 t au lancement, 118 t placés en orbite basse et 45 t envoyés vers la Lune). Elle comportait 3 étages  et seulement 13 exemplaires ont été fabriqués.

SHUTTLE-NAVETTE
Issue d’un mauvais calcul économique, la Navette n’en est pas moins une très belle  réalisation technique. Cet ensemble de 2000 t. au décollage emporte un Avion spatial de 25 t. qui peut mettre des satellites sur orbite et revient sur terre après sa mission. Six exemplaires ont été construits dont quatre opérationnels ont effectué 135 vols. On connait les deux accidents tragiques qui ont conduit à la fin du programme.

 

EUROPE-France

Deux belles réalisations sont à citer pour l’Europe et la France qui a été le moteur du développement spatial européen.

DIAMANT
Première fusée à placer l’Europe dans les grandes puissances spatiales après l’URSS et les USA, elle a été le banc d’essai pour la future Ariane et pour l’industrie spatiale en charge des premiers satellites.

ARIANE
Conçue et validée dans les années 70, Ariane est un programme européen qui compte plusieurs familles de lanceurs et notamment les Ariane 4 et Ariane particulièrement performantes. Plus de 200 lancements  ont été effectués par la filière Ariane depuis Kourou (Guyane) avec plus de 95 % de succès.

 

PRINCIPALES PUISSANCES SPATIALES

L’accès à l’espace a pour les Etats un double intérêt qui explique les efforts entrepris par de nombreux pays pour placer un satellite en orbite. Le premier peut être stratégique, politique et économique. Il est un gage d’indépendance notamment dans l’observation et les communications. L’autre aspect est lié à l’image de capacité et d’avance techniques qu’un pays veut présenter pour se situer dans le classement des puissances développées. Il participait à l’intimidation en période de guerre froide, il affiche un pouvoir de concurrence dans l’économie mondiale actuelle.

Lanceurs commerciaux

Un modèle de lanceur s’élabore comme un mécano à partir des composants majeurs dont on dispose (moteurs, case, pas de tir, ...) et adapté à la mission à remplir. Le prix de revient du lancement est une contrainte commerciale de plus en plus importante. Il conduit à des recherches sur les modèles de fusée les plus rentables en fonction des moteurs et de la masse de charge utile emportée (lancement simple ou multiples, récupération des étages à poudre éjectés, amélioration des propergols, etc...).
Il n’y a pas de révolution technologique en vue et c’est l’aptitude à prévoir l’évolution du marché qui fera la différence.

ARIANESPACE
Le lanceur européen est en tête sur le marché des lancements commerciaux, mais il est soumis à la pression de la  concurrence  et  la société Arianespace étudie le développement d’un lanceur mieux adapté au marché et d’un coût  moins élevé. Le lanceur actuel Ariane 5 est très performant mais il a peu de souplesse pour s’adapter à des charges utiles de masses diverses et donc pour fixer au plus juste les prix des lancements. Le lanceur Ariane 6 recherché avec ses 600 t portera des charges utiles de 3 à 6 t. L’objectif est d’en disposer vers 2020, mais la formule est encore en discussion.

SPACE X
Cette  firme californienne nouvelle a développé Falcon 9 un lanceur moyen mettant 4,5 t en orbite géostationnaire pour le prix actuellement le plus bas du marché. Les commandes de la NASA soutiennent cette entreprise très dynamique qui travaille sur diverses améliorations comme les lanceurs réutilisables. C’est la principal concurrent d’Arianespace.

AUTRES FOURNISSEURS
Il n’est pas utile de les détailler car leur  concurrence avec Ariane n’est pas au même niveau. On trouvera ainsi  ILS (International Launch System) le groupe russo-américain qui commercialise le lanceur lourd Proton et connait de nombreux échecs, les Chinois avec Longue Marche dont la clientèle est hésitante et même les Japonais avec Epsilon qui n’a pas prouvé sa fiabilité.

 

Choix des sites de lancement

Conditions

Ce choix va être important pour atteindre la vitesse optimale et l’inclinaison choisie pour le satellite. Une orbite est un cercle (ou ellipse)  dont le centre ( ou un foyer) est confondu avec le centre de la Terre. Pour obtenir simplement toutes les inclinaisons, il faut donc lancer d’un point situé sur l’Equateur terrestre. D’autre part, comme la Terre tourne sur elle-même d’ouest en est et parcours 40.000 km en 24 h (460 m/s) à l’équateur, cette vitesse s’ajoutera partiellement à celle du lanceur si on lance les satellites vers l’est (Voir Kourou et cap Canaveral.

En résumé, les meilleurs sites de lancement sont ceux qui sont proches de l’Equateur, où l’on lance vers l’Est dans un cône sans risque pour la retombée des premiers étages (Mers ou déserts). 

Principales bases

Les pays qui lancent le plus de satellites sont les USA, la Russie et l’Union Européenne. Ensuite, viennent la Chine, le Japon et l’Inde. D’autres pays ont fait leurs premiers lancements ou se préparent à les faire.Ce sont l’Iran, Israël, les deux Corées, le Brésil etc...
Voici quelques bases de lancement  dont la presse se fait régulièrement écho:

Etats Unis 
La plus au sud est Cap Canaveral (20°N) d’où partent les plus grandes fusées. Deux bases pour les satellites civils et militaires sont à 35° N. A l’est Wallops Island (Virginie) et à l’ouest Vandenberg (Californie). D’autres sites sont utilisés, notamment les Iles Marschall (9° N) par la firme Space X.

Russie
A la fin de l’URSS  plusieurs bases ont été désactivées. Les principaux sites actuels sont Baîkonour (45°N), Plessetsk (60°N), Svobodny (50°N) et quelques sites militaires (Kapoustine, Dombarovski, Yasni,...) plus ou moins actifs. Depuis 2011, les fusées Soyouz  sont aussi lancées de Guyane.

Europe 
Sous l’autorité de l’ESA, les lanceurs européens sont lancés de Kourou (5° N-Guyane française ) par le CNES. Cette base a été opérationnelle en 1970, elle a remplacé Hammaguir(Algérie).

Chine  
Très active dans le domaine spatial, la Chine a un programme ambitieux. Trois bases importantes   sont à Xichang (28°N), Jiuquan et Taiyuan (40°N).

On connait les principales  bases de lancement de satellites dans le monde, mais la liste est incomplète. Car si les gros lanceurs  exigent des installations lourdes, certains lancements peuvent être faits sur des structures plus légères comme des pontons flottants en mer.

 

CONCLUSION

Ce bref parcours dans le domaine des fusées spatiales nous montre que ces équipements ont beaucoup perdu de leur importance stratégique qui contraignait les Etats à en financer et diriger le développement. A part les missions exceptionnelles, la production des lanceurs est devenue une opération industrielle et commerciale qui peut être privatisée. La NASA l’a très vite compris et appliqué au risque d’être dépendante de fournisseurs étrangers comme pour les liaisons et le ravitaillement vers la station spatiale internationale.
Ceci ne peut toutefois pas s’appliquer aux recherches  fondamentales et technologiques sur la propulsion et les lanceurs du futur qui restent une responsabilité des Agences spatiales comme la NASA, l’ESA et le CNES.  

 

 

 

 

Textes : Jack Muller - Illustrations: Internet

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