Lanceur orbital monoétage - Définition
La liste des auteurs de cet article est disponible ici.
Introduction
Un lanceur orbital monoétage, (en anglais SSTO single-stage-to-orbit), est un engin spatial capable d'atteindre l'orbite terrestre et la vitesse de satellisation sans avoir à larguer un ou des étages propulsifs au cours de son ascension. Plusieurs projets de ce type ont été étudiés (HOTOL, Skylon, McDonnell Douglas DC-X, le Loockheed-Martin X-33, et le Roton SSTO...) mais aucun n'a jusqu'à présent abouti car le concept nécessite d'effectuer plusieurs percées technologiques.
En effet pour pouvoir se placer en orbite autour de la Terre un engin spatial doit maintenir au plus bas son indice de structure (de 10 à 4% selon le carburant employé), c'est à dire le ratio entre la masse de sa structure cumulée à la charge utile rapporté à la masse totale. Pour parvenir à cet objectif les lanceurs actuels, fusée classique ou navette spatiale, larguent au fur et à mesure de leur ascension, une partie de la structure rendue inutile par la consommation du carburant. Un lanceur monoétage conserve tout au long du vol toute sa structure qui représente un poids croissant par rapport à la masse totale. La deuxième difficulté est liée à la nécessité d'optimiser le fonctionnement de la propulsion en fonction de la densité de l'atmosphère environnante : sur un lanceur classique ce problème est réglé par l'utilisation de moteurs-fusée aux tuyères dimensionnées différemment selon les étages.
Pour parvenir à construire un lanceur monoétage plusieurs pistes sont explorées notamment l'allégement de la structure par le recours pour les réservoirs à des matériaux de faible densité comme la fibre de carbone, l'utilisation de la propulsion aérobie qui permet de ne pas transporter d'oxydant pour la première phase du vol, l'augmentation de l'impulsion spécifique des moteurs c'est à dire de leurs performances, la mise au point de tuyères à géométrie variable.
Définition
Il ne faut pas confondre les lanceurs monoétages avec les appareils réutilisables, tel la navette spatiale américaine, qui se sépare de ses fusées à propergol solide et de son réservoir auxiliaire, ni avec les avions suborbitaux comme SpaceShipOne, qui sont incapable de rester en orbite.
Cependant, le terme se réfère généralement, mais pas exclusivement, à des véhicules réutilisables. Mais un véhicule réutilisable n'est pas forcément single-stage-to-orbit, ainsi, le projet Space Bus de Bristol Spaceplane, bien que complètement réutilisable, n'est pas un lanceur monoétage puisqu'il s'agit d'un avion spatial largué depuis un avion porteur.
Avantages du concept de lanceur monoétage
Les objectifs des lanceurs monoétages entièrement réutilisables sont une réduction des coûts d'exploitation, une sécurité accrue et une meilleure fiabilité que les lanceurs actuels. Le but ultime pour un lanceur monoétage réutilisable serait de pouvoir effectuer des opérations de manière aussi simple et régulière qu'un avion de ligne.
L'équation de Tsiolkovski, appliquée à une fusée dotée de moteurs classiques, montre que la masse à vide du lanceur ne lui permet pas de se placer en orbite si le rapport carburant / masse structurelle (appelé rapport de masse) n'est pas très élevé : il doit être compris entre 10 et 25 selon le type de carburant (c'est à dire dans ce dernier cas que la masse à vide doit représenter 1/25ème de la masse totale).
Il est extrêmement difficile de concevoir une structure qui soit à la fois robuste, très légère, et économique à construire. Le problème semblait, dans les débuts de l'astronautique ,insurmontable, et les concepteurs de fusées ont opté immédiatement pour des lanceurs à plusieurs étages. Plusieurs solutions ont été envisagées pour résoudre le problème de la masse des structures comme par exemple l'utilisation de réservoirs en matériaux composites dans le projet X-33/VentureStar (cependant, la mise au point de tels réservoirs se révéla si délicate qu'elle fut en partie responsable de l'abandon du projet).
Les fusées à plusieurs étages sont capables d'atteindre la vitesse orbitale parce qu'elles larguent les étages au cours de leur ascension, au fur et à mesure de l'épuisement du carburabt. Une fusée mono-étage est par contre désavantagée parce qu'elle doit transporter toute sa masse à vide en orbite, ce qui réduit sa capacité d'emport de charge utile. A contrario, les fusées à plusieurs étages non récupérables entrainent un couteux gâchis. La réutilisation des étages pourrait permettre une exploitation beaucoup moins coûteuse car les coûts des pièces seraient amortis sur de nombreux vols.
Mais la récupération d'une fusée est difficile même lorsque seul le premier étage est recyclé, et le coût de développement d'un dispositif de récupération est important. Le premier étage est largué à une vitesse très élevéequi peut atteindre 3,65 km/s : après la séparation, le premier étage évolue à haute altitude et son point de chute est éloigné du point de départ et nécessite un dispositif de récupération couteux. La chute généralement en mer, même freinée par les parachutes, entraine des dommages ainsi que l'eau salée. Pour les étages supérieurs, ceux-ci doivent effectuer une rentrée atmosphérique à des vitesses atteignant Mach 10.
La récupération a cependant été tentée par la Navette Spatiale et par la société privée SpaceX. La navette, bien que partiellement réutilisable a montré ses limites (remise en état des accélérateurs à poudre après chaque vol et séjour dans l'eau, entretien régulier des trois Moteurs Principaux...) et finalement, le Réservoir Externe, le seul élément "jetable" s'est révélé bien plus coûteux qu'initialement prévu, surtout après l'accident de la navette spatiale Columbia en 2003. Dans le cas des lanceurs privés Falcon 1 et Falcon 9 développés par SpaceX, la réutilisation du premier étage reste à démontrer.
Ces problèmes avec l'approche à plusieurs étages a conduit à la conception lanceur monoétage. Si un lanceur monoétage était combiné avec des systèmes fiables et nécessitant moins d'entretien, de conception d'une nature plus automatisé, il pourrait réduire considérablement les coûts opérationnels de lancement en orbite.
