Août 21 2015

Vitesse de libération: Cette variable qui coûte cher !

Décollage du lanceur Falcon 9 de la société privée SpaceX lors de la mise en orbite du satellite DSCOVR de la NASA. (Crédit: SpaceX)

Décollage du lanceur Falcon 9 de la société privée SpaceX lors de la mise en orbite du satellite DSCOVR de la NASA.
(Crédit: SpaceX)

Pourquoi est-ce si coûteux d’envoyer un satellite ou un vaisseau habité dans l’espace ? Pourquoi est-on obligé de mettre en oeuvre de tels moyens et une telle débauche de gigantisme pour une capsule de quelques mètres de large ?

La fusée géante Saturn V qui à lancé l’homme vers la Lune lors des missions Apollo mesurait 110m de haut et pesait plus de 3000 tonnes. Elle avait pour mission d’arracher l’ensemble « module de service / module lunaire » d’Apollo de la gravité terrestre pour les emmener vers la Lune.

Combien pesait cet ensemble ? 45 tonnes. On a donc dû utiliser un appareillage de plus de 3000 tonnes pour mettre en orbite une charge presque 100 fois plus légère ! Au total le coût du programme Apollo (qui à lancé dans l’espace 6 vaisseaux habités) revient à plus de 20 milliards de dollars et à coûté 3 vies humaines.

Certes, c’était il y a 40 ans mais qu’en est-il aujourd’hui ? Pourquoi les lancements sont toujours aussi coûteux, fastidieux, et empreint d’incertitudes et de risques ? Et quelles seraient les alternatives pour le futur ? Nous allons tenter d’y répondre ensemble.

Qu’est-ce que la vitesse de libération ?

Cette variable représente la vitesse minimale à atteindre pour échapper à la gravité d’un astre. Nous allons faire un peu de mathématiques mais, rassurez-vous, ce n’est pas indispensable à la compréhension du concept.

Elle se calcule de la façon suivante:

vl=\sqrt{\frac{2GM}{R +d}}

Dans cette formule la vitesse de libération (vl) est exprimée en mètres par seconde, G est la constante gravitationnelle, M est la masse de l’astre en kilogrammes, R est le rayon de l’astre en mètres et d est la distance, en mètres, de l’objet en mouvement par rapport à la surface de l’astre.

Pour la Terre le résultat est le suivant:

vl=11200\:m/s=40320\:km/h

Ce qui veut dire qu’une fusée censée aller dans l’espace doit atteindre au minimum cette vitesse pour ne pas retomber sur Terre. Une fois la fusée dans l’espace, elle doit conserver une vitesse minimale pour maintenir son orbite et ne pas retomber sur Terre. Pour cela, une autre variable existe afin de définir la vitesse minimale d’un satellite ou vaisseau afin qu’il puisse se maintenir sur l’orbite la plus petite possible. Elle s’appelle la vitesse de satellisation minimale (vs) et se calcule de cette manière:

vs=\sqrt{\frac{GM}{R}}

Pour la Terre le résultat est le suivant:

vs=7900\:m/s=28440\:km/h

Illustration des vitesses de libération et satellisation, où vf représente la vitesse de la fusée. (Crédit: C.P. Rigel)

Illustration des vitesses de libération et satellisation, où vf représente la vitesse de la fusée.
(Crédit: C.P. Rigel)

La vitesse de satellisation minimale est toujours inférieure à la vitesse de libération. Et, comme vous avez pu le voir dans ces formules, ces deux variables sont directement liées à la masse (et donc la gravité) de l’astre en question. Plus l’astre sera massif, plus il faudra aller vite pour lui échapper. A titre d’exemple, la vitesse de libération de la Lune, qui est beaucoup moins massive que la Terre, est de 8 568 km/h.

Qu’en est-il aujourd’hui ?

