Falcon 9

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Falcon 9
Deuxième vol du lanceur Falcon 9 (COTS-1)
Deuxième vol du lanceur Falcon 9 (COTS-1)
Données générales
Pays d’origine Drapeau des États-Unis États-Unis
Constructeur SpaceX
Premier vol
Dernier vol En service
Lancements réussis 5 (V1.0)
13 (V1.1)
1 (V1.1 FT)
Lancements ratés 0 (V1.0)
1 (V1.1)
Hauteur 53 m (V1.0)
68,7 m (V1.1)
70,1 m (V1.1 FT)
Diamètre 3,6 m
Masse au décollage 336 t (V1.0)
511 t (V1.1)
538 t (V1.1 FT)
Nombre d’étage(s) 2
Charge utile en LEO 8,5-9 t (V1.0)
13,15 t (V1.1)
Charge utile en SSO 7 t (V1.0)
Charge utile en GTO 3,4 t (V1.0)
4,85 t (V1.1)
5,3 t (V1.1 FT)
Ergol LOX + RP-1
Schéma comparant les différents lanceurs développés ou étudiés par SpaceX : de gauche à droite Falcon 1, Falcon 9 v1.0, Falcon 9 v1.1 et Falcon Heavy.

Le Falcon 9 est un lanceur moyen développé par la société SpaceX créée par Elon Musk ayant la capacité en cible de placer une charge utile de 13,15 tonnes en orbite basse ou de 5,3 tonnes en orbite de transfert géostationnaire. Le premier tir a eu lieu le 4 juin 2010. L'objectif de SpaceX est de fournir un lanceur permettant d'abaisser fortement le prix des mises en orbite grâce à des coûts de fabrication modérés et la récupération des étages. SpaceX a signé en décembre 2008 un contrat avec la NASA pour assurer une partie du ravitaillement de la Station spatiale internationale jusqu'à 2015 à l'aide du lanceur Falcon 9 et du cargo spatial SpaceX Dragon. Le lanceur est également un des candidats pour la relève des équipages de la Station spatiale internationale qui seraient transportés dans une version passager du vaisseau Dragon.

Le lanceur Falcon comprend deux étages propulsés par des moteurs Merlin et brûlant un mélange d'oxygène liquide et de RP-1. La version utilisée initialement (V1.0) ne permettant pas de tenir les performances annoncées, une version 1.1 utilisant des moteurs beaucoup plus puissants et un premier étage allongé a effectué son premier vol le 29 septembre 2013. Space X développe par ailleurs une version réutilisable du premier étage et annonce vouloir développer une version Heavy (lourde) pouvant placer jusqu'à 53 tonnes en orbite basse. Le Falcon 9 est le premier lanceur de moyenne puissance développé par un opérateur privé. Une autre première remarquable est que tous les composants (avionique, moteur) ont été conçus spécifiquement par SpaceX, c'est-à-dire selon la stratégie dite d'intégration verticale, alors que les sociétés œuvrant dans le secteur se contentent généralement d'assembler des composants existants.

Contexte[modifier | modifier le code]

Elon Musk, fondateur de SpaceX et principal actionnaire, crée sa société avec l'objectif de faciliter l'accès à l'espace en s'attaquant à la principale limitation : le coût de lancement. En 2004, Musk annonce devant le Sénat américain un coût de lancement en orbite basse de 9 000 $ par kg pour le lanceur léger Falcon 1 et de 3 000 $ pour le lanceur moyen Falcon 5 remplacé depuis par le Falcon 9. Il déclare alors pouvoir abaisser à terme ce coût à 1 000 $ par kg[1]. Pour réduire le prix de mise en orbite, SpaceX prévoit de développer des lanceurs réutilisables qui mettent en œuvre des technologies à la fois modernes, éprouvées et simples. SpaceX met en avant également la taille réduite et l'organisation optimisée de la société qui contribue à accroître son efficacité.

SpaceX réussit à fortement abaisser les couts de fabrication à travers deux choix qui le démarquent de ses concurrents. La société opte pour un dispositif industriel intégré verticalement en concevant et fabriquant en interne 70% des composants de son lanceur sur un site unique à Hawthorne (Californie) alors que ses principaux concurrents confient notamment le développement de la propulsion aux sociétés de motoristes. Le lanceur est désoptimisé c'est à dire que, pour limiter les coûts, le constructeur opte pour des techniques simples quitte à dégrader les performances (surenrichissement en kérosène pour réduire l'échauffement des moteurs, conception des étages identiques)[2]. Toutefois au fur et à mesure des développements, SpaceX doit faire marche arrière sur certaines des solutions techniques simplificatrices retenues initialement pour abaisser son coût. Ainsi les moteurs qui devaient initialement être de conception simple (revêtement ablatif, moteurs quasi identiques), ont été modifiés pour parvenir à atteindre les performances attendues et sont aujourd'hui sans doute beaucoup plus coûteux : refroidissement par circulation de kérosène, tuyère extensible pour le second étage.

Grâce au prix attractif obtenu mais également aux déboires des constructeurs russes confrontés à des problèmes de fiabilité (Sea Launch, Proton), le succès commercial de la fusée Falcon 9 débute dès le premier vol réussi du lanceur. Les contrats de lancements obtenus bouleversent largement le marché très étroit des lancements commerciaux mais également institutionnels américains en obligeant ses principaux concurrents à revoir en profondeur leur offre. Les européens mettent en chantier un nouveau lanceur Ariane 6 qui se veut plus attractif sur le plan financier. Le principal constructeur américain ULA, attaqué sur le marché des lancements institutionnels et mis en difficulté par les tensions politiques entre la Russie et les États-Unis qui entrainent une menace d'embargo sur la motorisation russe qu'utilise l'Atlas V, lance le développement de la fusée Vulcan pour remplacer l'Atlas et la Delta IV.

