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Lanceur de demain

Un vent frais  qui souffle de Silicon Valley.

Falcon 9, Ariane 6, New Shepard,…une révolution silencieuse est en train de secouer le secteur un peu endormi sur ses lauriers (mérités pour Ariane 5 !) de l’accès à l’espace.
Dérivés des missiles militaires, les lanceurs de satellites sont depuis 60 ans considérés comme des outils consommables pour placer un objet sur une orbite ou aller bien au-delà. Mais avec la précision des manœuvres  et la fiabilité demandées, le coût du lancement  représente  souvent plus du tiers de celui de l’opération et pèse lourdement sur le prix des services. D’où les réflexions et les efforts faits pour alléger la facture du lancement. La Nasa s’est lancée la première avec le développement de la Navette, un véhicule spatial  qui transportait les satellites en orbite basse et revenait pour une prochaine mission. De 1981 à 1986, la Nasa a tenté de rentabiliser ce système et l’a finalement abandonné pour les opérations commerciales. Peu souple et trop cher. On est donc revenu à l’amélioration des fusées classiques, à la simplification des méthodes et à la réduction des coûts. Et cela a prévalu encore  presque 30 ans !

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Rappels sur 60 ans de lanceurs

Si l’origine industrielle des fusées qui ont abouti aux lanceurs remonte aux V2 allemands de 1944, ce n’est que le 4 octobre 1957 que débute  l’ère des lanceurs spatiaux  avec Spoutnik.

Caractéristiques  remarquables    

Le principe est simple et peut être comparé au chalumeau oxy-acétilénique  quand on utilise des gaz comprimés ou liquéfiés. Quand les ergols sont solides comme dans le cas des propulseurs d’appoint, l’image est celle d’une fusée de feu d’artifice. Les gaz brulants exercent une réaction sur le corps de l’engin et le pousse à l’opposé de l’éjection. La mise en application de ce principe pour un lanceur de satellite est évidemment plus complexe et quelques points méritent d’être signalés.

Circuits cryogéniques:
Les ergols comme l’hydrogène ou l’oxygène sont utilisés liquides à des températures inférieures à – 200°C et nécessitent des équipements adaptés à ces très basses températures de la production au remplissage et au fonctionnement.
La tuyère de Laval:
Ce jet brulant de gaz de combustion doit être canalisé pour obtenir la meilleure poussée du lanceur. C’est le rôle de la tuyère dont la forme est fondamentale pour optimiser la vitesse qui devient supersonique dans le col  et croit encore dans la partie divergente. La température des gaz baisse, fournissant l’énergie cinétique correspondante.
La fusée à étage:
Pour être satellisé autour de la Terre, il faut atteindre la vitesse de 8.000m/s.
Sur une simple fusée, les réservoirs vides et les moteurs sont des masses sans intérêt qu’il faut pousser. Constantin Tsiolkowski,  un pionnier russe de l’astronautique laissait prévoir dès 1903 qu’on n’atteindrait pas la satellisation sans fusées à plusieurs étages qui permettent de se débarrasser progressivement des masses devenues inutiles..

[Sa formule simplifiée est     Vf  = Ve  x  ln (M0/M1) = 2,3 Ve x log (M0/M1)    où les masses de la fusée sont au décollage M0  et en fin de combustion M1.  Les vitesses sont Ve pour l’éjection des gaz et Vf  pour la vitesse finale de la fusée. Voir avec M0/M1 # 10 et Ve = 3000 m/s]

 

La gamme des lanceurs

A côté de la Russie, des Etats Unis, de l’Europe, de la Chine, de l’Inde et du Japon, de nombreux pays se sont dotés de moyens plus modestes  de lancement de satellites. Les grandes familles de lanceurs se comptent par dizaine et dans chacune d’elles les modèles ont été diversifiés en fonction des missions et ont bénéficié des progrès de la technologie.
Quelques exemples caractéristiques peuvent montrer la grande diversité  des masses mises en orbite mais tous les lanceurs classiques sont des véhicules consommables qui fonctionnent sur les mêmes principes et pratiquement avec les mêmes solutions techniques.

