Ariane, l’espace au bout du fil ! – Épisode #1

J’en avais parlé dans le billet sur les satellites géostationnaires, la voilà enfin ! La série de billets sur le lanceur Ariane, bien évidemment ! En cette semaine de rentrée pour Watts Up Science, place à un billet d’introduction, un peu général, sur l’histoire de la construction spatiale européenne (et donc du programme Ariane) et sur le fonctionnement général des lanceurs. Mais à partir du deuxième épisode de la série, on s’intéressa plus précisément à Ariane 5, son fonctionnement, ses évolutions !

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Décollage d’Ariane 5 depuis Kourou. Beau paysage, non ?

L’histoire d’Ariane et de la construction spatiale européenne

Commençons par un peu d’histoire, afin de comprendre d’où vient l’idée d’un tel programme européen !

Tout commence dans les années 60, en pleine Guerre Froide. Seuls les États-Unis et l’URSS disposent de programmes spatiaux. La France décide alors de lancer son propre programme spatial, afin d’être indépendant des deux grandes puissances et de devenir ainsi la troisième puissance spatiale. Il est alors décidé, en 1961, de créer le CNES (Centre National des Études Spatiales) et de développer la fusée Diamant. En dix ans (entre 1965 et 1975), douze lancements de la fusée ont été effectués parmi lesquels neuf ont été réussis (dont le premier, qui a permis de mettre sur orbite le premier satellite artificiel français, Astérix !).

En parallèle de Diamant, un premier programme européen voit le jour : le programme Europa. Dès 1962, plusieurs pays européens, dont le Royaume-Uni, la France et l’Allemagne décident de créer le CECLES (Centre européen pour la construction de lanceurs d’engins spatiaux, ou ELDO en anglais). Son but est de superviser le développement du premier lanceur européen Europa. Mais ce programme s’est avéré être un échec : problèmes de coordination entre les différents pays, deux versions d’Europa mais aucun lancement réussi, des coûts très élevés… Bref, il est décidé en 1972 d’arrêter le programme Europa, alors même qu’une troisième version du lanceur, Europa III, plus puissante, était à l’étude.

L’abandon d’Europa III a été motivé par deux facteurs :

  • la proposition de la France de développer un nouveau lanceur européen (L3S, lanceur de troisième génération de substitution), s’appuyant sur la réussite du programme Diamant.
  • la volonté d’une indépendance spatiale européenne, illustrée notamment par le cas du projet de satellites franco-allemand Symphonie. En effet, en l’absence de lanceur européen, les satellites ont dû être lancés par les fusées états-uniennes Thor Delta, mais avec des restrictions d’usage importantes imposées par la NASA.

En 1973, un nouveau programme européen est lancé : il s’agit du programme Ariane ! Le développement d’Ariane est d’abord placé sous responsabilité française : le CNES est le maître d’œuvre et Aérospatiale (qui a depuis fusionné avec d’autres entreprises pour former Airbus Group) est le maître d’ouvrage.

Le programme Europa n’aura quand même pas été totalement stérile. Les pays européens ont pu capitaliser sur cette expérience mitigée pour améliorer leur coopération, et notamment mettre en place en 1975 l’Agence Spatiale Européenne (ESA), qui reprend les fonctions de l’ELDO, créé pour le programme Europa, et le l’ESRO (Conseil européen de recherches spatiales, créé en 1964).

Aujourd’hui, Ariane est le programme phare de la stratégie spatiale européenne. Lancée pour la première fois en 1979, la fusée Ariane a beaucoup évolué au cours des années : 5 versions d’Ariane se sont succédé, la sixième est en développement. Ariane 5, dont le premier vol a eu lieu en 1996, est un des lanceurs les plus fiables au monde (73 lancements consécutifs réussis à ce jour, le dernier échec remonte à 2002 !) et leader mondial pour le lancement des satellites en orbite géostationnaire.

Comment fonctionne un lanceur ?

Avant de décrire le fonctionnement d’Ariane (ce que l’on fera à partir du prochain épisode), on va chercher à comprendre comment fonctionne un lanceur dans sa globalité. Mais avant ça, qu’est-ce qu’un lanceur ? A quoi sert-il ?

Le rôle d’un lanceur

Une fusée est un véhicule capable de se déplacer dans l’espace. Une des caractéristiques de ce milieu est sa densité, qui est très faible : on parle d’ailleurs souvent de vide spatial (pour quelques rappels sur la notion du vide, c’est par ici ! :)). Un avion n’est par exemple pas capable de se déplacer dans l’espace car, comme on l’a vu dans le billet sur le paradoxe de d’Alembert, la force de portance est créée du fait d’une dissymétrie de l’écoulement entre l’intrados et l’extrados du profil. Or, dans le vide, il ne peut pas y avoir d’écoulement car il n’y a pas de matière.