La société atteint un des objectifs initiaux qu'elle s'était fixée en réussissant en décembre 2015 la première récupération du premier étage du Falcon 9. Mais on ne dispose pas d'éléments fiables permettant de démontrer la viabilité économique de cette technique qui pénalise fortement la charge utile (la capacité GTO est pratiquement divisée par 2 dans la version récupérable du lanceur[3]), réduit l'effet d'échelle au niveau de la production des moteurs et entraine des surcouts liés aux dispositifs de récupération et de remise en état.

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Le Falcon 9 est un lanceur de capacité moyenne dont trois versions (V1.0, V1.1 et “Full Thrust”) de puissance croissante sont mises en service respectivement en 2010, 2013 et 2015. La réutilisation du premier étage est mise au point en parallèle avec un première récupération réussie en décembre 2015. Le lanceur est conçu pour que sa fiabilité soit compatible avec les exigences de la NASA en matière de lancement d'équipage.

Falcon 9 v1.0[modifier | modifier le code]

Le premier étage avec sa baie de propulsion (V1.0)

La fusée dans sa version initiale (1.0) avec sa charge utile est haute de 55 mètres, a un diamètre de 3,6 mètres (hors coiffe) et pèse 333 tonnes. Tous les composants (avionique, moteurs, étages, jupe inter étages, coiffe) ont été conçus spécifiquement par SpaceX alors que les sociétés œuvrant dans le secteur ne construisent généralement pas les moteurs.

Le lanceur comprend deux étages propulsés par des moteurs Merlin brûlant un mélange d'oxygène liquide et de RP-1 (une variante du kérosène). Ces deux ergols constituent le mélange le plus utilisé par les moteurs développés récemment. Moins performant que le mélange oxygène/hydrogène il est finalement moins pénalisant pour un premier étage car il nécessite des réservoirs moins volumineux et il est plus facile à mettre en œuvre. Son choix pour un second étage est par contre sans doute moins optimal. Le premier étage de la fusée est propulsé par 9 moteurs Merlin 1C qui développent en tout 448,9 t de poussée non modulable. La poussée des moteurs du premier étage est orientée grâce à un système de vérins qui déplace certains des moteurs montés sur cardan. L'énergie nécessaire est produite par le kérosène sous pression ce qui, selon le constructeur, simplifie l'architecture du lanceur en supprimant le système hydraulique utilisé traditionnellement[4]. La baie de propulsion avec ses moteurs représentent une masse de 7,7 tonnes soit plus de la moitié de la masse à vide du premier étage[5].

Le second étage, qui est une version raccourcie du premier étage, est propulsé par un seul moteur Merlin-C dans une version optimisée pour le fonctionnement dans le vide : la tuyère comporte une rallonge en alliage de niobium évacuant la chaleur par rayonnement. Le moteur délivre une poussée dans le vide de 44,5 tonnes modulable de 60 à 100 % pour une impulsion spécifique de 342s[6]. Le moteur est monté sur cardan pour orienter la poussée en lacet et tangage tandis que le déplacement en roulis est réalisé par le biais de la sortie du générateur de gaz. Le temps de fonctionnement nominal sur le Falcon 9 est de 354 secondes[4],[6],[7],[8].

Le réservoir du deuxième étage du lanceur. On distingue sur le pourtour une partie du système de séparation avec le premier étage.

Les réservoirs des deux étages sont réalisés en alliage d'aluminium lithium. La jupe de liaison entre les deux étages, réalisée en matériau composite aluminium-carbone est longue de 8 mètres pour accueillir la tuyère très allongée du moteur du second étage. Sur sa paroi intérieure se trouvent 4 conteneurs dans lesquels sont logés les parachutes qui doivent permettre la récupération du premier étage[9]. Les réservoirs des deux étages sont mis sous pression par de l'hélium réchauffé. La coiffe a un diamètre de 5,2 mètres et est haute de 13,9 mètres : son diamètre intérieur maximum de 4,6 mètres se maintient sur une hauteur de 6,6 mètres.

L'avionique est commune avec celle du lanceur Falcon 1 également développé par SpaceX. Elle bénéficie d'une triple redondance (ordinateurs de vol et systèmes inertiels) et fait appel à un récepteur GPS pour déterminer le positionnement de l'engin. Les données télémétriques et vidéo sont transmises en bande S par chaque étage individuellement. Le lanceur est, selon son constructeur, capable de remplir sa mission même après l'extinction d'un des neuf moteurs du premier étage. À cet effet des vannes permettent de couper l'alimentation de chaque moteur individuellement ; une cloison en kevlar et nextel protège chaque propulseur de l'explosion éventuelle d'un autre moteur. Selon son constructeur le Falcon 9 1.0 peut placer une charge utile de 10,45 tonnes en orbite basse (200 km) et de 4,5 tonnes en orbite de transfert géostationnaire[10],[4].

La société SpaceX communique de manière souvent vague (masse à vide non communiquée) et éventuellement contradictoire (incohérence entre impulsion spécifique et performances) sur les caractéristiques de ses lanceurs ; par ailleurs celles-ci sont souvent modifiées au cours de développement contrairement à ce qui se fait traditionnellement dans cette industrie[10].

