LES FUSÉES
Remerciements
L’auteur remercie pour leurs précieux conseils et leur relecture attentive Nicolas Bérend, Raphaël Breda, Bernard Chemoul, Joël Le Bras, Jean-Pierre Penot, Philippe Varnoteaux et Jean-Jacques Vurpillot.
Ce livre ne peut être reproduit ni utilisé à des fins d’entraînement de systèmes d’intelligence artificielle. La fouille de textes et de données est interdite conformément à l’article 4(3) de la Directive (UE) 2019/790.
LES FUSÉES TEXTES PIERRE-FR ANÇOIS MOURIAUX
UNE FUSÉE, COMMENT ÇA MARCHE ? Une fusée, ou un lanceur, permet
Vaincre l’attraction terrestre Sur Terre, nous sommes soumis en permanence à une force d’attraction qui nous « colle » au sol : c’est la pesanteur. Pour placer un objet sur orbite autour de la Terre (le satelliser) ou l’envoyer bien au-delà, une fusée doit « s’arracher » à cette pesanteur, et communiquer à l’objet une très grande vitesse : plus de 7,9 kilomètres par seconde. C’est six fois plus rapide qu’une balle de fusil ! En deçà de cette vitesse, l’objet finit par retomber sur Terre, quelle que soit sa masse.
d’envoyer autour de la Terre, ou au-delà, des objets, ou parfois des personnes, en leur donnant une très grande vitesse. Les fusées sont des engins très complexes, capables de fonctionner dans le vide de l’espace. Elles utilisent des moteurs (dits moteurs-fusées) qui ont besoin de quantités impressionnantes d’énergie pour décoller. Ils fonctionnent sur le principe d’action-réaction. Décollage du lanceur Ariane 6.
Action… réaction ! Pour atteindre la vitesse de satellisation et pour fonctionner dans le vide de l’espace, les moteursfusées éjectent de la matière (des gaz qui ont été brûlés) à grande vitesse. Ceci leur permet d’avancer dans le sens opposé à la direction de ce rejet de matière, sans avoir besoin de prendre appui sur l’air, ni de prélever de l’oxygène dans l’atmosphère, comme le font les avions. C’est le principe d’action-réaction, le même qui apparaît quand un ballon de baudruche se dégonfle : de l’air s’échappe à toute vitesse par l’ouverture et le ballon s’envole dans le sens opposé.
Une usine à gaz
Sur Terre et même dans l’air, la plupart des moteurs de voitures utilisent l’oxygène contenu dans l’air pour brûler du carburant et créer de l’énergie (l’oxygène est donc un comburant). Dans l’espace qui est vide d’air, le carburant et le comburant doivent être embarqués pour provoquer une réaction chimique. Ils sont stockés dans des réservoirs, soit sous forme solide (on parle de propergol solide), soit sous forme liquide (ce sont des ergols liquides). Le propergol solide ressemble à une poudre très compacte, comme une mine de crayon géante. Elle est souvent composée de poudre d’aluminium (le carburant) et d’une sorte de sel très riche en oxygène : le perchlorate d’ammonium (le comburant). RÉACTION Le ballon monte. Les ergols liquides sont souvent des gaz liquéfiés (donc extrêmement froids), par exemple de l’oxygène et de l’hydrogène. ACTION L’air se précipite vers le bas.
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Les moteurs-fusées (à propergol solide sur les côtés et à ergols cryogéniques au centre) du lanceur lunaire SLS de la Nasa.
HEO
SSO
LEO
MEO GTO GEO
HEO : orbite terrestre très allongée. SSO : orbite passant par les pôles et synchronisée avec le Soleil. MEO : orbite terrestre moyenne.
GEO : orbite géostationnaire (qui paraît fixe par rapport au sol). GTO : orbite de transfert géostationnaire (intermédiaire avant l’orbite GEO).
