Utilisateur:Pline/Brouillon
Un lanceur réutilisable est une lanceur utilisé pour placer en orbite un engin spatial qui peut être réutilisé en totalité ou en partie avec l'objectif d'abaisser les coûts de lancement. Depuis le début de l'ère spatiale les fusées mises en œuvre pour satelliser des engins sont perdues après leur lancement car leur récupération pour un usage ultérieur soulève de nombreux problèmes. A la fin des années 1960 la NASA tente d'abaisser les couts de lancement en développant un système de lancement partiellement réutilisable, la Navette spatiale américaine, mais celle-ci s'avère au final beaucoup plus couteuse que les lanceurs classiques. Depuis plusieurs projets de lanceurs réutilisables ont été proposés sans qu'aucun, hormis Falcon 9, n'atteigne une phase d'expérimentation en grandeur réelle.
Avantages attendus d'un lanceur réutilisable[modifier | modifier le code]
Le cout de lancement d'un engin spatial est un frein important pour le développement de l'activité spatiale. Le prix de mise en orbite terrestre basse d'un kilogramme est compris selon les lanceurs entre quelques milliers US$ par kilogramme (lanceurs russes) et peut aller jusqu'à 100 000 US$ par kilo pour les charges utiles de petite taille. Ces couts sont d'abord liés aux couts de mise au point et de fabrication du lanceur qui ne peut être utilisé qu'une seule fois :
- Un lanceur est un engin très complexe car il fonctionne dans des conditions limites (température, pression, vibrations) en particulier son système de propulsion qui doit délivrer des poussées énormes
- Le nombre de lancement peu élevé ne permet pas de bénéficier d'effet d'échelle à la construction : il y a environ 100 lancements répartis entre des dizaines de types de lanceur). Les lanceurs les plus réussis ne sont fabriqués qu'à quelques centaines d'exemplaires sur une période s'échelonnant sur plusieurs décennies.
Par ailleurs un lanceur utilise des installations de lancement fixes couteuses et les travaux de préparation avant le lancement (assemblage, tests) sont longs et sollicitent de nombreuses ressources.
Les concepts[modifier | modifier le code]
Décollage[modifier | modifier le code]
Propulsion[modifier | modifier le code]
Ratio de masse[modifier | modifier le code]
Rentrée atmosphérique[modifier | modifier le code]
Atterrissage[modifier | modifier le code]
Plusieurs techniques d'atterrissage sont possibles :
Atterrissage avec freinage par parachute[modifier | modifier le code]
Atterrissage horizontal[modifier | modifier le code]
Le lanceur se pose à l'horizontal sur une piste d'atterrissage et s'immobilise après avoir roulé sur une certaine distance.
Cette technique d'atterrissage nécessite que le lanceur dispose de caractéristiques proches de celles d'un avion :
- Une surface portante (aile) d'une taille suffisante pour lui permettre de maintenir une vitesse de descente finale modérée
- Une forme aérodynamique permettant de maintenir sa stabilité
- Des gouvernes permettant de contrôler le vol
- Un train d'atterrissage
- S'il n'y a pas d'équipage, l'avion doit disposer d'un système informatique embarqué capable de mener à bien l'atterrissage
Différentes variantes sont envisageables :
- L'avion spatial peut disposer d'une motorisation lui permettant de contrôler son vol (Bourane) ou se poser comme un planeur (navette spatiale américaine)
- Il peut nécessiter des longueurs de piste exceptionnelles compte tenu de sa vitesse d'atterrissage (navette spatiale américaine) ou atterrir sur des pistes d'aéroport standard
Atterrissage vertical[modifier | modifier le code]
Les défis[modifier | modifier le code]
Maturité technologique[modifier | modifier le code]
Complexité[modifier | modifier le code]
Pénalité de la charge utile[modifier | modifier le code]
Coût de développement[modifier | modifier le code]
Cout de remise en état opérationnel[modifier | modifier le code]
Architectures[modifier | modifier le code]
Plusieurs solutions techniques ont été explorées
Lanceur multi étages[modifier | modifier le code]
Lanceur aéroporté[modifier | modifier le code]
Lanceur orbital monoétage[modifier | modifier le code]
Utilisation de la propulsion aérobie[modifier | modifier le code]