Falcon 9 v1.1[modifier | modifier le code]

Une Falcon 9 v1.1 équipée de jambes d'atterrissage s'apprête à lancer un vaisseau cargo Dragon

Les premiers lancements de Falcon 9 utilisent une version du lanceur (baptisée aujourd'hui V1.0) dont les performances, longtemps non précisées, sont sensiblement inférieures à celles annoncées initialement. Pour atteindre ses objectifs, SpaceX développe une nouvelle version du lanceur dite V 1.1 utilisant des moteurs Merlin nettement plus puissants. Le Merlin 1D développe 65 t de poussée au niveau de la mer contre 35 t pour la version précédente. Ce gain est obtenu en augmentant de 50% la pression dans la chambre de combustion qui passe à 97 bars. Les 9 moteurs du premier étage ne sont plus organisés en 3 rangées de 3 mais forment un cercle de 8 moteurs, le neuvième se situant au centre. Le premier étage est fortement rallongé pour contenir plus de carburant. La masse du lanceur passe de 318 tonnes à 480 tonnes[11]. La version 1.1 peut placer en orbite basse une charge utile de 13,15 tonnes contre 10,45 tonnes pour la version 1.0 et 5,3 tonnes en orbite géostationnaire contre 4,8 tonnes pour la version 1.0. La version précédente était uniquement utilisé pour lancer le cargo SpaceX Dragon qui ne nécessitait pas de coiffe. La nouvelle version dispose d'une coiffe permettant de placer en orbite dont les dimensions (13,1 m de hauteur 5,2 mètres de diamètre) permettent de couvrir les besoins du marché. Le premier vol de cette version a eu lieu le 29 septembre 2013 et est un succès[4],[12].

Falcon 9 Full Thrust (v1.1)[modifier | modifier le code]

La Falcon 9 v1.1 Full Thrust ("pleine poussée") est une version plus puissante améliorée de la v1.1. Le premier vol a lieu le 22 décembre 2015. La poussée des moteurs des premier et deuxième étages est accrue, la structure du première étage est modifiée et le deuxième étage est allongé. La structure de poussée du premier étage est modifiée tandis que l'interétage (structure entre les deux étages) est rallongé et renforcé. Le système d'atterrissage utilisé pour la récupération est amélioré : le train d'atterrissage et les panneaux des aérofreins sont modifiés. L'ensemble de ces modifications permettent de faire passer la masse satellisable en orbite de transfert géostationnaire de 4,85 à 5,5 tonnes[13].

Comparaison des versions du lanceur[modifier | modifier le code]

Caractéristiques des différentes versions[13]
Version Falcon 9 v1.0 (block 1) Falcon 9 v1.1 Falcon 9 v1.1 R Falcon 9 v1.1
“Full Thrust”
Dimensions
Hauteur totale 46,5 m 68,7 m ~70 m
Diamètre 3,6 m
Masse au décollage (tonnes) 336 t 511 t 538 t
Coiffe 3,7 m de largeur sur
7,2 m de hauteur
(dimension du cargo spatial SpaceX Dragon)
5,2 m de largeur sur
13,1 m de hauteur
1re étage
Longueur 29 m 41,5 m. 41,5 m.
Masse (ergols) 269,5 t. (254 t.) 410,9 t. (388 t.) 416,7 t. (393 t.)
Propulsion 9 × Merlin 1C
(9 x 422 kN) au sol
Impulsion spécifique 267 s
9 × Merlin 1D
(9 x 654 kN)au sol
Impulsion spécifique 282 s
9 × Merlin 1D+
(9 x 7564 kN)au sol
Impulsion spécifique 286 s
Poussée initiale (kN) 3807 kN 5889 kN 6805 kN
Durée de combustion 175 s 182 s 162 s
2e étage
Longueur 10,5 m 14 m. 15,5 m.
Masse (ergols) 56,8 t. (54,6 t.) 92,5 t. (88,9 t.) 113 t. (108,7 t.)
2e étage 1 × Merlin 1C Vide
520 kN dans le vide
Impulsion spécifique 366 s
1 × Merlin 1D Vide
805 kN dans le vide
Impulsion spécifique 347 s
1 × Merlin 1D+ Vide
934 kN dans le vide
Impulsion spécifique 348 s
Durée de combustion 346 s 376 s 397 s
Charge utile pour l'orbite basse (kg)
depuis Cap Canaveral
10 450 kg 13 150 kg
Capacités
Charge utile GTO (kg) 4 850 kg 5 500 kg
Autre 1er étage réutilisable
Prix (millions US$) 56,5 millions US$
Statut
1er et dernier vol 4 juin 2010 - 1 mars 2013 29 septembre 2013 - 28 juin 2015 22 décembre 2015 -
Succès total/partiel/échec 4/1/0 12/0/1 1/0/0
Composants du lanceur Falcon 1.1

Version partiellement réutilisable[modifier | modifier le code]

Tentative d'appontage du premier étage lors de la mission CRS-6.
Test d'atterrissage du prototype Grasshoper (juin 2013).

L'abaissement des coûts de lancement des fusées Falcon doit passer en grande partie par la réutilisation après usage des lanceurs. La technique utilisée sur les Falcon 1 et les premières Falcon 9 reposait sur l'utilisation de parachutes et la récupération en mer des étages. Mais toutes les tentatives de récupération effectuées après les lancements sont des échecs car les étages ne survivent pas à la séparation avec le reste du lanceur et aux contraintes thermiques subies à grande vitesse. Fin 2011, SpaceX annonce le choix d'une nouvelle technique de récupération qui doit être appliquée initialement au premier étage. Celui-ci, muni d'un train d'atterrissage déployable, doit revenir sur le site du lancement en effectuant un vol en partie propulsé et en atterrissant verticalement[14]. Ce scénario suppose que l'étage conserve une partie du carburant pour le retour au sol. Un prototype, baptisé Grasshoper est développé et effectue un premier test en avril 2013 à basse altitude et faible vitesse[15].