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Quelques lanceurs  classiques

SOYOUZ:
C’est le lanceur mythique de la Russie qui a une fiabilité exceptionnelle et qui compte près de 1800 lancements dans ses différentes versions. Une base de lancement est installée en Guyane depuis 2011 et près d’une vingtaine de lancements ont eu lieu.

SATURN 5 :
Parmi les nombreux lanceurs américains, Saturn 5 de la mission Apollo est le plus grand véhicule spatial lancé à ce jour. Il faisait 110m et pesait 3.000 tonnes au lancement.
Il existe des projets de lanceurs comparables (USA, Chine, ) qui sont en attente de décision !

ARIANE 5:
Depuis 1980 la famille Ariane représente les lanceurs européens de l’ESA. Sur les 235 lancements réalisés, il y en a 89 avec Ariane 5 dont les 77 derniers sont des succès. Le lanceur est leader incontesté sur le marché commercial avec plus de 50% des lancements.

LONGUE MARCHE (Chang Zheng  ou CZ ):
représente la famille de lanceurs chinois développée à partir de 1970. Issus de missiles, les modèles se sont spécialisés pour l’espace. Longue Marche 5 avec 24t placées en LEO est un des lanceurs actuels les plus puissants.

A ces exemples typiques, il faut ajouter tous les lanceurs de technologie comparable que de nombreux pays développent ou ont déjà lancés. L’Inde et le Japon ont des programmes spatiaux très actifs.

 

Nouvelle génération

Le développement d’Internet a mis l’accent sur les moyens de transmissions qui permettent de tisser la toile et évidemment sur les moyens spatiaux. Il est apparu très vite pour les grandes entreprises et les tycoons du Net que l’espace était le nouveau domaine à maitriser. D’abord avec des constellations de satellites incontournables pour avoir une couverture mondiale et pourquoi pas en colonisant la Lune et Mars. Dans cette optique, les lancements spatiaux (40 à 50%  du prix des projets) sont apparus comme des étapes trop coûteuses qui sont  à rationaliser et à optimiser comme le sont depuis longtemps la fabrication et l’exploitation des satellites.

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Lanceur de satellite : un marché tranquille.

Pendant 50 ans, les Etats ont considéré que ces lanceurs de satellites dérivés souvent de missiles militaires devaient rester sous leur responsabilité. L’accent a été mis sur la précision, la fiabilité et la disponibilité sans effort très poussé sur le prix des lancements. Il y a de nombreuses années que la Nasa a transféré à l’industrie ses responsabilités pour lancements commerciaux sans trop rechercher à faire jouer la  concurrence, les prix ont donc peu évolué. Pour s’imposer, des nouveaux venus devaient casser les prix du marché et faire des propositions originales. C’est ce qui a été commencé par SpaceX, suivi de Blue Origin,  puis un peu contraints  d’ULA (United Launch Alliance) et d’Arianespace.

Recherche d’économies

A l’origine de cette agitation, deux fortunes issues des nouvelles technologies. D’abord Elon Musk, ingénieur sud-africain devenu canadien puis américain qui a fait sa fortune dans divers secteurs comme Tesla motors et Paypal et qui a créé SpaceX  dont la vocation est l’accès au moindre prix à l’espace et plus tard de coloniser Mars. Le lanceur actuel est Falcon 9.
Le second entrepreneur est l’américain Jeff Bezos. Venu de la finance, il a fondé Amazon et a fait dans le Net une fortune estimée à 75 milliards de dollars. En 2000, il crée Blue Origin, une société préparant des voyages spatiaux touristiques. Des projets plus importants suivent.

En recherchant des sources d’économie, il apparait vite que la grosse dépense vient du 1er étage du lanceur qui représente une grande partie du prix et qui retombe en fin de fonctionnement. Comme Elon Musk dit en boutade, c’est mettre un avion de ligne au rebut après son premier voyage ! Il faut porter les efforts sur cet élément et le récupérer pour d’autres missions.  De la sorte, on parle d’une réduction potentielle de 40 à 50% du prix d’un lancement. C’est surement optimiste, mais déjà 20 à 30 % vont sérieusement alerter le marché.