Les projets américains de lanceur réutilisable[modifier | modifier le code]
[modifier | modifier le code]
La navette spatiale américaine est le premier projet de lanceur réutilisable dont l'étude a été poussée et reste en 2015 le seul ayant atteint le stade opérationnel. L'agence spatiale américaine, la NASA, lance sa conception alors que la construction de sa fusée lunaire géante Saturn V bat son plein. L'objectif est d'abaisser fortement les coûts du lancement spatial qui a jusque-là recours à des fusées perdues après usage. La navette spatiale doit être initialement un engin bi étage entièrement réutilisable dont les composants reviennent sur Terre après avoir placé la charge utile en orbite. Mais les couts sont très élevés et les techniques nécessaires, notamment le bouclier thermique, ne sont pas maitrisées. Pour que son projet aboutisse, la NASA doit aller rechercher le soutien de l'Armée qui impose pour répondre à ses besoins des changements importants dans la conception de l'engin spatial. Toujours pour limiter les couts de conception seul l'orbiteur, le deuxième étage du lanceur, doit être complètement réutilisable. La navette spatiale effectue son premier vol le 12 avril 1981 et devient opérationnelle l'année suivante. La NASA promet un abaissement décisif du cout de la mise en orbite. Mais la complexité inhérente au concept induit des coûts de développement et d'exploitation (500 millions de dollars par lancement) très élevés. Il apparaît rapidement que la navette ne sera jamais un moyen de lancement concurrentiel par rapport aux fusées car la cadence des lancements espérée ne peut être tenue. Après la destruction de la navette spatiale Challenger début 1986 qui entraîne la perte de son équipage, l'utilisation de la navette est limitée au lancement des satellites non commerciaux et aux expériences scientifiques en orbite. À compter de la fin des années 1990 sa mission principale est la desserte de la station spatiale Mir puis de la station spatiale internationale. Un deuxième accident en 2003, accompagné une fois de plus de la perte de l'équipage, accélère la décision de retirer la flotte des navettes dont le dernier vol a eu lieu en juillet 2011. La navette spatiale a effectué 135 vols à cette date.
Le programme National Aerospace Plane (1990-1993)[modifier | modifier le code]
En 1986 le président des États-Unis Ronald Reagan annonce dans son discours sur l'état de l'Union un nouvel Orient Express qui à la fin de la décennie pourra décoller de l'aéroport Dulles, atteindre 25 fois la vitesse du son et atteindre l'orbite basse ou rallier Tokyo en 2 heures. Le programme National Aerospace Plane mené à la fois par la NASA et l'Armée américaine prévoit la construction d'un avion spatial dont une version expérimentale le X-30 doit voler dès 1993. Cette échéance est d'abord repoussée à 1997 puis le programme est annulé en 1994 après que 1,6 milliards US$ aient été dépensés. Les technologies nécessaires permettant à un avion hypersonique d'atteindre une telle vitesse et de se mettre en orbite ne sont pas maitrisés à l'époque et ne le sont toujours pas en 2015[1]
Le programme Space Transportation System (1996-)[modifier | modifier le code]
Le programme Space Launch Initiative de la NASA (2001-2005)[modifier | modifier le code]
En 2001, la NASA décide de mettre sur pied un programme ambitieux baptisé Space Launch Initiative ayant pour objectif de permettre le développement de la deuxième génération de lanceur réutilisable. La NASA prévoit de consacrer 4,8 milliards US$ sur les cinq années suivantes. Le programme fait partie d'un projet plus vaste baptisé Integrated Space Transportation Plan : celui-ci comprend la mise à niveau des navettes spatiales existantes et la réalisation des recherches à long terme et des développements des technologies de transport spatiaux qui doivent être utilisées dans le futur. Le projet qui est mené conjointement avec l'Armée aboutit à la réalisation de différents prototypes de moteurs réutilisables à ergols cryogéniques oxygène/hydrogène (COBRA, RS-83, TR-106) et oxygène/kérosène (RS-84, TR-107). Le programme est annulé lorsque la NASA se voit obliger de recentrer ses dépenses sur le programme Constellation.