Principes[modifier | modifier le code]

Plusieurs techniques sont mises en œuvre pour récupérer le premier étage. Le retour sur Terre du lanceur nécessite l'utilisation de la propulsion à la fois pour annuler la vitesse acquise et ramener l'étage sur la base de lancement. Le premier étage est largué à une altitude et une vitesse plus faible que dans la version consommable du lanceur (2 km/s ou Mach 6 contre 3,4 km/s ou Mach 10) pour conserver les ergols nécessaires. Le système de contrôle d'attitude a été modifié pour permettre une stabilisation de l'étage durant sa descente. Le corps de l'étage est également modifié par l'ajout d'un train d'atterrissage quadripode et des grilles orientables utilisées pour stabiliser l'orientation durant la descente. Un système de guidage est utilisé pour le calcul de la trajectoire de retour et l'atterrissage de précision.

Séquence d'atterrissage[modifier | modifier le code]

Après la séparation du premier étage, les moteurs de contrôle d'attitude sont utilisés pour modifier l'orientation de l'étage afin que la poussée des moteurs ralentisse celui-ci. Environ deux minutes après la séparation trois des moteurs sont mis à feu durant environ 30 secondes pour ramener l'étage vers son point de départ. Deux minutes plus tard, après déploiement des grilles de stabilisation, les moteurs sont rallumés de nouveau pour ralentir l'étage. Enfin environ 30 secondes avant l'atterrissage un seul de ses moteurs est mis à feu et sa poussée est fortement modulée de manière à poser verticalement et à vitesse nulle l'étage. Six secondes avant le poser le train d'atterrissage a été déployé[16].

Mise au point de l'atterrissage[modifier | modifier le code]

En septembre 2013, SpaceX effectue son premier test d'amerrissage contrôlé dont l'objectif est de tester les phases de rentrée atmosphérique, freinage et amerrissage à vitesse réduite d'un premier étage équipé pour sa récupération. Durant ce premier test le propulseur unique impliqué dans la phase de freinage ne parvient pas à stabiliser le lanceur. Mais lors du second et du troisième test effectués en avril et en juillet 2014 SpaceX parvient à effectuer deux amerrissages en douceur du premier étage muni de jambes d'atterrissage déployables. Une première tentative d'atterrissage sur une barge océanique a eu lieu le 10 janvier 2015 dans le cadre de la mission de ravitaillement de la station spatiale internationale CRS-5 mais un manque de liquide hydraulique actionnant les ailerons des stabilisateurs cellulaires durant les dernières secondes de l'atterrissage provoque l'échec de la manœuvre. Une nouvelle tentative est effectuée le 11 février (initialement prévue le 30 janvier). Le lanceur, emportant alors 50% de liquide hydraulique supplémentaire, s'envole avec succès. Le premier étage se sépare après presque 3 minutes de vol et démarre son retour autonome. Cependant, le mauvais temps (vagues de 10 mètres) dans la zone de récupération n'a pas pu permettre à SpaceX de déployer sa plateforme d'atterrissage. Le premier étage a donc "amerri en douceur" à seulement 10 mètres de l'endroit prévu. Lors de la troisième tentative effectuée le 14 avril 2015 à l'occasion de la mission de ravitaillement de la station spatiale internationale CRS-6, le premier étage parvient à se poser sur la plateforme mais une trop grande vitesse latérale et horizontale due à une valve défaillante, brisant deux des quatre jambes d'atterrissage, le faisant basculer et exploser sur la barge. La première récupération réussie du premier étage eu lieu le 21 décembre 2015 et met en œuvre la version full thrust du lanceur[17]. Contrairement aux tentatives précédentes qui utilisaient une plateforme située au large de la Floride, l'étage se pose cette fois sur un ancien pas de tir de la base de Cape Canaveral réaménagé par SpaceX et rebaptisé Landing Zone 1 situé non loin du lieu de décollage.

Viabilité économique[modifier | modifier le code]

L'industrie spatiale émet des doutes sur le modèle économique de la réutilisation des lanceurs. La navette spatiale avait déjà échouée à réduire les coûts par la réutilisation de la navette elle-même (plusieurs mois de remise en état entre les lancements) et des boosters latéraux du premier étage qui étaient récupérés dans l'eau salée (très corrosive pour les moteurs) après leur amerrissages.

Peu après le succès d'atterrissage du lanceur Falcon 9, ses concurrents critiquaient ce choix stratégique[18]. Les éléments qui posent question sont :

  • la perte de rendement due à la nécessité de garder des réserves de carburant pour l'atterrissage ;
  • la réduction des économies d'échelles liée à la baisse du volume de production de lanceurs neufs ;
  • les coûts de remise en état du lanceur ;
  • la commercialisation plus difficile de lanceurs usagés (fiabilité à déterminer).

Installations de lancement[modifier | modifier le code]

SpaceX dispose d'installations de lancement à la base de Cap Canaveral en Floride pour le ravitaillement de la Station spatiale internationale et le lancement de satellites en orbite géostationnaire (télécommunications) et depuis septembre 2013 d'une installation de tir à la base de lancement de Vandenberg en Californie pour le lancement des satellites en orbite polaire (satellites d'observation de la Terre, satellites militaires). Enfin la société fait construire une base de lancement à Boca Chica au Texas qui contrairement aux deux précédentes lui appartiendra en propre.

Cape Canaveral (Floride)[modifier | modifier le code]

Les installations de lancement de Cape Canaveral.

En Floride, le lanceur Falcon 9 est tiré depuis le pas de tir 40 (SLC-40) de la base de Cap Canaveral utilisé autrefois par les fusées Titan III et IV et reconverti pour le lanceur. Les installations comportent un hangar dans lequel le lanceur est assemblé à l'horizontale avec sa charge utile. Il est ensuite installé sur un véhicule sur rail qui supporte un dispositif d'érection sur lequel s'articule une table de lancement massive composée de longerons massifs en acier : cette dernière comporte quatre pattes auxquelles sont fixées le lanceur. L'ensemble est transporté jusqu'au pas de tir situé à faible distance où il est basculé en position verticale. La table de lancement est fixée au sol. Les conduits d'alimentation et les câbles électriques se connectent au lanceur en passant par le système d'érection qui est légèrement écarté du lanceur. Des réservoirs dispersés à une certaine distance du pas de tir et des tours supportant les paratonnerres complètent ces équipements[4]. L'ancienne base de lancement des missiles Atlas LC-13 à été reconvertie en base d'atterrissage (Landing Zone 1) pour les lanceurs-atterrisseurs Falcon 9.