Les lanceurs sont le plus souvent utilisés pour mettre des satellites en orbite autour de la Terre (orbites géostationnaire, terrestre basse, etc. selon la vocation du satellite), mais servent aussi à envoyer des sondes (telles que Rosetta) ou des robots (par exemple, Curiosity) dans l’espace. Les fusées permettent aussi d’accéder à la Station Spatiale Internationale, que ce soit par des vols habités ou inhabités (vaisseaux cargo de ravitaillement).

Comment fonctionne un lanceur ?

Pour présenter le fonctionnement d’un lanceur, on distingue souvent deux aspects : l’étagement et la propulsion. Et c’est ce que l’on va faire !

L’étagement
Vous l’avez surement déjà remarqué, un lanceur est très souvent composé de plusieurs étages : on parle de lanceurs multi-étages. Au fur et à mesure du vol, les étages inférieurs se séparent du reste du lanceur. Mais pourquoi ? L’étagement d’un lanceur est en fait un élément primordial lui permettant de mener à bien sa mission. En effet, cet étagement permet d’alléger le lanceur au cours de son vol et sans cet allègement, on pourrait montrer qu’un lanceur ne peut pas mettre en orbite un satellite. Généralement, un lanceur présente deux à quatre étages. Chaque étage contient notamment son ou ses moteur(s) ainsi que le(s) réservoir(s) d’ergol(s) associé(s). Le dernier étage contient par ailleurs ce qu’on appelle la charge utile,  à savoir le(s) satellite(s) à mettre en orbite. Un avantage de cet étagement est la possibilité d’adapter la propulsion à chaque étage : on choisira par exemple, pour un premier étage, un type de propulsion permettant d’obtenir des poussées très importantes mais pas pour un dernier étage de lanceur.

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Ariane 5 se séparant de ses deux propulseurs d’appoint

La propulsion spatiale
Pour les lanceurs, on distingue généralement deux types de propulsion : propulsion liquide et propulsion solide. Il existe d’autres types de propulsion spatiale, par exemple la propulsion plasmique (utilisée sur certains satellites) ou électrique.

Les lanceurs sont motorisés par des moteurs à réaction. La propulsion se fait donc du fait de l’éjection à très grande vitesse de gaz dans le sens opposé à l’avancement du lanceur. Ces moteurs sont régis par la troisième loi de Newton, ou principe des actions réciproques : « tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d’intensité égale, de même direction mais de sens opposée, exercée par le corps B », soit \vec{F}_{A \to B} = - \vec{F}_{B \to A}. La force engendrée par réaction par l’éjection des gaz est ce qu’on appelle la poussée.

Les gaz sont obtenus, dans la chambre de combustion, par combustion  de substances appelées ergols. Un ergol est une substance qui, seule (on parle de monergol) ou mise en contact avec d’autres ergols (on parle de bi-ergols, tri-ergols, etc.), fournit de l’énergie par opération de combustion. Il existe plusieurs types d’ergols : solides ou liquides, stockables ou cryotechniques (doivent être stockés à une température inférieure à -150°C). Un couple d’ergols très utilisés, notamment sur Ariane 5, est le couple cryogénique LOX/LH2 (oxygène liquide/hydrogène liquide), qui présente des caractéristiques intéressantes, notamment en termes d’impulsion spécifique, notion qu’on détaillera dans l’épisode 2 !

Pour une description plus précise des propulsions solides et liquides, il faudra attendre car…

… c’en est fini pour ce billet ! J’espère qu’il vous a plu, et qu’il vous donne envie de découvrir la suite ! Dans l’épisode 2, on parlera plus précisément d’Ariane 5, de ses étages et ses moteurs, de ses performances, du choix de Kourou comme base de lancement. On réutilisera beaucoup de notions introduites dans ce billet.

Sources

Toutes les images proviennent du site du CNES. http://www.cnes.fr/

Pour aller plus loin : le lien de la semaine

Cette semaine, je vous invite à écouter l’émission de France Culture « Au cœur d’Ariane 5 » disponible ici, rediffusée à l’occasion du précédent lancement d’Ariane 5 qui a eu lieu le 24 août dernier.

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2 réflexions sur “Ariane, l’espace au bout du fil ! – Épisode #1

  1. bongo 17 octobre 2016 / 14 h 25 min

    Bonjour,
    Il me semble que Rosetta n’est pas équipé de moteur à propulsion dite électrique. En effet, ce sont des ergols qui sont utilisés.
    Pour un exemple de sonde spatiale à propulsion électrique, on a Dawn (qui est autour de Cérès).

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    • Damien 17 octobre 2016 / 22 h 49 min

      Bonjour Bongo,
      C’est exact, la sonde Rosetta est bien équipée de moteurs à ergols liquides, et non pas de moteurs électriques. Merci pour ton commentaire ! 🙂

      J'aime

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