Le programme Reusable Booster System de l'Armée de l'Air (2010-2012)[modifier | modifier le code]
En 2010 l'Armée de l'Air américaine lance un programme de recherche pour préparer le remplacement à l'horizon 2025 des lanceurs Atlas V et Delta IV conçus pour répondre à ses besoins sur la base du cahier des charges EELV. L'appel d'offres du Reusable Booster System doté de 250 millions US$ demande à la société contractante de démontrer sa capacité à mettre au point les techniques et les processus nécessaires à la réalisation d'un lanceur réutilisable. Lockheed Martin est sélectionné en décembre 2011 pur la réalisation d'un démonstrateur volant le RBS Pathfinder avec un premier vol planifié en 2015. Mais le programme est arrêté en octobre 2012 à la suite de réductions budgétaires et d'un rapport défavorable du Conseil national de la recherche.
Le XS-1 de la DARPA (2013-)[modifier | modifier le code]
Le XS-1 (XS pour Experimental Spaceplane c'est à dire navette spatiale expérimentale) est un projet de lanceur léger réutilisable que la DARPA, l'agence de recherche du département de la Défense des États-Unis, a initié en 2013.
Falcon 9[modifier | modifier le code]
En 2011 la société SpaceX constructeur du lanceur Falcon 9 annonce qu'elle développe une version entièrement réutilisable de son lanceur bi-étage de moyenne puissance avec l'objectif de poursuivre l'abaissement des couts de lancement. Les deux étages doivent effectuer une rentrée contrôlée dans l'atmosphère puis atterrir verticalement sur une plateforme dédiée. Les développements se concentrent initialement sur la récupération du premier étage. Plusieurs techniques sont mises en œuvre. 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. Après la séparation du premier étage, les moteurs de contrôle d'attitude sont utilisés pour modifier l'orientation de l'étage et 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[2].
Après plusieurs tests d'atterrissage verticaux effectués avec un prototype baptisé Grasshopper. Entre septembre 2013 et juin 2015 7 vols opérationnels de Falcon 9 ont contribué à la mise au point du processus de récupération du premier étage du lanceur dont les deux dernières sur une plateforme en mer.
Les projets soviétiques et russes[modifier | modifier le code]
[modifier | modifier le code]
Les corps portants Bor[modifier | modifier le code]
Les projets des pays européens[modifier | modifier le code]
Le lanceur monoétage anglais HOTOL (1983-1989)[modifier | modifier le code]
[modifier | modifier le code]
Le programme allemand Sänger (1987-1995[modifier | modifier le code]
Le lanceur monoétage anglais Skylon[modifier | modifier le code]
Les projets japonais[modifier | modifier le code]
[modifier | modifier le code]
Notes et références[modifier | modifier le code]
- (en) Kenneth Chang, « 25 Years Ago, NASA Envisioned Its Own ‘Orient Express’ », The New York Times, 20 octobre 2à&4
- (en) Chris Bergin, « Fine-tuning Falcon 9 landing focuses on throttle valve response », sur nasaspaceflight.com,
Sources[modifier | modifier le code]
- Navette spatiale américaine
- [PDF] (en) T.A. Heppenheimer (NASA), The Space Shuttle Decision, (lire en ligne)Historique : des premiers concepts au lancement du projet de la navette spatiale (SP 4221).
- (en) « The Space Shuttle At Work : document rédigé en 1979 sur les perspectives ouvertes par la navette »
- National Aero-Space Plane . X-30
- (en) Larry Schweickart, The quest for the Orbital Jet : The National Aero-Space Plane Program (1983-1995), , 517 p. (ISBN 978-0-387-98190-1, lire en ligne)Histoire du programme X-30
- Space Launch Initiative
- (en) GAO, Space Transportation : Challenges Facing NASA’s Space Launch Initiative, GAO, , 25 p. (lire en ligne)Rapport de la cour des comptes américain (GAO) sur le projet SLI de septembre 2002
- Programmes européens de lanceurs réutilisables
- (en) Heribert Kuczera et Peter V. Sacher, Reusable Space Transportation Systems, Springer, (ISBN 978-3-540-89180-2)
Voir aussi[modifier | modifier le code]
Articles connexes[modifier | modifier le code]
- Lanceur orbital monoétage
- Fusée Technologie des lanceurs
- Navette spatiale américaine
- Falcon 9
Liens externes[modifier | modifier le code]
- (en) Les prototypes X