Construction d'un batiment d'assemblage pour les Falcon 9 et Falon Heavy près du complexe de lancement LC-39A du centre spatial Kennedy (juin 2015) acquis par la société SpaceX.

Vandenberg (Californie)[modifier | modifier le code]

Pour placer les satellites sur des orbites polaires SpaceX utilise le pas de tir 4E de la base de lancement de Vandenberg en Californie. Ce pas de tir était a été utilisé à compter de 1962 pour les lancements des fusées Atlas puis jusqu'en 2005 par le lanceur Titan IV. SpaceX loue cette installation depuis juillet 2011 et des travaux d'adaptation du pas de tir ont été effectués jusqu'en novembre 2012. Le constructeur de la fusée Falcon 9 a réutilisé certains équipements mais a également réalisé des transformations conséquentes comme la destruction de la tour de service d'une hauteur de plus de 30 étages et de la tour d'approvisionnement d'une hauteur de 20 étages. Le complexe comprend une zone bétonnée et un large conduit d'évacuation des fumées. Autour du pas de tir, il y a des citernes de LOX, de RP-1 et d'eau, un bâtiment d'assemblage des lanceurs Falcon 9 et une voie bétonnée utilisée pour acheminer les lanceurs entre le bâtiment d'assemblage et le pas de tir. Lors des lancements, le lanceur, qui est stocké dans le bâtiment d'assemblage est disposée sur la tour/grue à l'aide d'une grue. La charge utile, dans sa coiffe est ensuite fixée au sommet du lanceur. La tour/grue est au dernier moment acheminée jusqu'au pas de tir pour éviter l'exposition de la fusée aux éventuelles intempéries.

Le premier tir depuis Vandenberg a eu lieu le 29 septembre 2013 pour placer en orbite le satellite canadien CASSIOPE[19]. Le second tir doit avoir lieu le 17 janvier 2016 pour le lancement du satellite Jason-3 pour la Nasa et l'ESA[20].

Boca Chica (Texas)[modifier | modifier le code]

SpaceX fait construire des installations de lancement pour son lanceur Falcon 9 à Boca Chica à environ 25 km à l'est de Brownsville (État du Texas) en bordure du golfe du Mexique et à quelques kilomètres de la frontière entre les États-Unis et le Mexique. Contrairement aux autres installations de lancement dont il dispose et qui dépendent du gouvernement américain (NASA et l’Armée de l'Air américaine) Boca Chica appartient en propre à la société, ce qui donnera plus de latitude à SpaceX dans l'exploitation du site. SpaceX a investi 100 millions de dollars (environ 88 millions d'euros) dans ce complexe de lancement. Les travaux ont débuté en 2015 et le premier lancement depuis ce site devrait avoir lieu en 2017[21].

Centre spatial Kennedy (Floride)[modifier | modifier le code]

Pour lancer sa future fusée lourde Falcon Heavy, SpaceX loue, dans le cadre d'un bail qui courre jusqu'en 2025, le complexe de lancement LC-39A du centre spatial Kennedy utilisé autrefois par la Navette spatiale américaine. En 2015 et 2016 il réaménage le pas de tir et fait construire un bâtiment d'assemblage. La société a l'intention de lancer depuis ce site à la fois des Falcon Heavy et des Falcon 9. Le premier lancement d'une Falcon Heavy est planifié en 2016 depuis ce site[22].

Déroulement d'un lancement[modifier | modifier le code]

Le lanceur et ses moteurs sont fabriqués dans l'usine de la société située à Hawthorne en Californie près de l'aéroport de Los Angeles. SpaceX y dispose d'une surface couverte de 5,1 hectares permettant d'assembler en parallèle 3 lanceurs Falcon 9 ainsi que 2 douzaines de moteurs Merlin et trois lanceurs Falcon 1[4]. Le lanceur est transféré par route jusqu'à son site de lancement (Floride ou Californie) où il est assemblé avec sa charge utile puis testé avant son lancement. Au décollage, les moteurs sont allumés et le lanceur est retenu par les quatre pattes de la table de lancement pour vérifier que la poussée est nominale. Si les données fournies sont correctes, les fixations sont libérées et les pattes basculent en arrière pour s'écarter de la trajectoire des moteurs tandis que le lanceur s'élève lentement. Si une extinction des moteurs a été demandée, le système permet de relancer très rapidement le compte à rebours à h-15 minutes comme cela a été démontré au cours du premier lancement. Max Q (pression aérodynamique maximale) est atteint 76 secondes après le décollage et les contraintes aérodynamiques sont levées au bout de 115 secondes. À t+155,5 secondes, deux des neuf moteurs sont éteints pour limiter l'accélération car la poussée des moteurs de cet étage n'est pas modulable.

