vignette|Première étude sur la future navette spatiale américaine réalisée par Maxime Faget : la navette est complètement réutilisable, comporte deux étages avec des ailes droites et l'orbiteur est de petite taille. vignette|Vue d'artiste d'un lanceur orbital monoétage réutilisable, le Venture Star, n'ayant pas dépassé le stade de la planche à dessin, faute de disposer des techniques permettant sa réalisation. vignette|Le lanceur est le premier à avoir rempli les promesses de l'abaissement des couts de lancement grâce à son premier étage réutilisable.
Un lanceur réutilisable est un lanceur utilisé pour placer en orbite un engin spatial et qui peut être réutilisé en totalité ou en partie après son retour sur Terre.
Historique Depuis le début de l'ère spatiale, les fusées mises en œuvre pour placer en orbite des engins sont perdues après leur lancement car leur récupération pour un usage ultérieur soulève de nombreux problèmes.
À la fin des années 1960, la NASA tente d'abaisser les coûts en développant un système partiellement réutilisable, la navette spatiale américaine. Mais sa complexité oblige à lui consacrer un budget encore plus important.
Par la suite de nombreuses études sont menées, en particulier aux États-Unis, autour du concept de lanceur orbital monoétage mais ces projets n'aboutissent pas car les techniques nécessaires dans des domaines clés comme la propulsion et la conception de structures légères ne sont pas disponibles.
Depuis 2016 la version réutilisable du lanceur de la société SpaceX, qui a recours à des techniques plus classiques (lanceur bi étages, atterrissage vertical, deuxième étage non récupéré), a atteint une phase opérationnelle et démontré la viabilité de la solution qui lui a permis d'abaisser de manière sensible les couts de commercialisation des lancements. Plusieurs constructeurs développent ou étudient des lanceurs reprenant son architecture technique : New Glenn, Longue Marche 8, Ariane Next, Amour, Hyperbola-2, New Line-1, Electron.
Définitions
Fonctionnement d'un lanceur non réutilisable
Un lanceur classique utilise la force brute pour décoller verticalement. Ses moteurs sont suffisamment puissants (rapport entre la poussée des moteurs et la masse du lanceur > 1) pour lui permettre de décoller verticalement sans avoir pris au préalable de vitesse horizontale à la manière d'un avion. Pour pouvoir fonctionner ses moteurs brulent des ergols qui sont stockés dans un réservoir. Contrairement à un avion, un lanceur classique puise le comburant (oxygène ou oxydant) non pas dans l'air ambiant mais dans ses réservoirs (propulsion anaérobie). Cela permet à ses moteurs-fusées de fonctionner même en l'absence d'atmosphère mais le rendement résultant (l'impulsion spécifique) est très bas si on le compare dans leurs domaines de vol respectifs aux turboréacteurs ou aux statoréacteurs. Le rapport entre la masse du propergol et la masse total du lanceur (rapport de masse) joue un rôle critique dans la capacité du lanceur à atteindre une vitesse suffisante (Équation de Tsiolkovski). Aussi pour pouvoir atteindre l'orbite le lanceur comporte plusieurs étages qui se détachent au fur et à mesure que leurs réservoirs se vident et sont détruits durant leur descente vers le sol car aucun dispositif de récupération n'est emporté.
Avantages attendus d'un lanceur réutilisable
Le coût de lancement d'un engin spatial est un frein important pour le développement de l'activité spatiale. Le prix de mise en orbite terrestre basse d'un kilogramme est compris selon les lanceurs entre quelques milliers de dollars par kilogramme (lanceurs russes) et peut aller jusqu'à par kilo pour les charges utiles de petite taille. Ces coûts sont d'abord liés aux coûts de mise au point et de fabrication du lanceur qui ne peut être utilisé qu'une seule fois : Un lanceur est un engin très complexe car il fonctionne dans des conditions limites (température, pression, vibrations) en particulier son système de propulsion qui doit délivrer des poussées énormes Le nombre de lancements, peu élevé, ne permet pas de bénéficier d'effet d'échelle à la construction : il y a environ par an répartis entre des dizaines de types de lanceur. Les lanceurs les plus réussis ne sont fabriqués qu'à quelques centaines d'exemplaires sur une période s'échelonnant sur plusieurs décennies.
Par ailleurs, un lanceur utilise des installations de lancement fixes coûteuses et les travaux de préparation avant le lancement (assemblage, tests) sont longs et sollicitent de nombreuses ressources.
Lanceur réutilisable idéal vignette|redresse=2|Schéma montrant la valeur du rapport de masse et de la masse au décollage nécessaires pour placer une charge utile de en orbite basse (delta-V de ) pour un lanceur mono-étage (SSTO représentés par un trait plein) et bi-étages (TSTO représenté par un trait en pointillé) en fonction du rendement de sa propulsion : impulsion spécifique de 350, 400 et . Pour référence, le couple LOX/LH2 a une impulsion spécifique de 435 secondes et celle du couple Kérosène/LOX est comprise entre 270 et . Les équipements et ergols nécessaires pour un retour sur Terre ne sont pas pris en compte donc ces courbes ne s'appliquent pas à un lanceur réellement réutilisable.
