Vulcan (fusée)

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Vulcan
Lanceur spatial lourd
Version à 6 propulseurs d'appoint
Version à 6 propulseurs d'appoint
Données générales
Pays d’origine Drapeau des États-Unis États-Unis
Constructeur United Launch Alliance
Premier vol vers 2021
Hauteur 57,2 m
Diamètre 5,4 m
Masse au décollage 617 tonnes
Étage(s) 2
Base(s) de lancement Cape Canaveral
(complexe 41)
Vandenberg (complexe 3)
Charge utile
Orbite basse 27,5 tonnes
Transfert géostationnaire (GTO) 15 tonnes
Motorisation
Propulseurs d'appoint 2 à 6 GEM-63XL
1er étage CCB : 2 x BE-4 Méthane / Oxygène
2e étage Centaur-5 : 2 x RL-10C-X

Vulcan est un projet de lanceur américain proposé en 2015 par United Launch Alliance (ULA) pour remplacer à la fois les fusées Atlas V et Delta 4. L'objectif est d'abaisser le coût de ses lancements dans un marché devenu plus concurrentiel mais également de ne plus être dépendant du motoriste russe qui fournit le RD-180 propulsant le premier étage de l'Atlas V. Le lanceur dans sa configuration la plus puissante est capable de placer en orbite de transfert géostationnaire 8,5 tonnes et en orbite basse une charge utile de 29 tonnes. Le vol inaugural est programmé en 2021.

Contexte[modifier | modifier le code]

United Launch Alliance (ULA) est une coentreprise américaine entre Boeing et la Lockheed Martin qui produit les lanceurs spatiaux moyen/lourd Atlas V et Delta IV. Ces deux lanceurs ont été développés à la fin des années 1990 dans le cadre du programme EELV de l'Armée de l'Air américaine. Celle-ci souhaitait disposer de nouveaux moyens de lancement pour ses satellites. Pour des raisons liées à la fois aux exigences de l'armée (notamment maintien de pas de tir redondants sur les côtes est et ouest), aux cadences de tir limitées pour la Delta 4 et à l'existence du marché captif des satellites militaires, le coût de ces lanceurs est très élevé ce qui les tient à l'écart du marché des satellites commerciaux. En dehors des satellites militaires le principal débouché est constitué par les satellites scientifiques de la NASA (notamment ses sondes spatiales).

Au début des années 2010 deux événements remettent en cause la position d'ULA sur le marché des lanceurs[1] :

  • L'apparition d'un concurrent SpaceX qui propose à des prix attractifs le lanceur moyen Falcon 9 et développe un lanceur lourd Falcon Heavy qu'il annonce vouloir commercialiser à un tarif qu'ULA ne peut égaler.
  • Le lanceur Atlas V utilise pour son premier étage un moteur RD-180 très performant mais fourni par un constructeur russe. Le regain de tension entre les États-Unis et la Russie lié au conflit en Ukraine en 2014 s'est traduit par un embargo économique partiel. Dans ce contexte le Congrès américain porte une appréciation négative sur le fait que le lancement de satellites jouant un rôle important dans la sécurité de la nation dépende d'un fournisseur russe.

ULA réagit en annonçant le 13 avril 2015 le développement d'un nouveau lanceur, baptisé Vulcan, qui doit remplacer à la fois les fusées Atlas V et Delta IV. L'objectif est de rétablir sa compétitivité vis-à-vis de ses concurrents et de mettre fin à sa dépendance vis-à-vis de son fournisseur russe. Le prix de vente annoncé est de 100 millions US$ pour la version de base et de 200 millions US$ pour la version lourde. Ces prix sont à comparer à ceux des lanceurs existants d'ULA : 164 millions US$ pour l'Atlas V 401 et 400 millions US$ pour la Delta IV Heavy. L'innovation la plus marquante du nouveau lanceur est le recours à un moteur-fusée complètement nouveau et en cours en cours de conception, le BE-4, pour propulser le premier étage du lanceur. Le BE-4 a recours pour la première fois dans un moteur-fusée de cette taille au mélange Méthane/Oxygène. Par ailleurs il n'est pas produit par le constructeur historique Aerojet Rocketdyne mais par Blue Origin. ULA pour limiter les risques, se réserve toutefois la possibilité d'utiliser à la place l'AR-1 un moteur équivalent développé par Aerojet Rocketdyne si la mise au point du BE-4 s'avère problématique[2]. En septembre 2018 ULA annonce qu'elle sélectionne définitivement le moteur-fusée BE-4 et qu'elle abandonne complètement l'idée de recourir à l'AR-1[3].