La séparation entre les deux étages n'est pas assistée par des fusées mais par des poussoirs pneumatiques comme sur le Falcon 1. Elle se déroule en 3 temps : extinction des moteurs du premier étage à t+174,2 secondes, séparation à t+176,2 secondes et démarrage du moteur du second étage à t+179,2 secondes. La jupe de liaison entre les deux étages qui est solidaire du premier étage comprend des parachutes qui doivent freiner sa descente et permettre sa récupération et sa réutilisation après son amerrissage. Le moteur du second étage a une poussée modulable (60 à 100 %) et peut être rallumé deux fois pour répondre à des besoins particuliers de trajectoire. Un double système d'allumage accroît la fiabilité de la mise à feu de ce moteur. La coiffe est éjectée à t+199,2 secondes. Pour une injection en orbite de transfert géostationnaire le second étage est éteint une première fois à t+457,9 secondes puis rallumé entre t+1488,6 et t+1544,6 secondes. Avant la séparation de la charge utile l'orientation du lanceur peut être fixe ou celui-ci peut être mis en rotation à la vitesse de 5 tours par seconde[4]. Initialement les deux étages devaient pouvoir être réutilisés après un lancement, la récupération et la réutilisation du second étage restent cependant encore à démontrer bien que le coût du premier étage représente à lui seul environ 75% de celui du lanceur.

Historique[modifier | modifier le code]

Une Falcon v1.0 dans le hangar d'assemblage de Cape Canaveral.
Une Falcon v1.0 est transporté sur son chariot érecteur jusqu'au pas de tir.

Genèse (2005)[modifier | modifier le code]

En 2005, la société Space X propose une gamme de lanceurs composée du lanceur léger Falcon 1 et du lanceur moyen Falcon 5. En septembre 2005, la société ajoute à sa gamme le Falcon 9 doté d'un premier étage nettement plus puissant propulsé par neuf moteurs Merlin au lieu de cinq sur le Falcon 5. Le premier vol est annoncé pour le deuxième trimestre 2007. Les deux lanceurs moyens doivent utiliser la même structure pour le premier étage mais le Falcon 5 est lancé avec des réservoirs partiellement remplis. Le Falcon 9 est initialement censé être propulsé par des Merlin 1B mais ce modèle est abandonné pour le Merlin 1C plus sophistiqué car refroidi par ses ergols, mais qui doit atteindre 556 kN de poussée au sol en fin de développement contre 378 kN pour le Merlin 1B. Le Falcon 5 disparaît par la suite du catalogue SpaceX[10].

Sélection dans le cadre du programme COTS de la NASA (2006)[modifier | modifier le code]

En septembre 2006, dans le cadre du programme COTS destiné à assurer le remplacement partiel de la navette spatiale américaine, la NASA sélectionne deux sociétés, dont SpaceX, pour le ravitaillement de la Station spatiale internationale. SpaceX a répondu à l'appel d'offres en proposant d'utiliser son lanceur Falcon 9 pour lancer le cargo spatial Dragon développé également par SpaceX. La NASA passe contrat avec la société SpaceX en décembre 2008 pour le lancement de 12 vaisseaux d'ici 2015 qui doivent amener une masse totale de 20 tonnes au minimum à la station spatiale contre une rémunération de 1,6 milliard de $. Les clauses du contrat prévoient qu'il peut être étendu jusqu'à concurrence d'un montant de 3,1 milliards de dollars[23]. SpaceX doit effectuer trois vols de qualification de difficulté croissante pour démontrer sa capacité à réaliser cette mission. Puis 12 vols de ravitaillement sont planifiés jusqu'en 2015.

Développement (2006-2010)[modifier | modifier le code]

Début 2007, SpaceX annonce l'achèvement du premier réservoir du premier étage du lanceur[24]. Le premier test d'un premier étage avec ses 9 moteurs est réalisé le premier août 2008[25]. En novembre 2008, les neuf moteurs sont testés avec succès pour une durée équivalente à celle d'un tir réel (178 secondes)[26]. En février 2008, le premier vol de démonstration du Falcon 9 avec le vaisseau Dragon est repoussé de 6 mois à la fin du premier trimestre 2008[27]. Le lanceur est pour la première fois assemblé en position verticale en janvier 2009 à Cap Carnaveral. En octobre 2009, un premier étage destiné à être lancé effectue un test réussi sur le banc d'essais de SpaceX situé à McGregor dans le Texas. Le lanceur complet est convoyé vers son site de lancement en février 2010. SpaceX prévoit à l'époque un lancement le 22 mars 2010 avec une marge d'erreur de 1 à 3 mois liée aux incertitudes relatives aux tests d'intégration[28]. Le second étage est testé pour la première fois en novembre 2009. Le 13 mars 2010, Space X procède à un essai statique de 3,5 secondes du lanceur assemblé.

Vol inaugural (2010)[modifier | modifier le code]

Premier tir du lanceur le 4 juin 2010
Lancement du premier exemplaire de la V1.1 depuis Vandenberg (septembre 2013).

Après deux interruptions dans le compte à rebours dont un allumage du premier étage avorté, le premier lancement d'une fusée Falcon 9 a eu lieu le 4 juin 2010 depuis la base de lancement de Cap Canaveral. La charge utile du lanceur était constituée par une maquette du cargo spatial SpaceX Dragon, nommée Dragon Spacecraft Qualification Unit. Malgré un roulis important non prévu, le second étage solidaire de sa charge utile s'est placé sur une orbite à peu près circulaire de 250 km avec une inclinaison de 34,5° correspondant presque parfaitement à l'objectif fixé (moins de 1 % de différence). Le premier étage, dont la réutilisation doit contribuer à la réduction du coût de lancement, s'est brisé en retombant[29],[30].

