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Interview

« Il nous paraît très probable que la réutilisation des lanceurs devienne la norme »

Posté le par Pierre Thouverez dans Espace

Christophe Bonhomme, expert senior Propulsion spatiale au CNES, a répondu aux questions de Techniques de l'Ingénieur.

Depuis 2015, ArianeGroup et le CNES collaborent au développement d’un moteur-fusée à faible coût et réutilisable : Prometheus.

Objectif, rester concurrentiel sur le marché des lancements de satellites. Elon Musk, en réussissant le pari de produire des lanceurs réutilisables, a  bousculé certaines certitudes. De nouveaux acteurs du spatial, privés ou étatiques, développent chacun de leur côté des solutions de lancements financièrement intéressantes.

Prometheus est la réponse française et européenne à ce contexte en pleine évolution.

Techniques de l’Ingénieur : Quel contexte a abouti à la genèse du programme européen Prometheus, visant à développer un moteur-fusée à ergols liquides réutilisable ?

Christophe Bonhomme : Le contexte, aujourd’hui, est forcément international. Les services de lancements spatiaux se sont développés un peu partout principalement au niveau des grandes puissances, pour les besoins propres des pays, ce qu’on appelle les charges utiles institutionnelles – militaire, recherche … -, mais également sur le secteur commercial.

Christophe Bonhomme est expert senior Propulsion spatiale au CNES.

Arianespace a longtemps été leader sur le marché commercial des lancements de satellites, notamment devant les Etats-Unis, qui avaient misé sur leur navette spatiale. Celle-ci s’est avérée être un gouffre financier et n’était pas du tout concurrentielle pour ce type de missions.
Malgré tout, la concurrence s’est développée, notamment avec les Russes, qui avaient des moyens de lancements intéressants financièrement, avec quelques problèmes de fiabilité tout de même. Les Japonais, les Indiens et les Chinois également – qui ont longtemps développé des moyens de lancement uniquement pour répondre à leurs besoins internes, mais qui se projettent aujourd’hui sur le marché mondial – imposent à l’Europe une concurrence de plus en plus intense.

Comment a été prise la décision de s’orienter vers des modèles réutilisables ?

Elon Musk, qui a d’abord été considéré comme un OVNI dans le milieu du spatial, a changé la vision que nous avions sur certaines technologies de lancements. Auparavant, le développement de lanceurs réutilisables était considéré chez nous comme une fausse bonne idée vis-à-vis du bilan financier. Cela ne valait pas la peine de ramener nos lanceurs, économiquement parlant. Elon Musk, avec SpaceX, a réussi à prouver qu’avec des concepts technologiques bien particuliers, et plutôt rustiques d’ailleurs, il était possible de développer des lanceurs réutilisables. Et que cela était économiquement compétitif.
La particularité de SpaceX vient du fait qu’il s’agit d’une entreprise privée, sans contrainte de retour financier entre plusieurs Etats (comme c’est le cas en Europe). C’est la grande différence par rapport aux projets européens, qui sont réalisés par des consortiums, où il faut dans chaque temps du développement des projets mettre tous les partenaires d’accord… Cela peut s’avérer long et difficile. SpaceX, en tant qu’entreprise privée, n’a pas ces contraintes, et a réussi, en validant son concept de lanceurs réutilisables, à casser les prix du marché.
Tous ces paramètres ont participé à faire baisser drastiquement le coût d’accès à l’espace. Dans ce contexte, la compétitivité d’Ariane 5 n’est plus ce qu’elle était, et il est aujourd’hui bien difficile pour notre lanceur européen de s’adjuger des parts de marché à l’international.

Comment le secteur spatial européen peut-il s’adapter à ce nouveau contexte ?

