Récemment, une conférence organisée par l'Académie française de l'aérospatiale s'est tenue à Paris. L'un des intervenants était Jean-Marc Astorg, directeur du CNES (Centre National de Recherche Spatiale). Il a passé toute sa carrière à la direction, travaillant sur Vega, Ariane 5 ECA, Soyouz en Guyane française et en 2015 il a été nommé directeur du travail chez Boosters. Il a révélé de nombreux détails techniques, partagé des plans pour l'avenir et parlé de la réaction de l'Europe face aux lanceurs américains réutilisables. Cet article est une interview traduite, complétée par des diapositives qu'il a montrées lors de sa présentation.
«Lorsque j'ai commencé à travailler au CNES en 1985, juste après avoir obtenu mon diplôme d'ingénieur, la réutilisabilité avait une image extrêmement négative. Principalement en raison de la navette spatiale américaine, qui n'a pas été en mesure d'atteindre ses objectifs initiaux. Initialement, le coût prévu était de 30 millions de dollars par lancement et avec une fréquence d'un lancement par semaine, il a finalement coûté environ 1 milliard de dollars par lancement avec 6 démarrages par an. De cette façon
, nous avons construit une fusée Ariane basée sur la mauvaise expérience de la navette. Aujourd'hui, Ariane 6 est la première réponse européenne aux missiles réutilisables américains ressuscités.
Avant d'entrer dans les détails, je vous rappellerai rapidement les réalités économiques. Entre 2017 et 2018, le budget de la NASA a augmenté, et cette augmentation s'est élevée à l'ensemble du budget annuel du CNES. Quant au marché mondial du lancement, il représente de nombreux lancements de satellites par an, mais seulement environ 25 d'entre eux sont ouverts à la concurrence commerciale mondiale. La plupart des lancements commerciaux concernent des satellites de communications géostationnaires, mais nous ne savons pas si le marché restera le même.
Un peu d'histoire sur le développement des lanceurs européens: Ariane 1 a été un succès commercial inattendu grâce à l'échec de la navette. Il a été mis en service exactement au bon moment. Grâce à l'évolution d'Ariane 4, nous avons atteint le plafond des possibilités pour le concept Ariane 1, nous avons donc développé l'Ariane 5. Depuis 20 ans, il est le premier lanceur commercial au monde. L'un de nos avantages était l'emplacement de notre rampe de lancement de Kourou, en Guyane française.
Nous avons obtenu une part de marché décente, compte tenu du financement relativement faible en Europe. Actuellement, il existe une volonté politique aux États-Unis de revenir sur le marché commercial et de restaurer le terrain perdu. Il y a un développement du pH dans le monde, des acteurs étatiques et commerciaux, en raison de l'augmentation attendue du marché. Pour le pH, il est important d'être le moins cher possible. Actuellement, les prix sont de l'ordre de 10 000 euros par kilogramme lors du lancement en orbite géostationnaire (GTO). Veuillez noter que la plupart des pH en développement sont jetables, donc Ariane 6 ne fait pas exception à cet égard.
Pour donner un bref aperçu des efforts mondiaux dans le développement de nouvelles capacités de lancement, il suffit de rappeler que les Chinois ont un programme spatial avec des progrès incroyables sur tous les fronts - ce sont de nouveaux lanceurs et vaisseaux spatiaux. Cela nous fait jaunir d'envie. Ils ont annoncé qu'ils développaient également un lanceur réutilisable: Long 8 mars, qui sera lancé d'ici 2028.
Aux USA, il ne faut pas s'opposer aux efforts spatiaux publics et privés: SpaceX est en grande partie la création de la NASA, grâce à une assistance technique et financière.
En Europe, la principale raison de l'existence du programme spatial et de la possibilité de lancements est l'accès indépendant à l'espace. Nous l'avons réalisé le même jour lorsque nous avons voulu lancer notre premier satellite de communication, Symphonie, sur un lanceur américain. Ils ont accepté de lancer, mais seulement à condition que le satellite ne soit pas utilisé à des fins commerciales. Cela montre que nous devons avoir confiance en nous et en nos capacités. Cependant, en Europe, il n'y a pas besoin de plus de 4 à 5 lancements par an. Par conséquent, il est important pour nous d'avoir une part du marché commercial afin de maintenir notre industrie aérospatiale viable.
