Centaur (fusée) - Définition
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Introduction
Centaur est un étage supérieur de fusée développé à la fin des années 1950 pour les besoins de l'agence spatiale américaine de la NASA et utilisé jusqu’à aujourd’hui sur plusieurs types de lanceur. C’est le premier étage de fusée à mettre en œuvre le couple d’ergols hydrogène - oxygène, très performant mais également très difficile à maitriser. Par ailleurs l’étage Centaur reprend la technique de construction de la fusée Atlas avec une structure très allégée qui contribue à ses performances.
Le développement de l’étage Centaur fut particulièrement long en raison de son caractère innovant mais également du fait d’une gestion de projet chaotique : démarré en 1956 comme une simple étude chez le constructeur de la fusée Atlas, l'étage Centaur prend une importance cruciale lorsque la course à l'espace est lancée ; le projet est marqué par plusieurs échecs au lancement et des dépassements budgétaires et calendaires très importants qui faillirent entrainer son arrêt. Le premier lancement réussi a lieu en 1965.
De nombreuses versions de l’étage Centaur sont développées par la suite : elles partagent presque toutes certaines caractéristiques : le diamètre (3,05 mètres), la longueur (environ 10 mètres), le moteur-fusée utilisé monté sur cardans (1 ou 2 RL-10 dont la puissance est passée progressivement de 6,67 tonnes à 11 tonnes de poussée) la structure très allégée constituée de 2 réservoirs-ballon en acier sans étain dotés d'une paroi commune et enfin une stabilisation sur 3 axes.
L’étage Centaur est utilisé sur plusieurs générations de lanceurs Atlas et Titan entre 1965 et aujourd’hui. Ses performances sont mises à contribution pour le lancement de nombreuses sondes spatiales (Surveyor, New Horizons,...) et satellites géostationnaires. 188 vols (chiffre actualisé en aout 2009) ont eu recours à un étage Centaur en n'incluant pas les lancements d’Atlas V dont le deuxième étage n’utilise plus la dénomination de Centaur bien que s’inscrivant dans sa descendance.
Genèse de l'étage Centaur
L'étage Centaur est le premier étage de fusée conçu pour utiliser comme carburant l'hydrogène liquide. Le choix de cet ergol performant mais d'emploi difficile ainsi qu'une gestion de projet souvent déficiente est à l'origine d'une phase de développement particulièrement longue s'étalant de 1956 à 1965.
L'hydrogène : un grand potentiel et un défi technique
L'utilisation de l'hydrogène liquide combiné avec de l'oxygène liquide constitue le carburant le plus efficace pour une fusée puisqu'il fournit 35 à 40 % plus de puissance que toute autre combinaison d'ergols. Mais son utilisation représente un grand défi technique : pour le conserver liquéfié il est nécessaire de le maintenir à une température inférieure à -253 °C (soit 70 °C de moins que l'oxygène liquide). À cette température le métal des réservoirs devient cassant. De plus la petite taille de la molécule d'hydrogène lui permet de s'infiltrer dans les micro-fissures des réservoirs et facilite les fuites. Malgré son potentiel reconnu, aucun constructeur astronautique ne s'était lancé en 1956 dans la construction d'une fusée utilisant l'hydrogène.
Premières études
Krafft Ehricke, un des ingénieurs venus d'Allemagne avec Wernher von Braun, est le premier à concevoir un étage de fusée utilisant l'hydrogène en 1956. À l'époque Ehricke est employé chez Convair, filiale de General Dynamics, constructeur de l'Atlas qui est le missile balistique intercontinental en cours de développement le plus ambitieux côté américain. L'ingénieur imagine d'ajouter à la fusée un deuxième étage de même diamètre utilisant de l'hydrogène et de l'oxygène liquide pour en faire un lanceur à usage civil. La structure de ce second étage reprend l'architecture mise au point par l'ingénieur d'origine belge Charlie Bossart pour la fusée Atlas : les réservoirs sont structuraux (c'est-à-dire qu'ils jouent à la fois le rôle de coque externe et de réservoir) et sont dépourvus de longerons; s'ils ne sont pas maintenus sous pression ils s'effondrent sous leur propre poids. Cette technique de construction délicate à maitriser et relativement couteuse permet d'alléger au maximum le poids de la fusée. Les études sur le nouvel étage, baptisé Centaur, sont initialement financées sur fonds propres par Convair.
