Pegasus XL : lancement de satellites depuis un avion

Le 15 décembre 2016, la NASA a procédé au lancement d’une constellation de huit satellites destinée à améliorer notre connaissance des ouragans. La particularité de ce lancement : la fusée n’est pas partie du sol, mais d’un avion volant à une altitude de 39000 pieds (environ 12km). Cette fusée est beaucoup plus petite que les lanceurs habituellement utilisés, et pourrait modifier l’approche qu’ont les agences spatiales des mises en orbite de satellites.

La propulsion chimique au maximum de ses capacités

Il est aujourd’hui plus ou moins admis que les technologies utilisées pour le décollage des fusées sont proches du maximum de leurs capacités. Depuis les débuts de l’exploration spatiale, les lanceurs utilisent des moyens de propulsions chimiques car il s’agit à l’heure actuelle du seul moyen de contrer efficacement la gravité terrestre pour des masses importantes. Une fois dans l’espace, d’autres moyens de propulsions peuvent être utilisés, mais ces moyens sont inefficaces sur Terre.

Cette technologie présente de nombreux avantages, et est particulièrement bien maîtrisée puisqu’elle est utilisée depuis les moteurs des missiles V2, utilisés lors de la seconde guerre mondiale, qui ont ensuite servis de premiers lanceurs spatiaux. Cependant, au-delà de ses avantages, la propulsion chimique pose un énorme problème : les besoins en carburants sont colossaux. Pour donner l’impulsion nécessaire à une certaine masse, il faut une certaine quantité de carburant. Mais ce carburant n’est pas instantanément consommé au décollage, il faut donc prévoir de le faire décoller, ce qui nécessite donc plus de carburant, qu’il faut à nouveau propulser… Au final, la quantité de carburant nécessaire au décollage d’une fusée est problématique. Dans le cas d’Ariane 5 par exemple, la fusée a une masse de 750 tonnes au décollage. Au total, entre le propergol solide et l’ergol liquide, la masse du carburant est de 700 tonnes. Et Ariane 5 est en mesure d’emporter une charge utile de 10 tonnes. Un bien maigre ratio.

Decollage
Décollage d’Ariane 5 le 25 juillet 2013 depuis la base de Kourou en Guyane Française. Crédits : ESA/CNES/ARIANESPACE-Optique Photo Video du CSG, 2013

On commence à atteindre les limites technologiques de la propulsion chimique. A l’heure actuelle, les premières estimations pour un voyage vers Mars tablent sur un besoin situé entre 5 et 8 lancements par une fusée Saturn-V, ce qui est inenvisageable. Cette fusée, la plus puissante jamais construite, a permis d’envoyer des hommes sur la Lune à bord du module Apollo. Mais le dernier lancement de Saturn V remonte à 1973, pour la mise en orbite de Skylab 1, première station spatiale américaine. Il est donc impossible de réutiliser ce lanceur, qui reste quoi qu’il arrive insuffisant La NASA est donc en train de développer un nouveau lanceur, le Space Launch System (SLS), pour retrouver une capacité de lancement importante. Suivant les versions du SLS, le lanceur pourrait mettre en orbite jusqu’à 130 tonnes de charges utiles.

Un lanceur de taille plus modeste

Pegasus
Fusée Pegasus XL lors de son transport de l’entrepot vers l’avion sur lequel elle a ensuite été installée. Crédits : NASA/Randy Beaudoin

Cependant, aucun satellite ne pèse pour l’instant autant que cela. Une charge utile de 10 tonnes permet par exemple d’envoyer 4 satellites Galileo (décollage d’Ariane 5 du 17 novembre 2016). Chaque satellite Galileo pèse 730 kg : dans ce cas, c’est la limitation de volume que peut embarquer Ariane 5 qui restreint l’envoi de plus de satellites. Dans le cas de satellites plus petits et plus légers, on peut alors s’interroger sur la pertinence d’un tel lanceur pour les propulser. Serait-il possible de mettre un petit satellite en orbite en utilisant un moyen moins gourmand en carburant ? La réponse est oui, et la NASA en a à nouveau fait démonstration jeudi 15 décembre 2016, en utilisant une fusée Pegasus XL, lancée depuis un avion.