Nous nous attendions à une reprise de la concurrence aux États-Unis. L'Ariane 6 a été initialement proposée en 2009 lorsque nous avons réalisé que le Falcon 9 SpaceX s'est avéré être un bon pH avec de hautes performances à faible coût. Par conséquent, l'objectif principal d'Ariane 6 était de réduire les coûts. Cependant, la décision de financer le programme n'a été prise qu'en 2014, ce qui est très tard. La lenteur des décisions en Europe est un problème grave.
Ariane 6 est une fusée à usage unique qui est très similaire à Ariane 5, mais nous réduisons son coût de 50% grâce à trois choses: une fréquence de lancement accrue, car elle remplacera l '«Union» lancée depuis la Guyane française, l'innovation (par exemple, au lieu de deux 3- x blocs accélérateurs à combustibles solides métalliques, nous utiliserons 4 accélérateurs monoblocs à combustibles solides) et un processus de production amélioré avec l'introduction du lean management (lean management). L'objectif est le coût de 10000 euros par kilogramme sur le TRP en 2020. Il y a peu de défis technologiques, mais de nombreux défis organisationnels.
La réutilisation est une idée assez ancienne et évidente: il faut 3 ans pour fabriquer un lanceur (en raison de la longue fabrication du moteur), cela coûte plus de 100 millions d'euros, nous le lançons, et en moins de 30 minutes il s'enfonce déjà dans la mer. Cependant, il existe différentes manières de mettre en œuvre une utilisation réutilisable: Falcon 9 est fondamentalement différent de la navette spatiale à cet égard. Seule la première étape est enregistrée, la plus simple à réutiliser. Il est séparé à une vitesse de seulement 2 kilomètres par seconde, et son coût est de 50% du coût de la fusée entière. C'est une grande différence par rapport à Shuttle. Le Falcon 9 a des objectifs techniques raisonnables qu'il peut atteindre pas à pas. La navette avait trop d'ambitions dans les années 1970.
Il existe plusieurs stratégies de réutilisation. Puisque l'objectif est de minimiser l'impact négatif sur la marche, le parachutisme dans l'océan n'est pas une option: l'eau salée rend la réparation difficile. Par exemple, pour le Falcon 9 SpaceX, ils utilisent un moteur pour revenir en avant le long d'une boucle avec plusieurs impulsions de freinage. Nous y avons travaillé avec le laboratoire national aérospatial en France, et nous avons réalisé que c'était assez compliqué.
L'aspect clé est que cette approche vous permet d'expérimenter l'atterrissage: après la séparation de la deuxième étape, la première étape peut essayer de changer la trajectoire et la vitesse de déplacement sans affecter le déroulement de la mission principale et sans grands changements dans la conception de la première étape. Dans les solutions qui utilisent le retour ailé, au contraire, les ailes non réinitialisables doivent être réglées sur la scène pendant tout le vol de la première étape, ce qui peut interférer avec la mission. Ainsi, la méthode SpaceX fonctionne, ce qui vous permet d'expérimenter avec des lancements ponctuels, tout en ajoutant un minimum de composants de fusée. C'est donc l'option la moins chère et la plus intéressante.
Réutilisable a des avantages et des inconvénients. Les inconvénients sont une diminution de la charge utile, jusqu'à -50% lors de l'utilisation d'une partie du carburant pour revenir à la rampe de lancement, un danger accru lorsque la marche revient vers la rampe de lancement en Guyane - qui est située près de la ville de Kourou et le problème d'accessibilité de la plateforme d'atterrissage dans l'océan. Pour atterrir sur une barge, les conditions météorologiques doivent être adaptées dans un rayon de 400 km et par mauvais temps le décollage peut ne pas avoir lieu.