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Performances des différentes versions[4]
Caractéristique Version
de base
Intermédiaire Heavy
Propulseurs d'appoint 2 6
Deuxième étage Centaur Centaur allongé
GTO 7,6 t. 13,7 t. 15 t.
Polaire 14,3 t. 22,5 t. 24,9 t.
Basse 17,8 t. 27,4 t. 30,3 t.
Station spatiale 15,4 t. 24,3 t. 26,5 t.
Orbite basse (200 km, inclinaison 28,7°), orbite polaire
(800 km, 90°), Orbite station spatiale (407 km, 51,6°)

Le lanceur Vulcan comprend dans sa version de base un étage propulsé par deux moteurs-fusées BE-4, un deuxième étage Centaur dans une version élargie et deux propulseurs d'appoint à propergol solide GEM-63XL. Deux versions plus puissantes sont disponibles toutes deux utilisant 6 propulseurs d'appoint GEM-63XL tandis que la version la plus lourde dispose d'un étage Centaur allongé avec des moteurs plus puissants. A côté de ces versions standards, le constructeur propose de manière optionnelle des versions comprenant 0 ou 4 propulseurs d'appoint. Les performances du lanceur lui permettent d'égaler celles de la version de la Delta 4 la plus puissante. Le lanceur a une hauteur totale de 61,6 mètres (coiffe courte), 67,4 mètres (coiffe longue) ou 69,2 mètres (version Heavy avec coiffe longue)[5],[6].

Premier étage[modifier | modifier le code]

Article détaillé : BE-4.
Premier exemplaire du moteur-fusée BE-4.

Le premier étage est long de 33,3 mètres pour un diamètre de 5,4 mètres. Les deux réservoirs sont autoporteurs et formés d'un cylindre et de deux dômes en aluminium orthogrille. Le premier étage est propulsé par deux moteurs-fusées BE-4 fournissant ensemble une poussée au décollage de 499 tonnes contre 422 tonnes pour le moteur RD-180 de l'Atlas V. Ce moteur brule un mélange méthane/oxygène, une première dans le domaine des lanceurs, qui permet d'envisager des lancements réutilisables 25 fois. Il utilise un cycle à combustion étagée très performant lui permettant d'atteindre une impulsion spécifique de 355 secondes dans le vide. La pression dans la chambre de combustion est de 134 bars[7],[5].

Second étage[modifier | modifier le code]

Un moteur-fusée RL-10 de type B-2.
Articles détaillés : Centaur (fusée) et RL-10 (moteur-fusée).

Dans un premier temps le lanceur doit utiliser une version modifiée du second étage Centaur déjà mis en œuvre sur les lanceurs existants. La version utilisée par le lanceur Atlas V (Centaur 3) a un diamètre est de 3,8 mètres. La version utilisée par le lanceur Vulcan (Centaur 5) a un diamètre porté à 5,4 mètres pour une longueur de 11,7 m et elle peut emporter 54 tonnes d'ergols. L'étage est propulsé par deux RL-10C d'Aerojet Rocketdyne. Une nouvelle version de cet étage doit être développée pour la version lourde (heavy) de Vulcan. Cette version comporte des réservoirs allongés (11,7 ==> 13,6 m.) et utilise une version plus puissante du RL-10 (RL-10CX). Alors que la version actuelle de ce moteur-fusée est réalisée complètement manuellement (la paroi est réalisée en soudant les uns aux autres des tubes ce qui nécessite de nombreuses heures de main d'oeuvre), le processus de fabrication sera automatisé)[8],[5].