Le moteur-fusée RL-10
La course à l'espace entre les américains et les soviétiques déclenchée par la mise en orbite de Spoutnik 1 souligne la faiblesse des lanceurs américains incapables de placer des charges lourdes en orbite; elle attire l'attention de l'Armée de l'Air américaine sur l'étude d'Ehricke qui en exploitant le potentiel de l'hydrogène, pourrait permettre de combler cet écart. Dans un tout autre domaine, l'US Air Force tente déjà d'exploiter le surcroit de puissance fourni par l'hydrogène pour la propulsion d'un avion espion prototype (projet Suntan) utilisant un turboréacteur consommant ce gaz. Les ingénieurs du constructeur du moteurs d'avions Pratt & Whitney chargés de la propulsion, ont mis au point,en exploitant les caractéristiques de l'hydrogène liquide, une solution élégante, simple et efficace permettant de faire tourner la turbine amenant l'hydrogène dans la chambre de combustion tout en refroidissant les parois de celle-ci. Ehricke réalise que ce concept appliqué à un moteur-fusée simplifie énormément sa conception tout en permettant de le rallumer en toute fiabilité dans le vide même après un arrêt total prolongé. L'US Air Force passe un contrat de développement en aout 1958 avec Ehricke et Convair dont le montant est fixé initialement à 36 millions US $ (42 M$ avec le système de guidage et les installations de lancement). Le contrat stipule que 6 prototypes de fusées Atlas-Centaur doivent être développés en utilisant des moteurs développés par Pratt and Whitney. Le premier vol est fixé à janvier 1961.
Les caractéristiques de l'étage Centaur
L'étage Centaur est constitué de deux réservoirs ballons : le réservoir d'hydrogène, le plus volumineux, est situé au-dessus du réservoir d'oxygène. Entre les deux une paroi double permet d'isoler sur le plan thermique les deux ergols dont la différence de température atteint 80 °C. Le bâti qui répercute la poussée des moteurs sur l'étage est situé à l'intérieur du réservoir d'oxygène pour réduire la longueur de l'étage ce qui contribue en retour à diminuer son poids. Pour limiter la montée en température de l'hydrogène provoqué par l'échauffement aérodynamique durant la première partie du vol, quatre protections thermiques en fibre de verre sont apposés à l'extérieur du réservoir d'hydrogène et largués par des charges pyrotechniques dès que la pression aérodynamique a suffisamment diminué. Deux moteurs RL-10 mis au point par Pratt & Whitney propulsent l'étage. Les moteurs peuvent être rallumés lorsque Centaur et sa charge utile sont placés en orbite, ce qui doit permettre d'élargir la fenêtre de lancement des sondes spatiales et d'envisager la prise en charge complète des satellites géostationnaires. L'étage dispose de petits moteurs-fusées prenant en charge le contrôle son orientation sur les 3 axes et d'un système de guidage qui lui permet d'assumer des missions complexes. Dans la première version, l'étage a un diamètre de 3,05 mètres - une caractéristique qu'il conservera par la suite -, une longueur de 9,10 mètres et pèse 15,8 tonnes au départ et 1,6 tonne à vide dont 320 kg d'isolation thermique larguée en altitude.
Un projet en difficulté
En juillet 1959, la NASA reprend la responsabilité du projet Centaur qui relevait jusque là de l'Armée de l'Air américaine. L'agence spatiale américaine, qui vient d'être crée à partir des structures existantes de la NACA, a en effet vocation à gérer tous les projets spatiaux qui poursuivent des objectifs civils. L'US Air Force assure toujours le pilotage opérationnel du projet tout en faisant ses rapports à la structure de la NASA chargée du développement des lanceurs, le centre de vol spatial Marshall dirigé par Wernher Von Braun. L'étage Centaur et son moteur se retrouvent bientôt sur le chemin critique de plusieurs projets prioritaires.