Orbites et trajectoires Un objet embarqué sur un lanceur est une charge utile : un satellite quand il tourne autour de la Terre ou une sonde interplanétaire quand il s’éloigne de la Terre. La trajectoire d’un satellite autour de la Terre s’appelle une orbite. Sa forme, son inclinaison sur l’équateur et son altitude peuvent varier, ce qui va changer la nature de la mission du satellite. Par exemple, une orbite inclinée de 90 degrés par rapport au plan de l’équateur et qui passe par les deux pôles est appelée orbite polaire. Elle permet de profiter de la rotation de la Terre sur elle-même et de survoler toute la planète, jusqu’à seize fois par jour. Trois grands types d’orbites sont définis selon leur altitude : les orbites basses (inférieures à 2 000 kilomètres), moyennes (entre 2 000 et 20 000 kilomètres) et géostationnaires (à 36 000 kilomètres d’altitude au-dessus de l’équateur).
Anatomie d’une fusée Les fusées se divisent généralement en plusieurs parties, appelées étages. Chaque étage comprend un ou plusieurs moteurs, ainsi que les réservoirs de carburant qui alimentent le ou les moteurs. Le dernier étage est celui où se trouve la charge utile. Au cours du vol, chaque étage est largué l’un après l’autre. Le premier retombe en mer et les suivants brûlent dans l’atmosphère. Le lanceur s’allège ainsi régulièrement et l’allumage des moteurs des étages supérieurs permet de nouvelles accélérations. De très nombreux lanceurs possèdent deux étages et, autour de l’étage principal, des propulseurs d’appoint (des petites fusées attachées sur les côtés qui permettent de fournir un maximum d’énergie pour le décollage). Les ergols liquides utilisés par la majorité des lanceurs sont stockés dans des réservoirs distincts. Leurs parois sont extrêmement fines : entre 2 et 4 mm, soit à peine l’épaisseur de deux pièces de monnaie empilées. Les coiffes qui protègent les charges utiles sont larguées vers 100 km d’altitude : dans le vide, elles ne servent plus à rien.
Coiffe longue
Charge utile no 2 Coiffe
Charge utile
Système de lancement double Charge utile no 1
Étage supérieur
Étage principal Propulseurs d’appoint
Éclaté du lanceur Ariane 6, en version A62 à gauche (avec deux propulseurs d’appoint) et A64 à droite (avec quatre propulseurs d’appoint).
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LA PRÉHISTOIRE DES FUSÉES Les premières vraies fusées apparaissent au début du XXe siècle. Au début, il s’agit d’engins peu performants construits par des amateurs et des ingénieurs rêvant de voyages spatiaux. Puis, avant que la Seconde Guerre mondiale n’éclate, les militaires du monde entier s’intéressent à cette technologie et lui donnent les moyens de progresser très rapidement. Et quand enfin la fusée est capable d’envoyer un satellite dans l’espace, c’est l’URSS qui, à la surprise générale,
L’obus imaginé par Jules Verne pour voyager vers la Lune.
remporte cette grande première. Couverture du magazine de science-fiction américain Amazing Stories, en octobre 1948. Une fusée géante imaginaire est en cours d’assemblage.
Une formule fondamentale
Constantin Tsiolkovski (1857-1935) fut l’un des grands théoriciens des fusées. À l’âge de 10 ans, des complications dues à la scarlatine le rendirent partiellement sourd.
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Pendant des siècles, des voyages dans l’espace sont racontés dans des récits imaginaires, avec des moyens parfois farfelus, souvent poétiques : bateau volant, attelage d’oies sauvages, échelle géante pour grimper jusqu’à la Lune… L’obus proposé par Jules Verne en 1865 dans son livre De la Terre à la Lune est la première solution un peu réaliste, car il permet d’obtenir une grande vitesse indispensable pour s’arracher de la pesanteur terrestre. À partir de ce moment, des savants commencent à réfléchir sérieusement à la question. Ainsi, l’instituteur russe Constantin Tsiolkovski propose en 1903 d’utiliser le principe d’action-réaction pour se déplacer dans le vide de l’espace (voir page 4). Il invente d’autre part une formule qui servira de base à tous les calculs nécessaires pour concevoir une fusée : elle permet de connaître la quantité de carburant nécessaire pour atteindre une destination.