L'étage ACES remplaçant futur de l'étage Centaur ?[modifier | modifier le code]

A une échéance non fixée l'étage Centaur doit être remplacé par un nouvel étage baptisé ACES (en) doit remplacer l'étage Centaur à terme. Celui-ci utilisera les mêmes ergols cryogéniques que l'étage Centaur (oxygène et hydrogène liquide) et aura comme celui-ci recours à des réservoirs-ballons (réservoirs aux parois minces qui ne conservent leur intégrité qu'en étant maintenu en permanence sous pression). Trois moteurs-fusées sont envisagés pour sa propulsion : une version évoluée du RL-10 d'Aerojet Rocketdyne qui propulse l'étage Centaur, le BE-3U proposé par Blue Origin ou un moteur XR-5K18 de XCOR Aerospace. L'atout d'ACES est son système de récupération de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux qui est généré en vol par le réchauffement progressif des réservoirs et qui normalement est largué. Ces gaz seront récupérés et utilisés à la fois pour pressuriser les réservoirs, produire de l'électricité et alimenter le système de contrôle d'attitude. Ce système baptisé Integrated Vehicle Fluids System doit permettre de prolonger à plusieurs semaines la durée de fonctionnement de l'étage supérieur contre actuellement quelques heures. Un tel système permet par exemple de placer en orbite un étage destiné à être utilisé par un vaisseau spatial lancé dans un deuxième temps dans le cadre d'une mission interplanétaire.

Propulseurs d'appoint[modifier | modifier le code]

Le lanceur Vulcan dispose selon les versions de 2 à 6 propulseurs d'appoint GEM-63XL à propergol solide plus puissants que ceux utilisés par le lanceur Atlas. Ceux-ci sont longs de 21,9 mètres pour un diamètre de 1,6 mètres. L'enveloppe est réalisée en graphite-epoxy. Ils sont allumés au décollage et sont éjectés environ 90 secondes plus tard[5].

Coiffe[modifier | modifier le code]

Le lanceur dispose de deux modèles de coiffe pour protéger la charge utile d'un diamètre de 5,4 mètres qui se différencient par leur longueur (15,5 m et 21,3 m.). La coiffe est composée de deux demi coques constitué d'une sandwich composite comprenant une structure en nid d'abeilles d'aluminium avec des panneaux en graphite epoxy[5].

Comparaison avec les lanceurs existants ou en cours de développement[modifier | modifier le code]

Comparaison des caractéristiques et performances des lanceurs lourds développés durant la décennie 2010[9],[10],[11],[12],[13],[14],[15],[16],[17].
Charge utile
Lanceur Premier vol Masse Hauteur Poussée Orbite basse Orbite GTO Autre caractéristique
Drapeau des États-Unis Vulcan (441) 2021 566 t 57,2 m 10 500 kN 27,5 t 15 t
Drapeau des États-Unis New Glenn 2021 82,3 m 17 500 kN 45 t 13 t Premier étage réutilisable
Drapeau des États-Unis Falcon Heavy (sans récupération) 2018 1 421 t 70 m 22 819 kN 64 t 27 t Premier étage réutilisable
Drapeau des États-Unis Space Launch System (Bloc I) 2020 2 660 t 98 m 39 840 kN 70 t
Drapeau de l’Union européenne Ariane 6 (64) 2020 860 t 63 m 10 775 kN 21,6 t 11,5 t
Drapeau du Japon H3 (24L) 2020 609 t 63 m 9 683 kN 6,5 t
Drapeau des États-Unis OmegA (Heavy) 2021 60 m 10,1 t
Drapeau des États-Unis Falcon 9 (bloc 5 sans récupération) 2018 549 t 70 m 7 607 kN 22,8 t 8,3 t Premier étage réutilisable
Drapeau de la République populaire de Chine Longue Marche 5 2016 867 t 57 m 10 460 kN 23 t 13 t

Récupération des moteurs du premier étage[modifier | modifier le code]

Pour abaisser les coûts, ULA envisage de récupérer les moteurs-fusées du premier étage et, après les avoir remis en état, de les réutiliser. La technique utilisée est baptisée SMART, (Sensible, Modular, Autonomous Return Technology) : Après séparation du premier étage, le compartiment moteur se détache et rentre dans l'atmosphère protégé par un bouclier thermique gonflable. Des parachutes sont déployés pour ralentir cet ensemble qui est récupéré en vol par un hélicoptère. Le coût du lanceur résultant serait de 100 millions US$ soit 65% inférieur au coût des lanceurs actuels d'ULA ayant une capacité identique[6].