Qualification pour le programme COTS (2010-2012)[modifier | modifier le code]

La qualification pour le programme COTS, qui constitue la majorité du carnet de commande du lanceur, est un enjeu majeur pour SpaceX. Afin de qualifier le lanceur et le vaisseau SpaceX Dragon pour le ravitaillement de la Station spatiale internationale, trois vols de difficulté croissante doivent être réalisés avec succès. Fin mai 2010, SpaceX, qui a reçu 350 millions de $ d'avances de la part de la NASA, a annoncé à l'agence spatiale américaine qu'elle ne prévoyait plus qu'un seul vol de démonstration en juillet 2010. Le deuxième vol, nécessitant des développements complémentaires, est désormais prévu pour septembre 2011 tandis que le troisième vol serait réalisé en octobre 2011. Or, après l'arrêt de la navette spatiale fin 2010, le lanceur va jouer un rôle crucial dans le maintien du potentiel de la station spatiale : il n'existe plus aucune marge au cas où des problèmes de mise au point surgiraient. Par ailleurs, la NASA a décidé de ne plus utiliser les cargos russes Progress pour le ravitaillement de la partie américaine de la station à compter de fin 2011. Un report supplémentaire dans la date de disponibilité opérationnelle des cargos du programme COTS contraindrait à réduire l'activité de la station spatiale et à la placer en mode « survie » avec un équipage réduit et une activité scientifique limitée comme cela s'était produit après l'accident de la navette spatiale Columbia.

Après plusieurs reports le premier vol de qualification a lieu le 8 décembre 2010. Le lanceur Falcon 9 a placé le cargo spatial SpaceX Dragon sur une orbite circulaire de 288 km avec une inclinaison de 34,53 degrés. Les communications ont été testées et des manœuvres de changement d'orbite et de contrôle d'orientation ont été effectuées par le vaisseau à l'aide de ses moteurs. Après près de 3 heures passées en orbite, la capsule a effectué une rentrée atmosphérique et a été récupérée après son amerrissage dans l'océan Pacifique qui s'est fait avec une précision de 800 mètres par rapport au point visé[31]. SpaceX est devenue la première société privée capable de lancer et de récupérer une capsule spatiale.

Le deuxième et dernier vol de qualification a lieu le 22 mai 2012. Initialement un troisième vol de qualification était programmé mais, en décembre 2011, la NASA a validé la proposition de SpaceX de fusionner les objectifs des deux missions. Le vol doit donc démontrer à la fois la capacité du vaisseau cargo Dragon à manœuvrer en toute sécurité à proximité de la station spatiale et effectuer un premier test d’amarrage. Le lanceur Falcon 9 emporte une capsule Dragon contenant 521 kilos de fret à destination de la Station spatiale internationale. Le 25 mai, la capsule Dragon est amarrée à la station spatiale et le vaisseau est déchargé de sa marchandise par l'équipage. Six jours plus tard, le vaisseau qui a été chargé avec 625 kg de matériel (dont les résultats d'un certain nombre d'expériences) à ramener sur Terre est désamarré et après avoir manœuvré entame sa rentrée atmosphérique. Il amerrit le 31 mai à environ 900 km de la côte californienne et est récupéré avec succès avec son contenu par une petite flottille affrétée par SpaceX. Ce vol conclut la phase de certification de l'ensemble Falcon 9/Dragon pour le programme COTS[32].

Les premiers vols opérationnels (2012-2013)[modifier | modifier le code]

À la suite des vols de qualification, le lanceur entame son premier vol opérationnel (CRS-1) destiné à ravitailler la Station spatiale internationale 8 octobre 2012. Le lanceur emporte une capsule Dragon contenant 905 kilos de fret à destination de la Station spatiale internationale ainsi qu'un prototype de satellite Orbcomm de seconde génération d'une masse de 150 kg[33]. 90 secondes après le décollage, un des neuf moteurs du premier étage est victime d'une défaillance : les investigations postérieures réalisées par une commission mixte de SpaceX et de la NASA montreront qu'une brèche s'est ouverte dans la chambre de combustion et qu'un jet de gaz brulant en est sorti et a sectionné le conduit de l'alimentation principale en ergol déclenchant un incendie. L'ordinateur de vol a alors arrêté le moteur et le lanceur a poursuivi son vol en utilisant ses 8 autres moteurs[34],[35]. L'orbite visée est atteinte mais SpaceX ne procède pas au réallumage du second étage qui aurait permis de placer la charge secondaire, le minisatellite de démonstration Orbcomm-G2, sur son orbite de destination selon un accord passé avec la NASA et stipulant que si les réserves de carburant et d'oxygène liquide disponibles n'assureraient pas l'atteinte de l'orbite visée avec une probabilité supérieure à 99% le réallumage du second étage n'aurait pas lieu (le second étage disposait du carburant nécessaire mais les probabilités que l'oxygène liquide soit disponible en quantité suffisante n'étaient que de 95%). Le minisatellite est donc placé sur une orbite non opérationnelle et sera détruit en rentrant dans l'atmosphère quatre jours plus tard[36]. Mais la mission principale se déroule sans accroc, la capsule Dragon après avoir manœuvré est amarrée à la station spatiale le 10 octobre 2012 et est déchargée. 905 kg de fret sont chargés dans le vaisseau pour être ramenés sur Terre[33]. Le 28 octobre, le vaisseau est détaché de la station et après sa rentrée atmosphérique effectue un amerrissage dans l'Océan Pacifique. Les équipes de SpaceX et de la NASA parviennent à récupérer le vaisseau et son contenu sans difficultés[37].

La version V1.1 du lanceur introduit de profonds changements dans la configuration du lanceur avec notamment une masse accrue de plus de 40%. Le premier vol de cette version a lieu le 29 septembre 2013, c'est un succès. Toutefois deux objectifs secondaires de ce vol ne sont pas atteints : Le moteur du second étage ne peut être rallumé après la séparation de la charge utile, fonctionnalité utilisée pour placer les satellites en orbite géostationnaire dans le cadre du vol suivant ; l'utilisation de la propulsion du premier étage après la séparation pour stabiliser les mouvements de celui-ci durant sa chute et permettre sa récupération[4],[12]. Le 3 décembre 2013, le deuxième vol du lanceur dans sa version 1.1 emporte un satellite de télécommunications vers l'orbite géostationnaire. Cette fois le moteur du second étage est remis à feu pour l'insertion du satellite sur une orbite elliptique haute sans rencontrer de problème[38].

