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RÉSUMÉ
La rentrée atmosphérique contrôlée est un passage obligé pour les vols habités ou la réutilisation de véhicules spatiaux. L’objectif est de contrôler la descente grâce au freinage aérodynamique pour se poser au site d’atterrissage. L’énergie cinétique initiale se dissipe par frottement générant des échauffements très importants. Les charges thermiques et mécaniques le long de la trajectoire dépendent de la stratégie de descente et doivent rester compatibles avec le dimensionnement du véhicule. L’article présente les équations du mouvement en Terre tournante, l’optimisation de la manœuvre de désorbitation ainsi que les solutions analytiques permettant d’estimer les principaux effets durant la rentrée.
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Max CERF : Ingénieur en analyse de mission ArianeGroup, Les Mureaux, France
INTRODUCTION
Certaines missions spatiales comportent une phase de rentrée atmosphérique. C’est en particulier le cas pour les vols habités (retour d’astronautes de la station spatiale), pour les sondes d’exploration se posant à la surface d’astres ayant une atmosphère (Mars, Titan) ou pour la récupération d’étages de lanceur réutilisables. Selon le cas la trajectoire peut s’achever en mer ou sur sol, verticalement ou horizontalement.
La rentrée est contrôlée afin de dissiper l’énergie cinétique initiale, de l’ordre de 25 à 30 MJ/kg en orbite, pour se poser au sol à une vitesse quasi nulle. L’utilisation de moyens propulsifs conduirait à des masses d’ergols excessives, incompatibles avec la taille d’un véhicule spatial en orbite. La solution la plus économique consiste à utiliser le freinage aérodynamique et à dissiper l’énergie sous forme de chaleur absorbée par la protection thermique. Les capacités aérodynamiques du véhicule permettent de contrôler la vitesse de descente de manière à réguler les échauffements et les efforts. La trajectoire suivie doit être compatible avec le dimensionnement thermique et mécanique du véhicule et doit arriver au site d’atterrissage avec une vitesse résiduelle faible. Ces contraintes sont étroitement liées aux conditions en début de rentrée qui doivent être visées de manière précise.
Cet article présente les équations dynamiques de la rentrée en repère terrestre tournant. La détermination de la manœuvre et de l’arc orbital précédant la rentrée ainsi que les solutions analytiques simplifiées permettent d’évaluer les performances du véhicule et les charges thermiques et mécaniques subies durant la rentrée.
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1. Contexte
L’objectif d’une rentrée atmosphérique est de ramener sur Terre un véhicule spatial. Il peut s’agir du retour d’un équipage de la station spatiale (figure 1), de la récupération d’une sonde d’exploration interplanétaire ou de la réutilisation d’un étage de lanceur.
La trajectoire de rentrée dépend de l’aérodynamique du véhicule et des conditions d’entrée dans l’atmosphère. La finesse est définie comme le rapport entre la portance et la trainée aérodynamique (figure 2). Elle détermine la capacité à planer et à contrôler la descente. Une finesse nulle correspond à un objet balistique sans capacité de manœuvre. La finesse des meilleurs planeurs en vol à voile dépasse 70. Celle d'un Airbus A380 est de l'ordre de 20.
Pour une masse donnée, la vitesse à l’entrée dans l’atmosphère détermine l’énergie cinétique à dissiper sous forme de chaleur. Sa valeur est de l’ordre de 5 km/s pour une trajectoire suborbitale, 8 km/s pour un retour d’orbite basse et jusqu’à 12 km/s pour un retour de mission interplanétaire. La pente à la rentrée doit être assez forte pour assurer la capture par l’atmosphère tout en limitant les échauffements et les charges mécaniques. La position du point d’entrée est choisie en fonction de la localisation du site de retour et des distances réalisables par le véhicule en vol plané.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CNES - Mécanique spatiale. - Cépadues CNES (1995).
-
(2) - BETTS (J.T.) - Practical methods for optimal control and estimation using nonlinear programming. - SIAM (2010).
-
(3) - REGAN (F.J.), ANANDAKRISHNAN (S.M.) - Dynamics of atmospheric re-entry. - AIAA (1993).
-
(4) - VINH (N.X.), BUSEMANN (A.), CULP (R.D.) - Hypersonic and planetary entry flight mechanics. - The University of Michigan Press (1980).
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