- L'Armée de l'Air veut utiliser l'étage Centaur pour lancer ses satellites de télécommunications car elle prévoit que leur masse croissante va prochainement dépasser les capacités de l'étage Agena utilisé jusqu'à présent.
- Von Braun, responsable du développement des fusées Saturn, s'est laissé convaincre, malgré ses fortes réticences initiales, de développer un étage propulsé par de l'hydrogène et a retenu à cet effet le moteur RL-10 en cours de mise au point pour l'étage Centaur.
- La NASA décide de confier aux futurs Atlas-Centaur le lancement des sondes spatiales Mariner en 1959 et Surveyor en 1961 malgré le scepticisme affiché du Jet Propulsion Laboratory chargé du développement de ces 2 programmes.
Les problèmes soulevés à la fois par l'utilisation de l'hydrogène et une gestion du projet chaotique, se multiplient en 1960 et 1961 chez les constructeurs (le motoriste et Convair) : cela se traduit par un dérapage marqué du planning du projet ainsi qu'une diminution des performances de l'étage par rapport à ce qui avait été annoncé. Le Centre Marshall, hostile au projet et accaparé par le développement de la fusée Saturn n'assume pas son rôle de pilote. Fin 1961 la fusée Atlas-Centaur est installée sur sa rampe de lancement sur l'aire 36 de Cap Canaveral mais les problèmes de conception qui affectent la structure les moteurs et le système de guidage ainsi que la mise au point de l'intégration de l'étage Centaur avec le premier étage Atlas repoussent régulièrement le lancement.
L'échec du vol AC-1
Le lanceur à deux étages AC-1 (Atlas-Centaur 1) décolle finalement le 8 mai 1962 de Cap Canaveral. La fusée est détruite 52 secondes après le décollage par une explosion : les protections thermiques se sont détachées, l'hydrogène du réservoir est entrée en ébullition libérant par les évents existants une grande quantité de gaz, qui a été enflammé par les flammes des moteurs du premier étage déclenchant l'explosion du lanceur. L'affaire est jugée suffisamment grave pour déclencher une enquête du Congrès américain. Von Braun tente de faire annuler le projet, mais celui-ci est soutenu par la hiérarchie de la NASA. Pour assurer une gestion plus efficace du projet, la supervision du développement est confiée fin 1962 au Centre de Recherche de Lewis de la NASA (Cleveland, Ohio), qui a jusque là joué un rôle pionnier dans le développement de la propulsion utilisant l'hydrogène. Celui-ci prend également en charge les évolutions de l'étage Agena d'une conception plus classique et donc moins puissant . Cette réorganisation s'accompagne d'une injection de moyens humains et financiers importants chez le constructeur et dans l'agence spatiale ainsi qu'une implication beaucoup plus forte de la NASA à toutes les étapes en particulier en phase de test. Un équipement qui n'a aujourd'hui encore aujourd'hui aucun équivalent dans le monde, le Spacecraft Propulsion Research Facility (B-2), est construit à une centaine de kilomètres du centre de Lewis, pour permettre de tester le fonctionnement de l'étage Centaur dans des conditions simulant le vide.
Désormais situé sur le chemin critique du programme Apollo pour son rôle dans le lancement des sondes Surveyor chargées d'évaluer la tenue du sol lunaire à la pression (incidence sur l'architecture du module lunaire), le projet passe en priorité nationale en décembre 1962, ce qui lui garantit une meilleure qualité de service de la part des sous-traitants. Abe Silverstein, responsable du centre Lewis, décide, pour limiter les risques, de supprimer dans une première version de l'étage la possibilité de rallumer le moteur, un casse-tête technique avec l'hydrogène. L'équipe chargée du développement de la sonde Surveyor au JPL s'oppose fortement mais en vain à cette décision : cette restriction implique que les lancements effectués durant une grande partie de l'année, ne pouvant être recalés en orbite, sont susceptibles d'aboutir à un alunissage durant la longue nuit lunaire, un traitement auquel la sonde risque de ne pas survivre. Les tests extensifs et l'implication des acteurs permirent de résoudre un grand nombre de problèmes techniques qui n'avaient parfois pas été détectés jusque là.