Développement[modifier | modifier le code]

Le jour du lancement de son nouveau lanceur Vulcan le ULA annonce le planning suivant [2] :

  • Un appel d'offres en 2015 auprès des deux spécialistes Aerojet Rocketdyne et Orbital ATK pour développer de nouveaux propulseurs d'appoint à propergol solide plus puissants que ceux utilisés par les lanceurs actuels.
  • Le déploiement d'un nouveau lanceur en quatre phases. Dans sa première version, dont le premier vol devrait intervenir en 2019, seul le premier étage est nouveau. Le second étage ACES sera ensuite proposé et la récupération des moteurs se fera à partir de la troisième version. Enfin la dernière version permettra de réaliser le ravitaillement en orbite d'engins spatiaux.

Courant 2019 le premier vol du lanceur Vulcan est programmé en Z021. La charge utile de ce vol inaugural n'était pas définie mi-2019. Le deuxième vol doit emporter le cargo spatial Dream Chaser qui effectuera sa première mission de ravitaillement de la Station spatiale internationale à cette occasion. Cinq autres missions de cette petite navette spatiale doivent être réalisées grâce à la fusée Vulcan[18].

Installations de lancement[modifier | modifier le code]

Le lanceur Vulcan pourra décoller depuis le complexe de lancement 41 de Cape Canaveral (Floride) ou depuis le complexe 3 de Vandenberg (Californie)[5].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Jonathan Amos, « ULA unveils Vulcan rocket concept », BBC,
  2. a et b (en) Amy Butler et Frank Morring Jr, « ULA’s Vulcan Rocket Embraces Reusability, New Upper Stage », Aviation Week,
  3. (en) William Harwood, « Bezos rocket engine selected for new Vulcan rocket », sur https://spaceflightnow.com/,
  4. « ULA Rocket Rundown », sur ULA (consulté le 15 aout 2019)
  5. a b c d e et f « Vulcan Centaur », sur ula (consulté le 15 aout 2019)
  6. a et b (en) Jason Davis, « United Launch Alliance Pulls Back Curtain on New Rocket », The Planetary Society,
  7. (en) Norbert Brügge, « New Glenn », sur Rockets (consulté le 9 mai 2019)
  8. (en) Eric Berger, « Getting Vulcan up to speed: Part one of our interview with Tory Bruno », sur Arstechnica,
  9. (en) Patric Blau, « Long March 5 Launch Vehicle », sur Spaceflight101.com (consulté le 3 novembre 2016).
  10. (en) Norbert Brügge, « SLS », sur Spacerockets (consulté le 11 mai 2019)
  11. (en) Norbert Brügge, « NGLS Vulcan », sur Spacerockets (consulté le 11 mai 2019)
  12. (en) Norbert Brügge, « Falcon-9 Heavy », sur Spacerockets (consulté le 11 mai 2019)
  13. (en) Norbert Brügge, « H-3 NGLV », sur Spacerockets (consulté le 11 mai 2019)
  14. (en) Norbert Brügge, « Ariane NGL », sur Spacerockets (consulté le 11 mai 2019)
  15. (en) Norbert Brügge, « B.O. New Glenn », sur Spacerockets (consulté le 11 mai 2019)
  16. Stefan Barensky, « Bezos et Musk : Course au gigantisme », Aerospatium,
  17. (en) Ed Kyle, « Orbital ATK Next Generation Launch », sur Space Launch Report,
  18. Stephen Clark, « Sierra Nevada selects ULA’s Vulcan rocket to launch Dream Chaser missions », sur spaceflightnow,

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]