Lanceur orbital monoétage - Définition

Les différents types de lanceur monoétage

Il existe plusieurs concepts de lanceur orbital monoétage : lanceurs à décollage et atterrissage vertical, à décollage et atterrissage horizontal, propulsion par un statoréacteur supersonique à entrée d'air supersonique (superstatoréacteur) combiné durant une phase de vol et des mmoteurs-fusées en fin de vol ou par des moteurs fonctionnant selon les deux modes, comme le projet Skylon. Il existe même des des véhicules à propulsion nucléaire comme le projet Orion.

Pour les lanceurs monoétages, le principal défi est d'obtenir un assez grand rapport de masse pour transporter suffisamment de propergol pour atteindre l'orbite et une charge utile significative. Une possibilité est de donner à la fusée une vitesse initiale avec un pistolet d'espace, comme prévu dans le projet Quicklaunch.

Pour les lanceurs monoétages aérobies, le principal défi est la complexité du système et les coûts associés de recherche et développement dans le domaine de la science des matériaux et les techniques de construction nécessaires pour la résistance des structures lors des vols à grande vitesse dans l'atmosphère, et d'atteindre un assez grand rapport de masse pour transporter suffisamment de carburant pour être mis sur orbite, en plus d'une charge utile. Les conceptions aérobies volent généralement à des vitesses supersoniques ou hypersoniques, et comprennent généralement un moteur-fusée pour l'accession finale en orbite.

Quel que soit le type de propulsion, un lanceur monoétage, s'il est réutilisable, doit être suffisamment robuste pour survivre à de multiples allers-retours dans l'espace, sans ajouter de poids excessif. En outre, un véhicule réutilisable doit être capable d'effectuer une rentrée sans dommage, et atterrir en toute sécurité.

Le problème des ergols

L'hydrogène liquide peut sembler évident pour être le carburant des lanceurs monoétages. Lorsqu'il est brûlé avec de l'oxygène liquide, l'hydrogène donne la plus haute impulsion spécifique (Isp) de tout le combustible utilisé fréquemment: environ 450 secondes, comparé aux 350 secondes pour le kérosène.

L'hydrogène a les avantages suivants:

• L'hydrogène a une impulsion spécifique plus élevée de 50% (environ 450 secondes) par rapport aux carburants les plus denses.
• L'hydrogène est un très bon liquide de refroidissement pour les pièces du moteur-fusée.

Cependant, l'hydrogène a aussi ces inconvénients:

• Très faible densité (environ 1/7 de la densité du kérosène) — exigeant un réservoir très important pénalisant la masse du lanceur,
• Profondément cryogénique — doit être conservé à très basse température et donc requiert une isolation dont la masse pénalise le lanceur,
• Dangereux car s'enflamme facilement et brûle avec une flamme invisible,
• Tend à condenser l'oxygène, ce qui peut causer des problèmes d'inflammabilité,
• A un grand coefficient de dilatation, même pour les petites fuites de chaleur.

Ces inconvénients peuvent être pris en charge mais à un coût supplémentaire.

Alors que la masse à vide des réservoirs de kérosène peut représenter seulement 1% de la masse total, les réservoirs d'hydrogène ont une masse égale à 10% de la masse totale. Le sucroit de masse découle de la faible densité qui nécessite des réservoirs de taille importante et de l'isolation supplémentaire nécessaire (un problème qui ne se produit pas avec du kérosène et de nombreux autres combustibles). La basse densité de l'hydrogène affecte la conception du reste du véhicule. Le résultat final est que le rapport poussée/poids des moteurs alimentés à l'hydrogène est de 30-50% de moins que les moteurs comparables en utilisant des carburants plus dense.

Ces caractéristiques des deux carburants font qu'il y a finalement peu de différence entre la performance obtenue en utilisant de l'hydrogène et des carburants plus denses, alors que par ailleurs un lanceur utilisant hydrogène pest un peu plus couteux à développer. Des études détaillées ont conclu que certains combustibles plus denses comme le propane liquide permettent d'obtenir des performances supérieures de 10% à l'hydrogène de 10% pour une même masse à vide.