Des clubs de passionnés Les premières fusées apparaissent au lendemain de la Première Guerre mondiale, construites par des amateurs et des ingénieurs passionnés souvent regroupés dans des clubs, en Allemagne, aux États-Unis, en Russie et en France. Leurs réalisations sont au départ très modestes : quand elles n’explosent pas au décollage, elles ne font que des bonds de quelques dizaines de mètres, au plus quelques centaines. La première fusée à ergols liquides, inventée par le physicien américain Robert Goddard, vole en mars 1926. À l’approche de la Seconde Guerre mondiale, les militaires s’intéressent aux fusées, en Allemagne en particulier, et mettent à disposition des moyens importants pour développer l’activité, avec l’idée qu’une fusée peut devenir une nouvelle arme : ce sera le tristement célèbre missile balistique V2, le véritable ancêtre des fusées modernes. Robert Goddard et sa fusée à ergols liquides.
Un intérêt militaire Le 3 octobre 1942, l’Allemagne nazie devient le premier pays à atteindre les portes de l’espace : un V2 lancé depuis la mer Baltique vole jusqu’à 90 kilomètres d’altitude. L’engin peut emporter 1 tonne d’explosifs sur une distance de 300 kilomètres. Il est produit en très grand nombre jusqu’à la fin de la guerre. Heureusement, les engins ratent souvent leur cible de plusieurs kilomètres. Après la défaite de l’Allemagne, les ingénieurs et les techniciens qui travaillaient sur les V2 sont employés par les Américains et les Russes, mais aussi les Français et les Britanniques. Ils aident à la conception de missiles équipés de la bombe atomique, de fusées-sondes (qui réalisent des vols à quelques centaines de kilomètres d’altitude pour des études scientifiques) et de fusées capables de placer des satellites autour de la Terre. Préparatifs d’un lancement de V2 en 1942.
Le choc de Spoutnik
LE CHIFFRE L’Allemagne a fabriqué environ 6 000 V2 entre 1944 et 1945. Plus de 2 600 d’entre eux ont été lancés sur Londres, Anvers, Liège, Bruxelles, Paris et Luxembourg.
Le 4 octobre 1957 marque le grand jour de l’histoire des fusées : le premier satellite artificiel du monde est placé sur orbite autour de la Terre, à une altitude qui varie entre 215 et 940 kilomètres. Il est russe, il s’appelle Spoutnik (« le compagnon de route » ou « le satellite » en russe). Il est lancé par une fusée dérivée du missile R7. Sa masse est de 84 kilos. Il émet un « bip-bip » régulier que les radioamateurs du monde entier peuvent écouter durant trois semaines. Les Américains ne s’attendent absolument pas à cet exploit et ne sont pas encore prêts à riposter. Ils sont furieux d’avoir été devancés, et surtout très inquiets : ils savent que le missile R7 est capable d’atteindre le territoire américain, et ils craignent que des satellites russes soient bientôt utilisés comme des armes capables de survoler en permanence les États-Unis…
Le satellite Spoutnik-1.
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UNE HISTOIRE PLEINE D’ACCÉLÉRATIONS Démarrée le 4 octobre 1957 avec Spoutnik-1, la conquête de l’espace connaît une accélération formidable dans les années 1960. Les Américains et les Russes se livrent alors à une course incroyable, qui se termine avec l’arrivée de deux hommes… sur la Lune. Pendant ce temps, les fusées commencent à être utilisées pour l’envoi autour de la Terre de satellites au service de nos activités quotidiennes. Depuis les années 2000, le secteur s’est considérablement transformé. Départ de la mission Apollo 11 vers la Lune, le 16 juillet 1969.