Le lanceur réutilisable idéal fonctionne comme un avion : il peut décoller depuis un grand nombre de bases de lancement, atteindre le plan orbital souhaité et s'insérer en orbite, larguer sa charge utile, manœuvrer de manière à quitter son orbite, dissiper l'énergie cinétique acquise et atterrir à sa base de départ puis être rapidement préparé pour un nouveau vol. Durant toute la mission, le lanceur réutilisable idéal reste intègre c'est-à-dire qu'il ne comporte pas d'étage qui se détache. Il peut voler avec une fréquence élevée et le coût du vol est compatible avec la valeur de la charge utile emportée. Si une mission est interrompue à n'importe quel moment du vol y compris dans les premières secondes du décollage le lanceur doit pouvoir revenir se poser avec sa charge utile intacte. Le lanceur décrit est un lanceur orbital monoétage.
Rapport de masse
Le principal obstacle à la réalisation du lanceur réutilisable idéal (c'est-à-dire monoétage) est la nécessité d'atteindre une masse à vide (moteurs, structure et charge utile à satelliser) suffisamment légère pour permettre l'emport de la quantité de carburant nécessaire à la mise en orbite.
S'il utilise des moteurs-fusées, le seul mode de propulsion capable de fournir des poussées importantes tout en pouvant fonctionner dans le vide (propulsion à 100 % anaérobie), la capacité d'un lanceur à placer en orbite une charge utile est déterminée par l'Équation de Tsiolkovski qui peut s'appliquer directement à un lanceur orbital monoétage :
avec : variation de vitesse entre le début et la fin de la phase propulsée ; vitesse d'éjection des gaz ; masse initiale du lanceur masse du lanceur après avoir atteint l'orbite fonction logarithme népérien.
La mise en orbite basse nécessite d'atteindre une vitesse horizontale (le delta-V de l'équation) d'environ pour une orbite circulaire à plus pour compenser les frottements de l'atmosphère et la force de la gravité durant l’ascension. La vitesse d'éjection des gaz dépend des ergols utilisés et de l'efficacité des moteurs : les deux combinaisons d'ergols les plus utilisées sont le mélange oxygène/hydrogène liquides (le plus efficace avec une vitesse d'éjection maximale de ) et le mélange kérosène/oxygène liquide (vitesse d'éjection maximale de ). Pour qu'un lanceur puisse atteindre cet objectif l'équation indique que le ratio (masse de sa structure cumulée à la charge utile rapporté à la masse totale) doit être compris entre 4 et 10 % selon le carburant employé. Pour parvenir à cet objectif, les lanceurs non réutilisables comportent plusieurs étages c'est-à-dire qu'ils larguent au fur et à mesure de leur ascension une partie de la structure rendue inutile par la consommation du carburant.
Concepts
Architectures Plusieurs solutions techniques ont été explorées.
Lanceur orbital monoétage
Le choix d'un lanceur réutilisable ne comportant qu'un seul étage (SSTO acronyme de single-stage-to-orbit) vise à tenter de reproduire le mode de fonctionnement du transport aérien et à abaisser ainsi les coûts de mise en orbite. Le lanceur décolle comme un avion depuis une piste ne nécessitant pas d'aménagements coûteux et après avoir rempli son objectif atterrit également horizontalement. L'absence d'étage implique que sa remise en condition opérationnelle n'implique aucune opération d'assemblage entre deux vols.
Un lanceur monoétage conserve tout au long du vol toute sa structure, qui représente donc une masse croissante 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-fusées aux tuyères dimensionnées différemment selon les étages. Pour parvenir à construire un lanceur monoétage, plusieurs pistes sont explorées, notamment l'allègement de la structure par le recours pour les réservoirs à des matériaux une faible densité comme des composites à base de fibres 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
Lanceur multi-étages Le défi technique que constitue la mise au point d'un lanceur orbital monoétage ont conduit les ingénieurs à concevoir dès les années 1960 des lanceurs réutilisables comportant deux étages (TSTO acronyme de two-stage-to-orbit) ou plus. Cette solution permet l'utilisation des motorisations existantes et n'imposent pas un abaissement de la masse des structures. La charge utile rapportée à la masse au lancement est fortement accrue. Les contreparties sont notamment une complexité accrue des opérations de lancement et la nécessité de développer deux véhicules.
Lanceur aéroporté Pour gagner en performance, un lanceur peut être conçu pour être tiré depuis un avion en vol. Cette solution du lanceur aéroporté est pour la première fois mise en œuvre par la fusée Pegasus. l'avion porteur atteint environ et à une altitude d'environ . À cette altitude, l'air est beaucoup moins dense. En combinant les avantages liés à sa vitesse initiale, à la réduction de la traînée liée à la plus faible densité de l'atmosphère et à l'altitude de largage (les forces de gravité agissent moins longtemps), le gain est estimé à 10 % du delta-V total nécessaire pour la satellisation en orbite basse. Cette technique permet d'abaisser le rapport de masse qui constitue une des contraintes les plus fortes pour la conception d'un lanceur orbital monoétage. Elle présente également l'avantage théorique d'assouplir les conditions de lancement. Elle contribue à alourdir le coût du lanceur et n'est concevable que pour des lanceurs de petite taille. La réutilisation est très partielle puisqu'elle ne concerne que la partie du vol prise en charge par l'avion porteur.
Décollage horizontal / vertical vignette|Décollage vertical du prototype DC-XA.
Comparé à un décollage vertical, le décollage horizontal d'un lanceur réutilisable permet théoriquement de réduire légèrement le delta-v nécessaire à la mise en orbite en limitant les pertes liées à l'action du champ gravitationnel terrestre. Cette solution présente toutefois des inconvénients importants car les surfaces portantes contribuent à accroitre le rapport de masse limitant la capacité d'emport du lanceur.
Le lancement vertical présente de son côté les inconvénients suivants :