Notre logique consiste à répondre en 2 temps : une réponse « coup de poing », avec Ariane 6 et ses technologies maîtrisées, pour redevenir compétitif à court/moyen terme, puis, un peu plus tard, pour nous laisser le temps de développer la technologie, un lanceur réutilisable.
Ariane 6 reste basée sur des concepts assez proches de ceux d’Ariane 5, avec quelques évolutions : au niveau des boosters à propergols solides par exemple qui remplacent leurs corps en acier par des corps en composite carbone ou au niveau de l’étage supérieur qui devient versatile, c’est-à-dire qu’il sera en mesure de remplir plusieurs missions différentes avec sa capacité de rallumage.

Mis à part cela, le concept de la fusée copie celui d’Ariane 5, avec un étage principal cryotechnique (à oxygène et hydrogène liquides) intégrant un moteur Vulcain 2 optimisé et un étage supérieur également cryotechnique avec le moteur Vinci. Les efforts se sont concentrés sur l’organisation et les coûts d’industrialisation (intégration lanceur à l’horizontal, par exemple), afin de les faire baisser le plus possible. Sur ce dernier point, la création d’ArianeGroup a permis de faire des économies d’échelle.
Après Ariane 6, il nous paraît très probable que la réutilisation des lanceurs devienne la norme. D’où l’émergence d’un projet de nouveau moteur à ergols liquides, Prometheus, qui pourrait équiper des lanceurs réutilisables. 

Pour le développement des moteurs Prometheus, le couple oxygène liquide/méthane liquide va remplacer le traditionnel couple oxygène liquide/hydrogène liquide. Pourquoi ? 

Nos analyses de comparaisons d’ergols (le carburant et le comburant) nous montrent qu’un couple oxygène liquide/méthane liquide s’avère avantageux pour réduire les coûts du système global, et pour la réutilisation.
En effet, pour un incrément de vitesse donné par le lanceur à la charge utile, le volume que va représenter la quantité d’oxygène et de méthane sera inférieur au volume d’oxygène et d’hydrogène liquides. Cela permet donc de réduire la taille de cet étage de la fusée, et in fine facilite la problématique de la récupération.
En termes de coût, le fait d’avoir une molécule de méthane (CH4), plus grosse que la molécule d’hydrogène (H2), permet d’éviter certains problèmes de fuites. C’est un argument supplémentaire en faveur du couple oxygène/méthane.
De plus, ces ergols sont stockés sous forme liquide pour prendre moins de place : à 90 kelvin (K) pour de l’oxygène, 110 K pour du méthane, et 21 K  pour l’hydrogène. Il y a donc moins d’écart de température entre le carburant et le comburant que nous développons et il y a besoin de descendre moins bas en température, autant d’aspects privilégiant la simplicité et les coûts.
Enfin, au niveau du moteur, pour une pression de la chambre de combustion donnée, l’hydrogène nécessite une puissance de la pompe presque 2 fois supérieure à celle pour le méthane, du fait de sa densité beaucoup plus faible. Ce besoin supplémentaire de puissance se traduit directement par des contraintes plus élevées sur la structure et les matériaux, notamment au niveau de la turbopompe. Ce choix, oxygène/méthane, pour le couple carburant/comburant fait donc sens, dans l’optique d’une réutilisation. Nous ne sommes d’ailleurs pas les seuls à aboutir à cette conclusion-là. SpaceX travaille sur son moteur Raptor avec le même couple d’ergols, et le moteur BE4 de Blue Origin est également développé sur ce modèle-là. 

Quelle est la finalité du programme Prometheus ?

Notre ambition est de faire une démonstration par rapport à la réutilisation et à la réduction des coûts de production. C’est la raison d’être de Prometheus.
Nous avons commencé une première phase, franco-française pour maturer le projet et montrer à nos partenaires européens l’intérêt d’un tel développement. Nous avons donc travaillé, entre le CNES et Ariane Group, pendant quelques années à développer l’avant-projet, établir un concept et monter un dossier pour emmener avec nous nos partenaires européens. Ce qui a fonctionné, puisque aujourd’hui Prometheus est un projet développé sous l’égide de l’ESA (l’Agence spatiale européenne) et regroupe la France, l’Allemagne, l’Italie, la Suède, la Belgique et la Suisse.

En plus de la réutilisation, quels sont les spécificités du moteur Prometheus ?

