Ariane, l’espace au bout du fil ! – #Hors-série

Bienvenue dans le « hors-série » de la série de billet sur Ariane et les lanceurs spatiaux ! Ce billet n’a pas vocation à suivre un plan logique bien déterminé, mais vise plutôt à détailler des éléments abordés rapidement lors des différents épisodes de la série, ou des éléments en rapport avec notre sujet mais non développés au cours de la série, à la fois techniques ou non. Bonne lecture !

Ariane4
Premier lancement d’Ariane 4 le 15 juin 1988 (figure issue de ariane.cnes.fr)

Les différents épisodes de la série, en deux mots ou presque

Comme cela fait un petit moment que la série a été publiée, voici un petit rappel de tout ce que l’on a traité au cours des différents billets !

Dans l’épisode 1, on a traité l’histoire de la construction spatiale européenne (avec la fusée française Diamant, l’échec du premier programme européen Europa et la mise en place de l’Agence Spatiale Européenne et du programme Ariane) ainsi que la distinction étages/moteurs au sein d’un lanceur.

Dans l’épisode 2, on s’est intéressé à l’aspect propulsion d’un lanceur. On a développé le fonctionnement des moteurs à propulsion solide et liquide (moteurs pressurisés et turbopompés). On a enfin étudié la composition d’Ariane 5 en termes d’étages et de moteurs.

Dans l’épisode 3, on a décrit l’importance du choix de la base de lancement (effet de fronde, position proche de l’équateur, notamment par le lancement de satellites géostationnaires). On s’est aussi intéressé aux principales performances d’un lanceur (charge utile, poussée, Isp…).

Dans l’épisode 4, on s’est intéressé aux différents types d’orbites suivies par les satellites envoyés dans l’espace par les lanceurs. On a aussi décrit le concept de lanceurs réutilisables, et regardé quelques exemples d’atterrissage d’étages.

Quelques lancements marquants d’Ariane

1. Le tout premier lancement d’Ariane. C’était le 24 décembre 1979. Ce lancement a été repoussé deux fois, mais s’est soldé par un succès. Joli cadeau de Noël pour toutes les équipes qui ont travaillé sur Ariane 1 !

2. Le lancement de la sonde Giotto. C’était le 2 juillet 1985. Ariane 1 a mis en orbite la toute première sonde spatiale de l’Agence Spatiale Européenne. Neuf mois plus tard, Giotto survolait la comète de Halley et pouvait étudier sa forme, sa composition.

giotto_halley
Vue d’artiste de la sonde Giotto et de la comète de Halley (issue de esa.int)

3. Le dernier échec d’Ariane 5. C’était le 11 décembre 2002. Le 17ème vol d’Ariane 5 s’est terminé dans l’Océan Atlantique à la suite d’une défaillance du moteur Vulcain (le moteur qui équipe l’étage principal cryotechnique d’Ariane). Depuis, Ariane 5 n’a connu aucun échec ! Le nombre de lancements consécutifs réussis d’Ariane 5 est de 78 (au 21/05/2017), soit quatre de plus que le précédent record établi par… Ariane 4 !

4. La lancement de la sonde Rosetta. C’était le 2 mars 2004. Il s’en est suivi des années de périple dans l’espace pour la sonde, l’atterrissage « bondissant » de Philae sur la surface de la comète et le baiser de Rosetta à la comète Tchoury.

5. Le record de charge utile embarquée. C’était le 24 août 2016. Ariane 5 battait alors de 5 kg le record établi lors du précédent lancement ! Le record est aujourd’hui de 10735 kg de charge utile, dont un peu plus de 9850 kg dédiés aux satellites.

6. Le premier lancement d’Ariane 6. Il est prévu à l’horizon 2020-2021. Ariane 6, c’est la future fusée Ariane actuellement en développement. C’est l’ESA qui a décidé de la mise en place de ce nouveau programme en 2014.

