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RÉSUMÉ
À partir des principes physiques et thermodynamiques qui fondent l’architecture des lanceurs spatiaux, cet article propose une synthèse relative aux nouvelles architectures qui émergent dans le contexte du New Space. En effet, les industriels réalisent et opèrent des véhicules innovants, dans un nouvel équilibre entre maîtres d’ouvrage et maîtres d’œuvre, dans une nouvelle approche du partenariat public-privé. Le présent article fait le point sur les nouvelles technologies, les matériaux, les procédés et les moyens de propulsion qui prennent leur essor dans ce contexte, en les reliant aux fondements de la fuséologie.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Yves GOURINAT : Institut supérieur de l’aéronautique et de l’espace, Toulouse, France
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Annafederica URBANO : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace, Toulouse, France
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Loris MASSONNAUD : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace, Toulouse, France
INTRODUCTION
L’accès à l’espace est l’élément majeur qui détermine la souveraineté en matière d’exploration et d’industrie spatiale. En effet, si la maîtrise des charges utiles est essentielle pour accomplir la mission, le vecteur n’en n’est pas moins indispensable.
Les développements actuels que l’on regroupe sous le vocable New Space répondent précisément à une évolution historique caractérisée par des convergences technologiques et organisationnelles. Ce type de convergence n’est pas réellement nouveau. On peut citer le programme Apollo qui a vu à la fois l’émergence de technologies de rupture (microélectronique) et d’organisations radicalement nouvelles (structuration matricielle des organisations). Mais l’ampleur du mouvement lié au New Space est sans précédent en matière de rééquilibrage des différents acteurs de la filière spatiale.
Cet article décrit quelques-uns des éléments caractéristiques de ces évolutions actuelles, centrées autour du transport spatial et des hybridations en cours. Il se fonde sur les principes architecturaux, propulsifs et structuraux des lanceurs et propose une analyse des perspectives ouvertes par le New Space.
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3. Nouvelles technologies structurales
3.1 Le retour de l’acier
Dans le domaine du New Space, l'acier fait un retour remarquable en raison de ses caractéristiques intrinsèques qui en font à nouveau un matériau adapté aux applications spatiales à grande échelle. Sa résistance mécanique élevée lui permet de supporter les charges et les contraintes inhérentes aux lancements et aux conditions extrêmes de l'espace. Par exemple, l'acier inoxydable de haute qualité, tel que le type 304L ou 316L, est utilisé dans la fabrication des réservoirs de carburant des fusées, offrant une résistance à la corrosion et une étanchéité essentielle pour le stockage des ergols. L’exemple emblématique est évidemment le Starship de SpaceX. Il faut noter qu’il s’agit en réalité d’un retour aux sources, les premiers étages Saturn et Ariane 1-4 faisaient déjà largement appel aux aciers performants, sans parler des boosters à poudre.
Levons tout de suite un malentendu à propos de l’acier. La comparaison entre matériaux est en réalité complexe, il faut tenir compte de la variété des sollicitations et des couplages et bifurcations, éventuellement non linéaires. Ce qui permet maintenant de préciser les comparaisons.
En ordres de grandeurs si l’on compare aux alliages légers, la densité de l’acier est trois fois plus importante, mais ses principales caractéristiques mécaniques en traction – l’essai générique le plus simple – sont également bien plus favorables. Dans le secteur aérospatial, et pour les structures légères en général, ce sont bien les performances par unité de masse qui importent.
Regardons d’un peu plus près pourquoi – malgré la quasi-équivalence massique de l’acier et de l’aluminium en traction simple – l’aluminium est, jusque-là, plus utilisé que l’acier. À flux de membranes égal, la coque en aluminium sera trois fois plus épaisse mais de même masse, par rapport à la solution acier. Mais quand on considère la compression ou le cisaillement, c’est-à-dire dès que le flambage peut apparaître, alors l’épaisseur joue un rôle majeur, puisque la rigidité quadratique en flexion dépend du cube de l’épaisseur. On comprend donc que, dès qu’apparaît une sollicitation complexe, les matériaux légers et épais prennent l’avantage. C’est d’ailleurs également...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GIL (D.), ALARY (D.), PASCO (X.), PISOT (N.), TEXIER (D.), TOULZA (S.) - From new space to big space : How commercial space dream is becoming a reality…. - Acta Astronautica. Volume 166, p. 431-443. DOI : 10.1016/j.actaastro.2019.08.031 (2020).
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(2) - DURET (F.) - Small and medium launch vehicles to extend the Ariane 5 transportation service. - Acta Astronautica. Volume 40, p. 171-182 doi.org/10.1016/S0094-5765(97)00139-2 (1997).
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(3) - HENSON (G.), JONE (C.S.) - III. Chapter 7 : Materials for Launch Vehicle Structures. - P. 435-504. Chapitre de livre. ISBN : 978-1-62410-488-6, DOI :10.2514/4.104893 (2018).
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(4) - SUTTON (G.P.), BIBLARZ (O.) - Rocket Propulsion Elements. - Ninth edition. John Wiley & Sons. Definitions and fundamentals. p. 26-44. Chemical rocket propellant performance analysis. p. 154-188. Liquid Propellant. p. 244-270. Solid Propellant Rocket Motor fundamentals. p. 434-490. ISBN 9781118753880 (2017).
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(5) - FORTESCUE (P.), SWINERD (G.), STARK (J.) - Spacecraft...
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