Les avantages sont la possibilité d'avoir une fréquence plus élevée de lancements et d'avoir plus de flexibilité lors de la planification de lancements payants, car nous n'avons pas besoin d'attendre longtemps pour lancer. De plus, la réutilisation permet d'économiser de l'argent si les coûts de réparation sont faibles. Il s'agit d'un facteur clé pour toute la formule de réutilisation. Par exemple, avant l'introduction du Falcon 9 Block V dans le moteur Merlin, il y avait des cas de fissuration dans la turbopompe, ce qui signifiait qu'il devait être remplacé et le lancement devrait être limité sans réparations majeures à deux utilisations.
Le problème de l'utilisation réutilisable est que si vous n'avez plus besoin de créer les premières étapes, vous fermez vos lignes de production. Cependant, si à un moment donné vous avez besoin de construire une scène, vous devez les rouvrir et configurer la production, ce qui nécessitera une énorme somme d'argent. Par conséquent, il est important d'utiliser le même moteur pour les premier et deuxième étages afin que la production ne s'arrête pas.
Quelle pourrait être la stratégie européenne réutilisable? Premièrement, nous ne ferons pas que des lancements réutilisables. Les missions sur orbites géostationnaires et les missions vers d'autres corps spatiaux seraient jetables. Pour une mission en orbite terrestre, nous utiliserons le chemin de retour vers le site de lancement. Cela nous permettrait de relancer les premières étapes et de maintenir les volumes de production, tout en réduisant les coûts de 30%. Une telle réutilisation partielle et raisonnable est possible. Cependant, cela nécessite beaucoup de développement, car nous devons maîtriser de nombreux phénomènes physiques complexes. Néanmoins, c'est intéressant, même dans les réalités d'aujourd'hui. Si le marché se développe, cela devient même nécessaire.
L'une des technologies à développer est la modulation de traction du moteur. Cela peut entraîner des problèmes d'instabilité de combustion, et nous ne l'avons pas étudié en détail, car ce n'était pas nécessaire. Par conséquent, à court terme, Ariane 6 est la seule solution pour réduire les coûts et les coûts de démarrage. À long terme, la réutilisabilité et d'autres technologies, telles que l'impression 3D, les réduiront davantage. L'impression 3D peut révolutionner la production de chambres de combustion, ce qui prend actuellement très longtemps.
Nous visons à introduire une approche expérimentale par phases. Nous devons vérifier comment cela fonctionne. En ce qui concerne les moteurs, nous utilisons actuellement Vulcain, qui est un moteur à hydrogène basé sur une ancienne conception. Nous développons le moteur méthane-oxygène Prometheus, qui vise à réduire les coûts. Cela ne signifie pas que nous abandonnerons la base industrielle de l'hydrogène, nous verrons. L'avantage du méthane est qu'il est situé au milieu entre l'hydrogène et le kérosène. Il est beaucoup plus facile à manipuler que l'hydrogène, ayant une meilleure impulsion spécifique que le kérosène, de sorte que le moteur peut être moins cher, un ordre de grandeur moins cher. Le méthane est également plus dense que l'hydrogène, ce qui rend les réservoirs plus petits et moins chers. Nous construisons deux prototypes Prometheus pour des tests de résistance au feu d'ici 2021.
Prometheus peut être utilisé dans la nouvelle architecture, que nous appelons Ariane Next. Ce booster aura 7 moteurs au premier étage et 1 au deuxième étage et pourra être utilisé en
Option jetable ou réutilisable, ce qui facilite l'expérimentation de la réutilisabilité. L'objectif est d'apprendre des tests qui ne sont pas un point fort de l'industrie aérospatiale européenne.
Avant d'implémenter Ariane Next, nous avons des étapes précédentes, dont Callisto. Pour ce démonstrateur réutilisable de première étape, nous n'avons pas de moteur réutilisable en Europe, nous travaillons donc avec les Japonais. Ensuite, nous passerons à une plus grande échelle - le prototype de la première étape de la nouvelle génération de Themis avec des moteurs Prometheus. Le concept est encore en phase de définition.
A terme, il faudra faire un choix entre l'évolution de l'Ariane 6 et du nouveau lanceur, qui sera prêt en 2028-2030.
Q & A
Question : Où souhaitez-vous réparer la première étape?
Réponse : à Kourou, car sinon la livraison en Europe rend l'entreprise trop chère. Et la réparation doit être minimale pour que le concept fonctionne.