Le grand défi
Les Russes enchaînent les grandes premières : un mois après Spoutnik-1, la chienne Laïka est mise sur orbite. Le 12 avril 1961, c’est le premier homme, Youri Gagarine. Le mois suivant, le président des États-Unis John Kennedy lance alors un incroyable défi : envoyer un homme sur la Lune. Le pari est osé puisqu’à ce moment, seul l’Américain Alan Shepard a effectué un vol suborbital — juste sur une portion d’orbite —, à bord de la capsule Mercury. Mais les Américains avancent très vite. Leur programme lunaire, appelé Apollo, repose sur une fusée colossale : Saturn 5. Elle mesure 110 mètres de haut (autant qu’un immeuble de 35 étages) pour une masse de 3 000 tonnes au décollage (l’équivalent de 2 000 voitures). Le triomphe a lieu dans la nuit du 20 au 21 juillet 1969, lorsque Neil Armstrong et Buzz Aldrin marchent sur la mer de la Tranquillité (mission Apollo 11). Le drapeau américain est le premier sur la Lune, en juillet 1969.
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L’espace devient utile Au début des années 1970, la course à la Lune terminée, apparaissent les programmes spatiaux « utiles » et les satellites dits d’application. Désormais, l’espace va profiter à tout le monde et servir au quotidien, que ce soit pour les communications (radio, télévision, Internet et transfert de données), la navigation terrestre, aérienne et maritime, les prévisions météorologiques, l’observation de la Terre, la surveillance des catastrophes, l’étude du climat, la cartographie, l’aménagement du territoire… Au départ, ces activités sont menées gratuitement par des agences nationales : la Nasa aux États-Unis, le CNES en France, l’Agence spatiale européenne (ESA) au niveau européen, etc. Mais rapidement, des entreprises privées vont proposer leurs services, devenus payants. Ces services concernent essentiellement les télécommunications et la fourniture d’images de la Terre. Première image de la Terre réalisée par un satellite météorologique, Tiros-1, le 1er avril 1960.
Atterrissage en Californie de la navette Columbia, le 4 juillet 1982.
La navette spatiale À l’heure de l’espace utile, les Américains mettent au point une fusée qui doit révolutionner le transport spatial : la navette. C’est un véhicule qui embarque à la fois des équipages et des satellites commerciaux, et qui revient se poser sur Terre en fin de mission. La navette doit voler une fois par semaine, pour un prix inférieur à celui des fusées « classiques ». Son premier vol intervient le 12 avril 1981. Mais très vite, le système montre ses limites : il est très coûteux à entretenir, vole bien moins souvent que prévu, et est victime de deux accidents mortels (en 1986 et 2003). Le programme est définitivement stoppé en juillet 2011, après 135 missions. Il aura notamment permis d’assembler de nombreux éléments de la Station spatiale internationale (voir page 12).
La révolution du New Space Les activités commerciales se transforment au cours des années 2000, avec l’arrivée de nouvelles sociétés. Elles profitent de l’évolution des technologies et de l’informatique pour proposer des satellites innovants, plus petits et moins chers. Certaines sociétés se mettent aussi à construire de nouvelles fusées, de différentes tailles, aux composants souvent récupérables et beaucoup moins chères. Avec le lanceur Falcon 9, SpaceX a été le premier constructeur à prouver qu’il était possible de récupérer et réutiliser des étages de fusées à très grande cadence. L’une des conséquences de ce nouvel âge, appelé New Space, est une incroyable augmentation du nombre de lancements de satellites, qui servent surtout à l’observation de la Terre et à l’accès à Internet. Récupération du premier étage d’une fusée Falcon 9 de SpaceX sur une barge en mer.
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TA B L E D E S M AT I È R E S UNE FUSÉE, COMMENT ÇA MARCHE ? 4 LA PRÉHISTOIRE DES FUSÉES 6 UNE HISTOIRE PLEINE D’ACCÉLÉRATIONS 8 DES SATELLITES, POUR QUOI FAIRE ? 10 DES HOMMES DANS L’ESPACE 12 LES GRANDS RIVAUX 14 DE NOUVEAUX ACTEURS 16 L’AVENTURE ARIANE 18 CONSTRUIRE LA FUSÉE ARIANE 6 20 LA CAMPAGNE DE LANCEMENT D’ARIANE 6 22 UNE MISSION TYPE : ARIANE VA266 24
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