Une rapide description d’Ariane 6

Le futur lanceur du programme Ariane sera décliné en deux versions : A62 et A64. La principale différence entre ces deux versions est le nombre de moteurs à propulsion solide présents au niveau de l’EAP (respectivement deux et quatre), ce qui joue sur la charge utile que pourra embarquer le lanceur (respectivement 5 et 10,5 tonnes en GTO). La poussée au décollage est alors différente (8000 tonnes contre 15000 tonnes), de même que la masse au décollage (530 tonnes contre 860 tonnes).

Ariane 6
Vue d’artiste des lanceurs Ariane 5 et Ariane 6 (issue de esa.int)

Ariane 6 présentera un certain nombre d’évolutions par rapport à Ariane 5 :

  • L’EAP (Étage d’Accélération à Poudre – 1er étage du lanceur) pourra, comme on vient de le voir, présenter deux ou quatre propulseurs d’appoint. Par ailleurs, les réservoirs de ces propulseurs d’appoint sont différents sur Ariane 6 (P120 contre P240 sur Ariane 5). Notons que ces propulseurs P120 seront aussi utilisés comme premier étage de la nouvelle version du lanceur Vega (Vega C), qui devrait être lancé d’ici 2018/2019.
  • L’ESC (Étage Supérieur Cryotechnique – 3ème étage du lanceur) présentera un moteur différent du moteur HM7B actuel : il s’agira du moteur Vinci. Ce moteur présente un cycle différent (expander VS. générateur de gaz), peut fournir une poussée plus importante que le moteur HM7B mais il est surtout ré-allumable.
  • L’EPC (Étage Principal Cryotechnique – 2ème étage du lanceur) présentera quant à lui peu de modifications.

Ariane 6 doit avant tout de permettre à l’Europe d’avoir d’être indépendant vis-à-vis de l’accès à l’espace, mais il doit aussi répondre à d’autres objectifs. Parmi ceux-ci, Ariane 6 doit présenter des coûts de lancements de l’ordre de 40% inférieurs à ceux d’Ariane 5, afin d’être en mesure de concurrencer des acteurs tels que SpaceX ou Blue Origin. Ariane 6 doit aussi permettre d’augmenter la cadence annuelle de lancements : de 6-7 par an avec Ariane 5, le nombre de lancements doit passer à 11 par an avec Ariane 6.

Les moteurs à turbopompes

Comme on l’a vu dans l’épisode 2, il existe différents types de propulsion spatiale, et notamment la propulsion solide et la propulsion liquide. On existe principalement deux types de moteurs à propulsion liquide, qui se distinguent par leur façon de pressuriser les ergols pour les transférer de leur réservoir vers la chambre de combustion. Les moteurs pressurisés, tout d’abord, mettent les ergols sous pression à l’aide de gaz de pressurisation. Les moteurs turbopompés, par ailleurs, utilisent quant à eux une ou plusieurs turbopompes pour pressuriser les ergols.

Intéressons-nous un peu plus aux moteurs turbopompés, que l’on a balayé que très rapidement dans l’épisode 2. La première chose que l’on peut se dire est qu’une turbopompe ne peut fonctionner sans apport d’énergie. Cette remarque va nous amener à distinguer deux types de moteurs turbopompés : les moteurs à flux dérivé et à flux intégré. Pour chacun de ces moteurs, une portion des ergols est consommée afin d’entraîner la ou les turbopompes, mais ils se distinguent par le devenir de cette portion d’ergols.

Les moteurs à flux dérivé. Le débit d’ergols destiné à entraîner les turbines n’est pas rejeté avec le débit d’ergol principal, c’est-à-dire celui éjecté de la tuyère et servant à produire la poussée. Il est rejeté via un canal annexe. Cette technologie a l’avantage de présenter une architecture relativement simple, permettant de limiter les coûts, mais dégrade les performances, et notamment l’Isp. Ces moteurs restent très utilisés, les moteurs Vulcain et HM7 qui équipent Ariane 5 sont des moteurs à flux dérivés.

