Ariane, l’espace au bout du fil ! – Épisode #4

Bonjour à tous et bienvenue dans le dernier épisode de la série de billets sur le lanceur Ariane et les lanceurs spatiaux en général ! Le programme du jour ? Le lien entre orbites et satellites et les lanceurs réutilisables. Décollage immédiat !

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Décollage d’Ariane 5 (figure issue du site du CNES)

Satellites et orbites

Les satellites développés par l’Homme peuvent remplir des missions très variées : observation de la Terre, GPS, télécommunications, astronomie et j’en passe ! L’orbite d’un satellite est très liée à l’objectif que celui-ci doit remplir. Et c’est ce que l’on va tout de suite !

Rappelons tout d’abord ce qu’est une orbite. L’orbite d’un satellite désigne la trajectoire qu’il a autour d’un objet du fait de l’attraction que cet objet exerce sur le satellite. Il existe différents types d’orbites, que l’on peut classifier selon certaines propriétés, dont :

  • L’inclinaison i par rapport au plan de l’équateur. Ainsi, si i = 0° ou i = 180°, on dit que l’orbite est équatoriale. Si i = 90°, on dit que l’orbite est polaire.
  • L’excentricité. Il s’agit d’un paramètre positif, souvent noté e, qui caractérise une courbe conique plane. Si e=0, alors l’orbite est circulaire. Si 0<e<1 , alors l’orbite est elliptique. Si e=1, l’orbite est une parabole. Enfin, si e>1, l’orbite est une hyperbole. Ici, on ne considérera que le cas des orbites fermées (à savoir 0 \leq e <1) et, a fortiori, uniquement le cas des orbites à faible excentricité, i.e. quasiment circulaires. Notons tout de même que nous avons déjà étudié une orbite à excentricité non négligeable : l’orbite de transfert géostationnaire (ou GTO pour Geostationary Transfer Orbit).
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Représentation des différentes formes d’orbites selon l’excentricité
  • L’altitude. Considérons uniquement les orbites (quasi-)circulaires. Pour les satellites évoluant à une altitude inférieure à 1500 km de la surface terrestre, on parle d’orbite terrestre basse (ou LEO pour Low Earth Orbit en anglais). Pour les satellites qui sont à une altitude d’environ 20000 km, on parle de d’orbite terrestre moyenne (ou MEO pour Medium Earth Orbit). Enfin, on parle d’orbite géostationnaire (ou GEO pour Geostationary Orbit) pour les satellites situés à 36000 km d’altitude dans le plan équatorial.

Comme l’on a vu dans l’épisode 3 de la série, les performances d’un lanceur vont varier selon l’orbite visée. Tout d’abord, le \Delta V disponible sera plus ou moins conséquent selon la position de la base de lancement par rapport à l’équateur : cette position peut en effet être plus ou moins adaptée par rapport à l’inclinaison requise par l’orbite visée. Par ailleurs, la charge utile que peut embarquer un lanceur est d’autant plus importante que l’orbite est basse : elle est par exemple, pour Ariane 5, de 10,5 tonnes pour une orbite GTO et de 21 tonnes pour une orbite LEO.

Intéressons-nous maintenant aux orbites occupées par les satellites selon leur mission.

Les satellites d’observation de la Terre et de son champ de pesanteur avait, au début, tendance à être placé sur une orbite d’altitude supérieure à 1500 km (donc au-dessus de l’orbite LEO) pour réduire la traînée des satellites. Désormais, on cherche à les placer à des altitudes les plus basses possibles (250 à 500 km) pour permettre une meilleure détection des anomalies gravitationnelles. La traînée est alors augmentée, mais elle est compensée par des moteurs fournissant une force de poussée. Les satellites de météorologie sont quant à eux placés sur des orbites LEO et GEO.

Les satellites de télécommunications sont la plupart du temps placés sur une orbite GEO. Rappelons-nous que les satellites géostationnaires possèdent la même vitesse angulaire que la Terre. On trouve aussi des satellites de télécommunications sur une orbite LEO. L’avantage est un temps de réponse plus court, du fait de l’altitude qui est plus faible. Mais une telle orbite nécessite d’avoir non pas une constellation de satellites.

Les satellites dédiés à l’astronomie peuvent présenter des orbites très différentes, et notamment selon la partie du spectre électromagnétique utilisée. Cela se manifeste notamment au niveau de l’excentricité des orbites : un satellite fonctionnant dans les ultra-violets aura globalement une orbite basse peu excentrique, tandis qu’un satellite fonctionnant dans les rayons X aura une orbite avec une excentricité importante. Il n’y a néanmoins pas de règle générale : un satellite utilisant les rayons gamma pourra par exemple très bien présenter une orbite basse peu excentrique ou une orbite avec une excentricité importante. Cela dépend spécifiquement de l’objectif que l’on cherche à atteindre.