Le moteur Prometheus est en quelque sorte un couteau suisse : un coût de production très bas, 10 fois plus faible que pour celui d’un moteur Vulcain 2 pour une poussée comparable, et la possibilité d’être réutilisé plusieurs fois. De plus, la configuration de réutilisation que nous envisageons, très similaire à la technique du « toss back » (décollage et retour sur terre du lanceur à la verticale et en utilisant la propulsion principale) utilisée par SpaceX, nécessite des moteurs régulés permettant une poussée modulable. En effet, il ne s’agit pas juste de développer un moteur qui va fournir un boost à poussée maximum pendant 10 minutes, comme c’est le cas pour Vulcain 2. Pour faire redescendre l’étage, il faut que le moteur puisse se rallumer pour faire demi-tour, après la première phase de boost ascensionnel et la séparation avec l’étage supérieur, se rallumer un peu plus tard pour un boost de freinage et enfin moduler sa poussée pour accomplir le boost d’atterrissage à la verticale. Chacune de ces manœuvres nécessite une poussée différente. Il n’est pas aisé, sur ces moteurs dont l’utilisation pousse les structures et les matériaux à leurs limites, de trouver le bon équilibre.

Comment l’impression 3D, utilisée pour fabriquer la quasi-totalité des pièces du moteur Prometheus, vous permet-elle de diminuer les coûts de production ?

La fabrication additive métallique est un atout extrêmement important pour le développement de Prometheus, car elle nous permet d’obtenir des pièces très rapidement, et d’optimiser beaucoup de paramètres du point de vue du design. On développe aujourd’hui une seule et unique pièce là où avant on en assemblait plusieurs. On gagne ainsi en termes d’innovation, de temps de développement, de fabrication, de mise au point et de coût. 

Aujourd’hui, quel est l’état d’avancement du projet ?

Nous en sommes au stade de la fabrication du premier moteur à l’échelle 1, qui sera tiré au banc. En parallèle, nous modifions un banc d’essai existant situé en Allemagne, auquel nous ajoutons un réservoir méthane, pour tester la performance, la modulation de poussée, et lui faire subir des cycles de fonctionnement afin de vérifier que tous ces paramètres sont conformes à ce que nous attendons.
En parallèle à ça, le démonstrateur de premier étage, Themis, qui sera propulsé par trois moteurs Prometheus, permettra de valider le principe du toss back, à savoir le décollage et le retour sur terre du lanceur.

Combien de fois ces moteurs pourront-ils équiper des lanceurs avant d’être remplacés ?

Des études technico-économiques sont en cours pour évaluer le nombre optimal de missions pour un lanceur réutilisable. C’est ce qui va guider le dimensionnement des pièces du moteur. Il faut trouver un équilibre entre le nombre de fois que sera utilisé le lanceur et sa cadence de fabrication (qui influe directement sur son coût de fabrication unitaire). Il y a donc eu un gros travail de projection, qui nous permet aujourd’hui d’établir à 6 le nombre de décollages/retours sur terre pour chaque moteur, idéalement. C’est donc vers cet objectif là que nous tendons à l’heure actuelle. 

Après ces 6 missions, qu’advient-il des moteurs ?

Plusieurs scénarios sont envisagés. Dans la configuration prévue pour ce nouveau lanceur, on utilise le même moteur à l’étage supérieur, qui lui ne sera pas réutilisé. On pourrait donc imaginer utiliser un moteur Prometheus ayant effectué ses 6 cycles pour propulser cet étage. A la suite de quoi il serait désintégré lors de son retour dans l’atmosphère.
Il est également possible – et cela est en cours d’étude – de recycler les composants du moteur, qui sont principalement des alliages à base de nickel. On pourrait imaginer les refaire passer à l’état de poudre pour les réutiliser dans les machines de fabrication additive (impression 3D). Il faut valider la faisabilité technique et économique de ce type de solution.

Propos recueillis par Pierre Thouverez

Image d’illustration de l’article : le moteur Prometheus ©CNES

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