Les moteurs à flux intégré. Cette fois-ci, le débit d’ergols destiné à entraîner les turbines est rejeté avec le débit principal, c’est-à-dire que, en sortie des turbopompes, il est injecté dans la chambre de combustion comme les autres ergols. Cette technologie est plus complexe à mettre en place, mais permet de meilleures performances en termes d’Isp notamment.

GG_flux dérivé
Schéma d’un moteur fusée à flux dérivé (Wikipédia)

Sur ce schéma, on voit bien que l’élément 4 (appelé ici générateur de gaz) entraîne l’élément 2 (la turbine), qui lui-même entraîne les deux pompes (1 et 3). Ces pompes permettent de diriger les deux ergols (en bleu et rouge) vers la chambre de combustion et la tuyère (6 et 8). Le générateur de gaz est alimenté par les deux ergols, et le flux sortant de turbine n’est pas rejeté avec le flux principal (i.e. via la tuyère), au contraire des moteurs à flux intégré.

On n’a pas parlé de l’élément 7. Il s’agit d’un échangeur thermique, mais on ne va pas le décrire plus en profondeur ici.

Le domaine du spatial : qui fait quoi ?

Si je vous demande de me citer quelques acteurs du domaine spatial mondial, vous allez certainement me répondre pêle-mêle l’Agence Spatiale Européenne (ESA), le CNES, la NASA, Arianespace, SpaceX, Airbus, Safran… Mais connaissez-vous réellement le rôle de chacune de ces institutions et entreprises ?

On va surtout s’intéresser au domaine spatial européen civil et commercial. On peut distinguer différents types d’acteurs :

  • Les fournisseurs de télécommunication. Ce sont ces entreprises qui expriment la demande dans le domaine commercial. Parmi eux, on trouve SES (Société Européenne des Satellites), EutelSat, IntelSat…
  • Les constructeurs de satellites. Ils répondent au cahier des charges définis par les fournisseurs de télécommunication. Les cinq constructeurs de satellites les plus importants sont états-uniens (Boeing, Lockheed-Martin, Loral) et européens (Airbus Defense & Space, Thales Alenia Space).
  • Les fournisseurs de lancements. Ils doivent être en mesure de répondre aux besoins de mise en orbite exprimées par les fournisseurs de télécommunication. En Europe, on trouve Arianespace, qui exploite les lanceurs Ariane 5, Soyuz et Vega.
  • Les constructeurs de lanceurs. Ils doivent être en mesure de répondre aux besoins en lanceurs des fournisseurs de lancements. Les maitres d’œuvre des lanceurs exploités par Arianespace sont conçus par Airbus Safran Launchers (Ariane 5), Avio (Vega) et TsSKB-Progress (Soyuz). On notera par exemple que certaines entreprises sont à la fois fournisseurs et constructeurs de lanceurs (par exemple, SpaceX).
  • Les acteurs institutionnels, parmi lesquels on trouve l’ESA, les agences spatiales nationales et les gouvernements. Ils jouent globalement deux rôles :
    • Ils sollicitent les fournisseurs de lancements pour leur propre besoin (sondes, satellites tels que Galileo).
    • Ils sont à l’origine des nouveaux lanceurs. C’est par exemple l’ESA qui, en 2014, a exprimé la volonté de développer un nouveau lanceur Ariane.

Notons que, parmi toutes les agences spatiales nationales d’Europe, le CNES joue un rôle particulier. En effet, il possédait jusqu’en 2016 35% du capital d’Arianespace. C’est par ailleurs le CNES qui est responsable du Centre Spatial Guyanais.

C’est la fin de ce billet, et du hors-série sur Ariane. J’espère que l’ensemble de cette série vous a plus et qu’elle a pu vous donner une vision à la fois générale et technique de l’industrie spatiale !

Sources

http://www.air-cosmos.com/ariane-5-va233-premier-lancement-galileo-et-record-de-succes-consecutifs-85827
https://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_des_vols_d%27Ariane
http://www.esa.int/fre/ESA_in_your_country/Switzerland_-_Francais/Ariane_fete_ses_30_ans
http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Transportation/Launch_vehicles/Ariane_6

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