Question : Callisto est très similaire au démonstrateur d'atterrissage vertical Grasshopper, dont la technologie a ensuite été utilisée pour poser la première étape du Falcon 9.
Réponse : Callisto - a le même design que le Grasshopper de SpaceX. Les Chinois construisent également un prototype similaire, nous n'avons aucun problème à dire que nous n'avons rien inventé de nouveau.
Question : Prométhée a l'air bon marché en production, pourquoi ne pas mettre plus de moteurs sur le lanceur pour augmenter encore le rapport poussée / poids?
Réponse : Notre conception est basée sur une analyse de marché. Bien que je ne puisse pas prédire quelle sera la situation en 2030, 7 moteurs Prometheus sont optimaux pour le marché actuel.
Question : Envisagez-vous d'aller sur Mars?
Réponse : Nous partons déjà pour Mars - l'instrument à bord de NASA Insights Mars est un sismomètre produit par le SEIS français.
Question : Il semble que nous ayons 5-8 ans de retard sur les États-Unis, allons-nous rattraper notre retard?
Réponse : Bien qu'Elon Musk ait écrit un nouveau chapitre dans l'histoire de la création de lanceurs, son modèle d'utilisation entièrement réutilisable n'est pas le seul. Je m'attends à ce que le marché du lancement soit à moitié réutilisable et à moitié jetable à l'avenir. Par exemple, l'US Air Force finance actuellement le développement de lanceurs jetables.
Question : qu'en est-il de l'impression 3D?
Réponse : J'ai visité
Relativity Space en avril, et grâce à l'impression 3D, ils ont développé un moteur au méthane de 10 tonnes en 2 ans et l'ont testé à la NASA Stennis. Ils veulent imprimer la fusée entière. Bien que je ne pense pas qu'ils y parviendront, je pense que cela peut être une percée aussi importante que plusieurs lancements. Sur Ariane 6, par exemple, l'unité de puissance auxiliaire du deuxième étage sera imprimée en 3D, sinon elle sera trop difficile à créer. Par conséquent, je m'attends à une réduction très importante des coûts grâce à l'impression 3D.
Question : Quelles sont les restrictions météorologiques pour les péniches de débarquement?
Réponse : Les hautes vagues provoquent une forte inclinaison de la barge et peuvent retourner l'étape définie. C'est pourquoi SpaceX a développé le système de capture de fusée Octograbber. Blue Origin a un concept différent, ils utiliseront un navire avec un système de stabilisation hydrodynamique.
Question : Selon vous, quel sera l'impact sur le marché des méga constellations de satellites comme Oneweb?
Réponse : je n'ai pas de boule de cristal. Mais je vois que, puisque tous les opérateurs de satellites ont pris une position d'attente et regardent l'introduction de ces groupes, ils ont suspendu certaines commandes de nouveaux satellites et le marché commercial a décliné. Maintenant, c'est 17 satellites par an, alors qu'auparavant, ils étaient en moyenne de 30 environ. Ils devront rivaliser avec les satellites de l'orbite géostationnaire et des réseaux terrestres, il est donc possible qu'ils échouent, comme dans les années 90. Bien sûr, le marché ne croîtra pas 10 fois.
Question : Que pensez-vous de l'élasticité de la demande du marché?
Réponse : Jusqu'à présent, l'élasticité a été faible. Le coût de lancement d'une GTO est passé de 20 000 € / kg à 10 000 € / kg, ce qui n'a pas eu un grand impact sur la demande. Si nous atteignons 5 000 € / kg, je ne suis pas sûr que cela aura un grand impact. Le problème est que le coût d'accès à l'espace reste élevé. Par conséquent, nous ne basons pas nos modèles sur l'élasticité du marché.
Question : Comment garantissez-vous le retour de la première étape sans danger pour la population?
Réponse : C'est difficile à dire. Nous utiliserons Callisto pour montrer que nous pouvons fournir des trajectoires sûres.
Question : que diriez-vous de réutiliser la deuxième étape?
Réponse : Nous pensons que l'effet sur la masse de la charge de sortie est prohibitif, nous n'y travaillons donc pas très dur.
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