Décollage du lanceur Delta IV à Cap Canaveral en configuration Heavy-3 transportant un satellite militaire du DSP. (Crédits: Buckley Air Force)

Décollage du lanceur Delta IV à Cap Canaveral en configuration Heavy-3 transportant un satellite militaire du DSP.
(Crédits: Buckley Air Force)

Les agences spatiales nationales

A l’heure actuelle il n’y a pas d’alternative aux lanceurs à moteur-fusée cryogénique assisté par les traditionnels boosters à poudre. C’est à dire que l’essentiel de la poussée au décollage est fournie par les boosters (90% pour Ariane), et le reste est assuré par les moteurs-fusée principaux (Vulcain pour Ariane). L’agence spatiale américaine à pourtant bien innové avec sa Delta IV et son moteur RS68 qui fonctionne à l’hydrogène / oxygène (comme le vulcain) mais qui se passe de booster d’appoint au décollage, mais cela reste un défi technologique autant que financier de mettre quelques tonnes en orbite terrestre.

Un lancement du lanceur américain, la fusée Delta IV (cf. photographie), coûte entre 164 et 350 millions de dollars selon sa configuration, et 220 millions de dollars pour un lancement d’Ariane 5.

La vitesse de libération n’est en effet pas facile à atteindre, et plus la masse à lancer sera importante, plus il faudra d’énergie afin de faire atteindre la vitesse fatidique de 40 320 km/h à la fusée. De plus, un grand nombre de composants des lanceurs actuels ne sont pas réutilisables et doivent être entièrement reconstruits ce qui en fait de coûteux consommables.

L’espace à la portée du privé

L’ouverture du marché des lancements aux investisseurs privés ne manquera pas de donner un coup de pied dans la fourmilière des technologies de lancement. Dans un domaine où la rentabilité est vitale et où les emplois et la survie ne dépendent plus exclusivement de décisions politiques et de subventions étatiques, il parait évident que le domaine du lancement spatial connait aujourd’hui une nouvelle ère ; celle des économies et du recyclage.

La société SpaceX en est un bon exemple, avec leur lanceur Falcon 9, ils sont parvenus à décrocher un contrat avec la NASA  et la défense américaine et leur carnet de commande est bien rempli puisqu’il affiche aujourd’hui plus d’une quarantaine de lancements prévus dont 9 concernant le ravitaillement de l’ISS avec leur vaisseau cargo Dragon.

Arrivée de Falcon 9 sur sa plateforme d’atterrissage, pour récupération et reconditionnement. (Crédit: SpaceX)

Arrivée de Falcon 9 sur sa plateforme d’atterrissage, pour récupération et reconditionnement.
(Crédit: SpaceX)

Comme je le disais plus haut, une société privée ne peut pas se permettre de perdre de l’argent. Pour SpaceX, le maître mot était donc « reconditionnement ». Leur lanceur Falcon 9 v1.1 a ainsi été équipé d’un train atterrissage et d’un système de contrôle de trajectoire. Ainsi, lorsque le premier étage est largué, il entame une descente contrôlée vers une plateforme d’atterrissage mobile (une grande barge) se trouvant en mer. Le but étant de le faire atterrir verticalement et en douceur afin de récupérer sans dommages le précieux premier étage (les retours en parachute de la première version ayant été une catastrophe).

Ils sont aujourd’hui très près du but, et il ne fait pas l’ombre d’un doute que l’appontage en douceur du Falcon 9 sera très bientôt une réalité.

Quelles sont les alternatives ?

Elles sont nombreuses, parfois farfelues, parfois utopistes, et souvent décrites dans l’univers de la science-fiction. Seules quelques unes peuvent se démarquer de leurs sœurs par leur faisabilité et leur rentabilité sur le long terme. Le problème restant la technologie à mettre en oeuvre encore inaccessible à ce jour, ou le coût financier associé au risque de sa mise en place et de son test.

L’ascenseur spatial

Vue d'artiste de ce à quoi pourrait ressembler un ascenseur spatial. (Crédit: Mondoart.net)

Vue d’artiste de ce à quoi pourrait ressembler un ascenseur spatial.
(Crédit: Mondoart.net)

L’idée est des plus simple, tendre un « câble » entre la Terre et l’espace et y faire grimper une charge. Mais si l’on peut facilement se représenter un ascenseur traditionnel où l’extrémité du câble est accroché au plafond de l’immeuble, à quoi pourrait-on accrocher le câble d’un ascenseur spatial ?