 

Situation actuelle

En pleine phase de développements et d’essais, la situation est un instantané qui peut évoluer considérablement dans les 4 ou 5 années qui viennent. Ce qui est sûr, c’est que nous allons vers une refonte  de la conception des lanceurs et une évolution du marché des lancements. 

Charges utiles

On ne peut parler des lanceurs sans évoquer les missions qui leur sont confiées et qui elles-aussi évoluent. La propulsion électrique se développe et va réduire les masses. Les constellations pour une couverture globale se généralisent avec des satellites de taille moyenne. Et enfin, on assiste à un encombrement de l’espace avec les cubesats envoyés par centaine. En résumé, 20 t en orbite basse (LEO) est un bon choix avec toutefois  plus de souplesse et de disponibilité.

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Industrie des lanceurs

Les grandes entreprises concernées sont :

SpaceX:
D’un côté, le Falcon 9 retenu par la NASA pour le ravitaillement de l’ISS remplit une mission traditionnelle et il est aussi utilisé pour des opérations de récupération du premier étage.

https://www.youtube.com/watch?v=_ZXu_rYF51M

Malgré quelques échecs, le retour a été réussi 5 fois et devrait être rapidement maitrisé. Il reste à tester la réutilisation (8 à 10 fois ??) et à faire le bilan financier.

Blue Origin:
L’approche est différente de celle de SpaceX . L’étude a portée sur la mise au point d’un seul étage récupérable New Shepard. Les résultats sont très prometteurs et le film indiqué ci-dessous montrera la 4ème mission réussie.

https://www.youtube.com/watch?v=EI-tGVFg7PU

La suite est sous forme de projets à l’étude, les fusées New Glenn à 2 ou 3 étages pour des charges utiles de 30 à 40 t (LEO) avec un premier étage récupérable utilisant l’expérience de New Shepard.

ULA United Launch Alliance
Ce groupement avec Boeing et Lockeed Martin est le fournisseur traditionnel de la NASA avec les lanceurs Delta et Atlas. L’arrivée de Spacex et Blue Horizon a fortement perturbé  ULA qui y voit un risque à moyen terme et a lancé des études de réduction de coûts qui ne sont pas faciles sur les séries actuelles. Un nouveau lanceur Vulcan (29t en LEO)  a été mis à l’étude pour remplacer les Atlas 5 et Delta 4 en appliquant une forte réduction des coûts.
C’est néanmoins une conception classique sans récupération d’étage

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ESA (Arianespace):
Le scénario est comparable à celui d’ULA. Il s’agit de rationnaliser la production tout en restant sur le schéma des lanceurs classiques consommables. Pour remplacer  Ariane et s’adapter aux exigences du marché, l’ESA a conçu (non sans peine !) le lanceur Ariane 6 qui conserve le scénario classique de lancement. Une nouveauté d’Ariane 6 est le transfert progressif de la maitrise d’ouvrage à l’industrie, une autre révolution dans l’espace européen. Mais, il faudra aussi préciser dans ce schéma  le rôle des différents partenaires impliqués.  A savoir une  agence spatiale européenne, des agences nationales, un maitre d’ouvrage historique et des industriels maîtres d’œuvre aspirant à plus de responsabilités. 

 

CONCLUSION

Il faut retenir de cette effervescence dans le monde des lanceurs que cette industrie passe progressivement de la maitrise d’œuvre étatique à une phase plus industrielle et commerciale. Il faudra quelques années pour que la concurrence sur les techniques et les prix trouve son équilibre. C’est une étape délicate pour Arianespace tant du point de vue de son marché international  que de son rôle même dans la production Ariane. Le lanceur de demain est un dossier à suivre……….

 

Textes : Jack Muller- Illustrations: Internet

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