Essai d'une maquette d'Ariane 6, la version à quatre boosters (Ariane 64) dans une des souffleries de l'Onera. © Airbus Safran Launchers, Onera

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Ariane 6 : son comportement en vol à l'étude

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Ariane 6, le futur lanceur de l'ESA, est en cours de conception. Par rapport à Ariane 5, il peut paraître modeste mais sa réalisation est pourtant complexe, comme nous l'explique, Gérard Ordonneau, chargé des affaires lanceurs à l'Onera, l'organisme français de recherche spatial qui travaille sur le sujet depuis les fusées Diamant.

Avec le récent feu vert du Conseil de l'Agence spatiale européenne à la poursuite du développement d'Ariane 6, dont le premier vol est attendu en 2020, ce futur lanceur européen se précise. Spécifique, il est avant tout conçu pour offrir des coûts de construction et d'exploitation inférieurs à ceux d'Ariane 5.

Pour tenir cet objectif financier, sans nuire à la fiabilité, il reprendra de nombreuses technologies développées pour Ariane 5. Ariane 6 utilisera également des outils spécifiques à ce lanceur qui vient de réussir son soixante-quatorzième succès d'affilée, égalisant ainsi le record établi par Ariane 4 en 2003.

La version à quatre boosters d'Ariane 6. Capable d'emporter deux satellites, elle se destine aux marchés commerciaux ouverts à la concurrence. © Airbus Safran Launchers 2016, Esa, D. Ducros

Bruit et vibrations au menu des recherches de l'Onera sur Ariane 6

Ce sera le lanceur de la filière Ariane le moins innovant. Même s'il est souvent présenté comme un lanceur low cost, Ariane 6 fera appel à de nouvelles technologies, comme l'utilisation d'un détonateur opto-pyrotechnique, une fabrication additive (ou impression 3D), le soudage par friction-malaxage, ainsi qu'une avionique revue.

L'Onera (Office national d'études et de recherches aérospatiales), qui travaille depuis le début sur la filière Ariane, apportera son savoir-faire dans la « compréhension des phénomènes complexes en propulsion solide et liquide, en aérodynamique, en aérothermique, en acoustique et en mécanique du vol », nous explique Gérard Ordonneau, chargé des affaires lanceurs dans cet organisme de recherche.

Concrètement, l'Onera va se focaliser « sur la compréhension de phénomènes complexes induits par l'utilisation de deux types de propulsion, solide et liquide ». Dans le cas de la propulsion liquide (ergols cryogéniques), l'Onera aborde quatre thèmes :

  • Le transfert thermique dans la chambre à combustion, qui « joue un rôle majeur pour les performances et la bonne santé du moteur » ;
  • Le contrôle des instabilités à haute fréquence, un « enjeu majeur depuis le début de la filière Ariane. Le premier échec d'Ariane était dû à ces instabilités de combustion » ;
  • L'aérodynamique interne des tuyères pour le fonctionnement en régime décollé qui sont susceptibles de générer ce que l'on nomme des charges latérales, « c'est-à-dire que le moteur subit d'importantes fluctuations dans un axe perpendiculaire à celui du lanceur, ce qui impacte les organes de pilotage du lanceur ou le lanceur dans son ensemble » ;
  • La fiabilité du moteur Vinci de l'étage supérieur d'Ariane 6, qui « sera réallumable en fonction des besoins de la mission et de sa désorbitation ».

Les boosters d'appoint d'Ariane 6 (les P120, qu'utilisera également le lanceur Vega C), deux ou quatre selon la version, « utiliseront des moteurs à poudre qui, compte tenu de leurs dimensions, peuvent faire l'objet d'oscillations de pression, qui génèrent des oscillations de poussée ». L'Onera cherche à les réduire et à contrôler le phénomène. Pour cela, ses travaux concernent « l'instabilité thermo-acoustique c'est-à-dire le couplage avec la propulsion de ce propergol solide avec les modes acoustiques présents dans ce type de moteur ».

Le problème est critique au moment du décollage, notamment lors de la mise à feu de ces boosters, qui « générent une onde de souffle puis un bruit de jet très perturbateurs pour les satellites à bord du lanceur ». Au niveau de la coiffe, le bruit peut encore atteindre environ 160 décibels, un niveau très important, au-delà du seuil de la douleur. Physiquement, ce sont des fluctuations de pression qui peuvent être dommageables. « Les satellites subissent des vibrations qui sont susceptibles d'endommager les éléments les plus fragiles comme les antennes ou les panneaux solaires. »

Test en soufflerie de la configuration aérodynamique de la version à deux boosters d'Ariane 6 (62). Cette version sera destinée aux satellites institutionnels, essentiellement européens. © Airbus Safran Launchers, Onera

Les mouvements complexes des ergols

Des études sont également réalisées pour « améliorer la connaissance du comportement des ergols dans les réservoirs ». C'est notamment le cas des ballottements d'ergols. « Quand le niveau baisse, selon les sollicitations, ils se déplacent suivant des directions perpendiculaires à l'axe du lanceur et sont donc susceptibles de perturber le pilote automatique. » L'Onera devrait travailler prochainement à l'amélioration des modélisations de ce phénomène.

En dehors de la propulsion (90 % de la masse du lanceur tout de même), l'Onera traite également des problématiques liées à l'environnement du lanceur, foudre sur le pas de tir, onde de souffle, rejets chimiques, etc. et « appuie le Cnes dans la définition du pas de tir d'Ariane 6 ».

Enfin, et c'est peut-être l'activité la plus connue de l'Onera, « comme toutes les autres Ariane, Ariane 6 est passée en souffleries à Chalais-Meudon et au centre de Modane-Avrieux ». Ces essais avaient surtout pour objectif de « conforter les premières études de configuration du lanceur et de valider les études d'ambiance, d'effets et d'impacts des jets au culot du lanceur ». En raison de la configuration du lanceur, selon qu'il s'agit de la version à deux ou quatre propulseurs d'appoint, « on s'attend à la formation d'un jet qui, en fonction de la trajectoire, va générer des phénomènes aérodynamiques et aérothermiques assez complexes à l'arrière du lanceur ».

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