La réponse pourrait être : Une station orbitale. Oui mais dans ce cas, il faudrait que la station soit en orbite géostationnaire, c’est à dire qu’elle tourne autour de la Terre à la même vitesse que sa surface, là ou serait fixé l’extrémité basse du câble. Pour cela, nous devrons placer cette station à environ 36 000 km de la surface terrestre. La station enverrait alors un câble vers la Terre tout en s’éloignant encore pour atteindre la distance de 72 000 km. La station servirait alors ensuite de contrepoids permettant de garder le câble correctement tendu. D’un côté la gravité, et de l’autre la force centrifuge, l’ensemble étant en équilibre.

Il faudrait ensuite faire circuler des navettes le long de ce câble, et il serait même possible de s’en servir comme force motrice en utilisant l’énergie de chute de la navette « retour » pour faire monter la navette « aller ».

Malheureusement cette solution reste irréalisable aujourd’hui. La quantité de matériaux serait faramineuse, et le câble devrait être d’une incroyable solidité. Les nanotubes de carbone ont été un temps envisagés mais il ne serait pas possible, à l’heure actuelle, de fabriquer un câble assez solide, même avec des nanotubes. Ceux-ci devant supporter la tension titanesque de plus de 60 milliards de newtons par mètre carré. Pour vous représenter l’importance de cette valeur, sachez que les câble du Golden Gate Bridge de San Francisco possèdent une tension d’équilibre de 1,516 milliard de newtons par mètre carré, soit 40 fois plus faible que celle d’un ascenseur spatial.

La propulsion laser

Autre alternative aux propulsion chimiques traditionnelles, la propulsion laser propose de remplacer la combustion du mélange carburant / comburant par la détente d’un plasma chauffé à l’aide d’un laser de très forte puissance. L’idée novatrice réside surtout dans le fait que la source d’énergie nécessaire à la propulsion n’est plus embarquée à bord du vaisseau mais ancrée sur le sol terrestre. L’économie de poids du vaisseau est donc très importante.

Principe de fonctionnement de la propulsion laser par ablation. Cas du Lightcraft. (Crédit: C.P. Rigel)

Principe de fonctionnement de la propulsion laser par ablation. Cas du Lightcraft.
(Crédit: C.P. Rigel)

Test expérimental du principe du Lightcraft

Test expérimental du principe du Lightcraft

Ce type de propulsion exploite l’effet de rayonnement de freinage inverse, c’est à dire que l’énergie du faisceau laser va provoquer une augmentation du nombre d’électrons libres dans la matière de la cible. Ces derniers vont venir heurter les atomes voisins et les ioniser, une quantité de matière ionisée va être éjectée de la cible. C’est ce que l’on appelle l’ablation laser, cette matière ionisée et portée à haute température se trouve à l’état de plasma et va refroidir et se détendre très vite ce qui provoque une onde de choc mécanique. C’est cette dernière qui va fournir la poussée.

Ce principe n’est pas que théorique, un programme expérimental (baptisé Lightcraft) est d’ores et déjà en cours. Le principe ayant été validé, le projet en est actuellement à sa deuxième phase expérimentale: Envoyer un Lightcraft à 30km d’altitude.

Il est très peu probable que ce type de propulsion puisse concerner des charges importantes et des orbites hautes, il pourrait en revanche envoyer de petits satellites en orbite à moindre coût et avec des risques très limités. Il serait même possible d’envisager des corrections d’orbite depuis le sol terrestre en utilisant le même principe.

Le pallier stratosphérique

Si le nom de Richard Branson ne vous dit rien, peut-être que le nom de son entreprise tentaculaire vous parlera un peu plus: Virgin Galactic.

Plan de vol du SpaceShipTwo (Crédit: C.P. Rigel)

Plan de vol du SpaceShipTwo
(Crédit: C.P. Rigel)

L’objectif de cette filiale de Virgin est de promouvoir et développer le tourisme spatial. Une fois de plus, l’enjeu est avant-tout économique, et qui dit économie dit rentabilité. Branson s’est lancé corps et âme dans l’aventure en gagnant l’Ansari X Prize en 2004, puis en développant de façon très sérieuse un prototype de véhicule spatial destiné au tourisme. Et l’on parle bien de véhicule spatial puisque son vaisseau, le SpaceShipTwo, est destiné à embarquer 6 passagers et à accomplir un vol propulsé jusqu’à une altitude d’au moins 110km avant une phase de descente en chute libre. Or la limite théorique entre espace et atmosphère (la ligne de Karman) a été fixée par convention à 100km d’altitude.