Une mise au point difficile
Le 17 novembre 1963, l'Atlas-Centaur AC-2, aboutissement de travaux intensifs de 18 mois, est lancée de Cap Canaveral. L'importance de l'événement est soulignée par le fait que le président Kennedy se rend en personne sur le site de lancement quelques jours avant le lancement (il sera assassiné quelques jours plus tard). Le vol est un succès même si, pour sécuriser l'essai, les protections thermiques, normalement largables, ont été pour ce vol arrimées de manière définitive à l'étage Centaur. Il était temps car quelques mois plus tard l'équipe de Von Braun faisait décoller avec succès une fusée Saturn I comportant un second étage propulsé par 6 RL-10 consommant de l'hydrogène dont le développement avait démarré pourtant bien plus tard. Les télémesures indiquaient que le système de fixation de la protection thermique n'aurait pas tenu si le dispositif largable n'avait pas été supprimé : il fallait donc en revoir la conception. En avril 1964 le cout du projet était réévalué et fixé contractuellement avec Convair à 354 millions $.
Le test suivant AC-3 en juin 1964 est un échec à cause d'une défaillance du système hydraulique du premier étage du lanceur mais on put vérifier que le nouveau système de largage de la protection thermique fonctionnait. Le vol AC-4, lancé le 11 décembre 1964, met en évidence un problème de stabilisation de l'étage Centaur : une fois le moteur arrêté l'étage se met à basculer sur lui-même. Les ingénieurs de la NASA découvrent, en effectuant des tests au sol, qu'en impesanteur l'hydrogène liquide se plaque le long des parois et que les évents, réagissant mal, larguent à la fois les gaz résultant de l'évaporation progressive de l'hydrogène mais également de l'hydrogène liquide créant un couple de forces à l'origine des mouvements incontrôlés de la fusée. Le fonctionnement de l'évent est modifié et subordonné aux données fournies par un capteur détectant la présence de gaz ou de liquide. Le vol AC-5 s'annonce prometteur car toutes les difficultés semblant avoir été aplanies. Le 3 mars 1965 le lanceur après s'être élevé d'un mètre cinquante, victime d'une défaillance d'un capteur, coupe l'alimentation des moteurs, retombe sur le sol et explose en détruisant un grande partie des installations de lancement sans faire de victimes : c'est le pire accident au lancement de Cap Canaveral depuis sa création. Une deuxième aire de lancement jouxtant celle détruite est rapidement mise en état pour le vol suivant (AC-6) fixé au 11 aout. Le vol qui emporte une maquette de la sonde Surveyor se déroule sans incident. Mais la dernière défaillance, même si elle n'est pas imputable à l'étage Centaur attire les foudres de représentants du Congrès et de la presse américaine. Le programme Surveyor étant en retard, la NASA effectue un deuxième test du comportement de l'étage cryogénique lorsque celui-ci placé en orbite et au repos. Malheureusement le vol AC-8 lancé le 7 avril 1966 est victime d'une défaillance d'un des deux moteurs de l'étage Centaur.
L'étage Centaur opérationnel
Le 30 mai 1966, l'Atlas-Centaur AC-10 s'envole de l'aire de lancement 36B de Cap Canaveral en emportant la première sonde Surveyor 1 opérationnelle qui pèse 939 kg. La NASA doute de la réussite de la mission car de nombreuses modifications de dernière minute ont été effectuées sur la sonde. Mais le vol du lanceur comme celui de Surveyor se déroulent sans aucune anomalie. Le 20 septembre 1966 l'Atlas-Centaur AC-7 qui emporte la sonde Surveyor 2 effectue un vol parfait mais c'est la sonde qui connait une défaillance. Un dernier vol de test AC-9 le 26 octobre 1966 emporte un satellite fictif pour valider la capacité des moteurs de l'étage Centaur à être rallumés après un séjour prolongé en orbite. La réussite du test met un point final à la longue phase de développement de l'étage Centaur, qui entre désormais dans une phase de production qui se prolonge jusqu'à aujourd'hui.