Les moteurs réutilisables

Revenons maintenant un peu sur le fonctionnement d’un lanceur. Comme on l’a vu dans l’épisode 1, un lanceur est composé de différents étages. Chaque étage contient notamment un ou plusieurs moteur(s) et les réservoirs servant à leur fonctionnement. Dans l’épisode 2, on a vu qu’il existe différents types de moteurs : les moteurs à propulsion solide et les moteurs à propulsion liquide, parmi lesquels on trouve les moteurs pressurisés et les moteurs à turbopompes.

Lorsqu’un étage a rempli sa fonction et est devenu superflu, il se sépare du reste du lanceur. Mais que devient-il ? Prenons l’exemple du premier étage d’Ariane 5. Cet étage (EAP pour Étage d’Accélération à Poudre) quitte le lanceur un peu plus de 2 minutes après le décollage, retombe dans l’océan, et n’est pas réutilisé par la suite. Les deux étages d’Ariane 5, comme les étages de la plupart des lanceurs qui existent, ne sont pas non plus réutilisés.

La réutilisation des étages et des moteurs est une question qui se pose de plus en plus pour les constructeurs de lanceurs. Les étages réutilisables ont pour désavantages principaux un coût de développement élevé, ainsi qu’une masse sèche plus importante (l’étage doit être plus résistant pour pouvoir être utilisé plusieurs, et être en mesure de supporter les dommages qui peuvent être crées lors du retour de l’étage dans l’atmosphère). Ils permettraient néanmoins une cadence de lancement plus soutenue.

Un premier exemple d’étage réutilisable en développement est le premier étage du lanceur Falcon 9 de la société états-unienne SpaceX. Falcon 9 est une fusée bi-étage motorisé par des moteurs à ergols LOX/RP1 (oxygène liquide/kérosène) qui peut emporter 5,5 tonnes en orbite GTO et 13 tonnes en LEO. Avec ce lanceur, SpaceX a réussi la prouesse technologique de récupérer six premiers étages depuis janvier 2015 (dont deux sur Terre et quatre en mer) ! SpaceX a aussi réalisé un essai statique (essai au sol) d’un étage récupéré pendant 2min30, soit le temps de fonctionnement de l’étage en vol. Il est même prévu qu’un premier satellite soit mis en orbite avec un lanceur présentant un premier étage récupéré. Néanmoins, après l’explosion au sol d’un lanceur Falcon 9 le 1er septembre dernier, le lancement est retardé.

Sur cette vidéo, on peut l’atterrissage du premier étage du lanceur Falcon 9. L’atterrissage est vertical, et trois pieds sont déployés pour stabiliser l’étage au sol.

Un autre acteur industriel en pointe dans ce domaine est Blue Origin, américain lui aussi, avec son lanceur mono-étage suborbital New Shepard. L’entreprise parvient à récupérer l’ensemble du lanceur, comme on peut le voir dans la vidéo qui suit.

Il n’est pas prévu de récupérer les étages du futur lanceur Ariane 6, même si une telle réflexion a été lancée par le CNES. Mais les Européens ne sont pour autant pas en reste sur le sujet ! Le CNES et Airbus Safran Launchers travaille d’ailleurs sur un projet de moteur réutilisable Prométhée. Airbus Defense and Space travaille quant à lui sur Adeline, qui permettrait de récupérer la partie d’un lanceur. L’atterrissage ne se ferait pas verticalement (comme pour Falcon 9 ou New Shepard), mais horizontalement : une fois rentré dans l’atmosphère, le module, équipé d’ailes, se comporterait comme un drône.

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Vue d’artiste de l’atterrissage d’Adeline (figure issue du site du CNES)

La récupération des étages, voire des lanceurs entiers, est un enjeu majeur, et dont on n’a pas fini de parler, d’autant plus avec l’avènement du concept de NewSpace, qui vise à rendre l’accès à l’espace plus simple et moins coûteux. Et c’est là-dessus que s’achève ce billet, et par la même occasion, cette série de billets ! N’hésitez pas à poster toutes vos remarques en commentaire !

Sources

Michel Capderou. Satellites: Orbits and Missions. Paris : Springer, 2005.
Vidéo de l’atterrissage premier étage du lanceur Falcon 9 de SpaceX : https://www.youtube.com/watch?v=LHqLz9ni0Bo
Vidéo de l’atterrissage du lanceur New shepard de Blue Origin : https://www.youtube.com/watch?v=xYYTuZCjZcE
https://www.cnes-multimedia.fr/video/flash/edu/documents/ariane/r560_Dossier_L5N90.pdf
https://jeunes.cnes.fr/fr/new-space
http://www.air-cosmos.com/un-etage-eprouve-en-vol-pour-ses-10-81767
http://www.air-cosmos.com/spacex-succes-du-vol-f28-et-sixieme-recuperation-d-etage-81411
http://www.latribune.fr/entreprises-finance/industrie/aeronautique-defense/lanceurs-reutilisables-spacex-continue-son-show-592474.html
http://www.air-cosmos.com/le-cnes-reflechit-a-une-ariane-6-semi-reutilisable-27697

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