L’approche de Branson est intéressante d’un point de vue économique. Plutôt que de placer tout ce beau monde dans une fusée et de les récupérer dans leur capsule au milieu de l’océan, tout cela pour un coût prohibitif, il a choisi une autre méthode. Celle du pallier, c’est à dire que le vaisseau ne quitte pas la terre ferme seul. Il est d’abord amené à haute altitude par un avion porteur, puis, une fois l’altitude de lancement atteinte, ce dernier va larguer le vaisseau qui va alors mettre en oeuvre son moteur-fusée pour atteindre l’espace.

Il pourrait être intéressant d’envisager le même type de pallier en remplaçant les passagers par un satellite. Le lancement depuis la stratosphère pourrait ainsi minimiser les coûts de lancement et diminuer les risques inhérents aux lanceurs chimiques.

Le catapultage électromagnétique

Cette dernière option est sans doute l’une des plus encourageante à mes yeux. Utiliser les propriétés des champs magnétiques afin de créer la poussée. Les récents progrès en matière de supraconducteurs et de stockage de l’énergie électrique laissent envisager un avenir prometteur dans le domaine.

Vue d'artiste d'une catapulte électromagnétique lunaire.

Vue d’artiste d’une catapulte électromagnétique lunaire.

Pour le principe, il s’agirait d’accélérer, par le biais d’une série d’électroaimants, une navette le long d’un rail jusqu’à lui faire atteindre la vitesse de libération de l’astre que l’on souhaite quitter. Plusieurs configurations ont déjà été étudiées. Un rail vertical, un autre long de 100km se terminant par un tremplin ou utilisant la courbure de la Terre, ou encore, un rail circulaire avec un aiguillage permettant l’éjection de la navette lorsque celle-ci a atteint la vitesse souhaitée.

Le problème est surtout de gérer l’accélération de la navette afin de ne pas tuer son équipage, il faudra pour cela une accélération longue et progressive plutôt qu’une accélération rapide et éprouvante. Pour la Terre, le rail se devra d’être long, très long. C’est pourquoi la configuration circulaire reste sans doute la plus réaliste.

Afin de lancer la navette, cette dernière devra être électriquement assimilable à une bobine conductrice. Une série d’électroaimant seront alors mis en oeuvre de façon séquentielle, c’est à dire qu’ils « s’allumeront » au rythme de progression de la navette afin de lui dispenser une accélération lors de son passage. Concrètement que se passe-t-il ?

Principe de la catapulte électromagnétique. (Crédit: C.P. Rigel)

Principe de la catapulte électromagnétique.
(Crédit: C.P. Rigel)

Lorsque la navette franchi le premier électroaimant, ce dernier va l’attirer par ferromagnétisme c’est la première force qui entre en jeu. Le champ magnétique subit par la navette va induire un courant dans son bobinage (puisqu’elle est assimilée à une bobine), c’est ce que l’on appelle la loi de Lentz-Faraday. Ce courant va à son tour créer un champ magnétique, mais de sens inverse. Les deux champs s’opposent et la navette est poussée vers l’électroaimant suivant, c’est la deuxième force qui entre en jeu. A chaque franchissement d’un électroaimant, la navette gagne donc de la vitesse.

Cette technologie n’est pas seulement théorique, de nombreuses expérimentations ont déjà été effectuée avec succès et le principe est même déjà utilisé sur les portes-avions US de dernière génération pour catapulter les avions.

Mon approche

Comme pour les autres sujets abordés dans mon roman, j’ai dû me projeter dans un avenir assez proche afin d’imaginer quelle technologie aurait été susceptible de voir le jour dans le domaine des lanceurs spatiaux.

J’ai donc à nouveau effectué une approche « hybride » de ces technologies du futur. En considérant que les lancements lourds s’effectueraient toujours avec des lanceurs chimiques (certes de nouvelle génération) mais que l’envoi d’équipages en orbite se feraient par catapultage magnétique vertical assisté par des boosters à poudre.

Les voies en cours de développement sont encore nombreuses, et je ne les ai pas toutes détaillées ici. Nul doute que le futur nous réservera des surprises et que le génie humain finira par résoudre les derniers problèmes techniques qui nous empêchent encore d’utiliser ces techniques élégantes.

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