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Premier microsatellite CYGNSS déployé. Crédits : Southwest Research Institute

La fusée est de dimensions bien plus modestes que des lanceurs comme Ariane 5 : elle mesure environ 17 mètres de longs pour un peu plus de 1,5 mètre de diamètre. Elle pèse 23 tonnes au moment du lancement, et peut emporter 443kg de charge utile. Elle n’est donc pas adaptée pour des satellites comme ceux de la mission européenne Galileo, mais peut malgré tout répondre à bien d’autres besoins. C’est le cas des satellites de la mission CYGNSS : chaque satellite mesure 51 cm sur 64 cm sur 28 cm et pèse 29kg. Compte tenu de leur taille, il a été possible d’assembler 8 satellites sur une structure qui a pu être placée au sein de la fusée Pegasus.

 

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Structure sur laquelle sont montés la constellation de 8 satellites CYGNSS. Crédits : NASA/Randy Beaudoin

Un lanceur qui a fait ses preuves

Ce n’est pas la première fois qu’un tel moyen de lancement est utilisé : le premier lancement d’une fusée Pegasus remonte à 1990. Depuis, c’est 40 lancements qui ont eu lieu, dont 35 se sont déroulés sans le moindre accroc. Un score loin d’égaler le record détenu par Ariane 5 de 76 lancements réussis à la suite, mais qui montre malgré tout le potentiel de la fusée. Et une telle solution permet de drastiquement réduire les coûts de lancement. Par exemple, une fusée Ariane 5 coûte 220 millions de dollars environ, là où une fusée Pegasus coûte un peu plus de 11 millions de dollars (coûts estimés grossièrement, voir note explicative en fin d’article).

Une des particularités de la fusée Pegasus est qu’elle n’est pas lancée depuis le sol. En effet, étant donné sa taille modeste, la fusée est placée sous un avion, un Stargazer L-1011. Ce dernier est en mesure de décoller et d’aller à une altitude de 39000 pieds (environ 12km). A cette altitude, une mise en orbite est moins gourmande en carburant que depuis le sol. Une fois dans la (très courte) fenêtre de tir, la fusée est lâchée de l’avion. Après une chute libre de 5 secondes, le premier moteur s’allume, la fusée accélère et monte rapidement vers son orbite cible. Dans le cas du lancement des satellites CYGNSS, le dernier étage de la fusée a atteint une altitude de plus de 500 km et une vitesse de 7km/s.

Une réduction des coûts pour permettre l’aboutissement de nouveaux programmes spatiaux

Face à une telle réduction des coûts, il est aisé de comprendre l’intérêt d’une telle méthode de lancement. De plus, les performances du lanceur Pegasus permettent de mettre en orbite basse des petits satellites. Pour les mises en orbite à de plus hautes orbites, il faut toujours reposer sur des plus gros lanceurs. Mais pour plusieurs études terrestres, comme l’étude des ouragans, les satellites doivent être en orbite basse. Et les agences spatiales s’intéressent de plus en plus aux satellites de dimensions réduites.

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Fusée Ariane 5 sur le pas de tir le 29 juillet 2014. Crédits : ESA–S. Corvaja, 2014

Par exemple, les cubesats semblent intéresser de plus en plus les agences. Les cubesats sont des satellites aux dimensions très réduites : cubes de 10 cm de côté soit un volume d’un litre, et de poids entre 1kg et 10kg. Il s’agit d’un format de satellites souvent utilisé par les étudiants travaillant sur des projets spatiaux. Mais ils pourraient en réalité avoir un rôle de plus en plus important : leur taille réduite leur permet d’être monté sur des lanceurs comme Pegasus, et la miniaturisation de plus en plus efficace permet d’envisager des performances toujours plus importantes pour les cubesats. Sans bouleverser le domaine de la recherche spatiale, cela pourrait permettre l’aboutissement de programmes aujourd’hui impossibles pour des raisons budgétaires.

Note relative aux coûts de lancement

Il est assez compliqué d’estimer le coût de lancement d’une fusée pour plusieurs raisons. Tout d’abord, les prix dépendent évidemment de la mission et de la charge embarquée. Et il est assez difficile de savoir ce qui est inclus dans le prix indiqué : le lancement d’une fusée Ariane 5 par exemple comprend le transport de la fusée, l’assemblage, l’ajout des satellites, l’installation sur le pas de tir, la logistique associée, le système de pistage de la fusée après décollage, etc. et l’on ne sait pas si ces coûts sont inclus ou non dans les 220 millions de dollars. Dans le cas de Pegasus, il y a l’installation des satellites, le coût relatif à l’avion qui sert à lancer la fusée. Ces coûts sont donc donnés à titre indicatif, et permettent de bien prendre conscience de l’écart de prix entre ces deux types de lanceurs, mais sont à prendre avec du recul.

Crédits de l’image de couverture : NASA/Lori Losey

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