Défaillance du lanceur lors de la mission vol CRS-7 (juin 2015)[modifier | modifier le code]

Premier atterrissage réussi sur la Landing Zone 1 le 21 décembre 2015

Lors du lancement de la mission de ravitaillement de la station spatiale internationale CRS-7 le 28 juin 2015, le lanceur est détruit après 139 secondes de vol. Une surpression dans le réservoir d'oxygène liquide du second étage fait exploser celui-ci alors que le premier étage fonctionnait normalement. Ce dernier continue à fonctionner durant plusieurs secondes avant de s'auto-détruire. Le capsule Dragon est éjectée par l'explosion du second étage mais ne disposant pas des instructions permettant de déployer ses parachutes dans ce contexte elle est détruite en percutant à grande vitesse l'océan. Le vaisseau cargo contenait 1,8 tonnes de ravitaillement ainsi qu'un adaptateur dans la partie non pressurisée qui devant permettre l'amarrage des futurs vaisseaux privés à la station spatiale[39],[40].

Mi juillet, Elon Musk annonce les résultats préliminaires des investigations effectuées après l'accident pour déterminer l'origine de la défaillance. L'origine de celle-ci serait liée à l'une des bouteilles d'hélium sous pression situées à l'intérieur du réservoir d'oxygène. De manière conventionnelle sur un lanceur, ce gaz est progressivement libéré dans le réservoir lorsque le moteur de l'étage fonctionne pour maintenir sous pression le réservoir au fur et à mesure que l'oxygène est brulé. L'hélium remplit deux objectifs : préserver l'intégrité de la structure du réservoir et refouler l'oxygène restant vers le moteur. La bouteille est maintenue en position par des poutrelles en acier fixées par ailleurs à la paroi du réservoir. Une de ces poutrelles aurait cédée alors que le lanceur accélérait à plus de 3 g. La bouteille libérée aurait largué accidentellement de l'hélium mettant en surpression le réservoir, provoquant son éventrement puis la défaillance du lanceur. Ce diagnostic devait être confirmé au cours de l'été. Le lanceur ne devrait pas voler à nouveau avant fin septembre avec un impact sur un planning de lancement très chargé de la Falcon 9. Pour prendre en compte la surcharge de travail liée au traitement de la défaillance, la priorité accordée au développement de la Falcon Heavy a été abaissée et il n'est plus prévu de lancement inaugural avant avril 2016[39],[40].

Premier vol de la version v1.1 "Full Thrust" et premier atterrissage réussi (décembre 2015)[modifier | modifier le code]

Le vol du 22 décembre 2015 inaugure une nouvelle version plus puissante du lanceur baptisée "Full Thrust". C'est le premier lancement depuis l'échec de juin 2015. Le lanceur place en orbite onze satellites de télécommunications de la société Orbcomm. Le premier étage effectue pour la première fois un atterrissage réussi à Cap Canaveral[41],[42]. Alors que lors des essais précédents, l'atterrissage avait eu lieu sur une plateforme au large de la Floride, l'étage revient se poser cette fois sur un ancien pas de tir reconverti et rebaptisé Landing zone 1, tout proche du site de lancement.

L'examen soigneux du lanceur récupéré s'est déroulé en position horizontale dans le bâtiment construit par SpaceX à proximité du pas de tir 39-A au centre spatial Kennedy près de Cape Canaveral. Le 31 décembre, soit 10 jours après l'atterrissage, Elon Musk annonçait que les systèmes paraissaient en bon état[43]. Le 15 janvier 2016, le lanceur aurait finalement été positionné verticalement sur le pas de tir 40 de Cap Canaveral pour un essai des moteurs. Les données révéleraient un lanceur en bon état en dehors du moteur numéro 9 qui présenterait des variations de puissance[44]. Cela pourrait être en rapport avec l'ingestion de débris à l'atterrissage et cela sera confirmé par une endoscopie du moteur dans les jours suivants.


Historique des lancements[modifier | modifier le code]

Les 5 premiers lancements utilisent le modèle 1.0 du lanceur qui est ensuite remplacé par le modèle 1.1. À partir du 20ème lancement le modèle 1.1 est amélioré avec une poussée supérieure de 30%, il est renommé "Full Thrust" (pleine poussée).

Carnet de commandes[modifier | modifier le code]

Le carnet de commandes, affiché sur le site officiel de Space X, comporte plus d'une quarantaine de lancements (juillet 2014) dont les 9 missions restantes de ravitaillement de la Station spatiale prévues dans le contrat avec la NASA, 7 missions consacrées au lancement de la constellation Iridium, quelques missions militaires et de nombreux satellites de télécommunications[49].

Falcon Heavy[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Falcon Heavy.

SpaceX travaille actuellement sur une version lourde de son lanceur baptisée Falcon Heavy : celui-ci comporte en plus deux boosters légèrement plus grands que le premier étage du lanceur Falcon 9. Afin d'améliorer les performances il est envisagé d'utiliser une alimentation croisée des moteurs (Cross-feeding). La capacité du lanceur est de 53 tonnes en orbite basse[50] et de 19,5 tonnes en orbite de transfert géostationnaire. Son coût annoncé est de 83 à 128 millions $ (2012).

Vidéo[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

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  2. Stéphane Barensky et al., « L'Europe relève le gant face au "new space" », Air et Cosmos, no 2457S,‎ , p. 178-190
  3. Remy Decourt et al., « Premier vol de Falcon Heavy pour mai 2016 », Air et Cosmos, no 2467,‎ , p. 42
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  48. Le nouveau pari fou d’Elon Musk, le patron de SpaceX, 6 janvier 2015 - Challenges
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Spécifications du contructeur[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]