Les deux éléments du sous-système GNC (Guidage, Navigation and Control) qui assure le contrôle du vol à l'aide du RCS (en haut à gauche, Reaction Control System) et des volets de gouverne (en haut à droite, Flap Control System). © Esa/Thales Alenia Space

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IXV : comment piloter un engin hypersonique dans l'atmosphère

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Demain, l'Esa lancera son IXV, un moment à suivre en direct sur Futura-Sciences. Cet engin a comme principale caractéristique d'être manœuvrable, condition première pour démontrer la maîtrise d'une rentrée atmosphérique contrôlée. Pour cela, il est doté de quatre petits moteurs et de deux volets de gouverne. Éric Gendre, responsable des activités AIT Propulsion (Assemblage, Intégration, Tests) chez Thales Alenia Space, nous détaille ce système de pilotage qui doit fonctionner en mode hypersonique. 

D'un point de vue technique, l'élément le plus complexe du véhicule de rentrée atmosphérique IXV est le sous-système GNC (Guidage, Navigation and Control), qui assure le contrôle du vol. Ce GNC est composé d'un RCS (Reaction Control System) qui utilise quatre moteurs de contrôle d'attitude et de deux gouvernes aérodynamiques utilisées pour la phase dite aérodynamique. C'est d'ailleurs toute la raison d'être de ce démonstrateur qui vise la maîtrise de la rentrée atmosphérique contrôlée à la différence d'une capsule dont le point d'atterrissage est à peu près celui du point d'entrée.

Ce RCS sera utilisé « lors de la phase balistique en mode continu et en mode pulsé avec les deux volets [des gouvernes qui permettent le contrôle du vol dans l'atmosphère, NDLR] lors de la phase de ré-entrée atmosphérique », nous explique Éric Gendre, responsable des activités AIT (Assemblage, Intégration, Tests) Propulsion chez Thales Alenia Space.

Ce RCS se compose de quatre propulseurs de 400 newtons de poussée. Ils sont situés à l'arrière de l'engin et répartis de façon homogène au-dessus des deux volets de gouverne. Seuls les divergents sont visibles et ont une position fixe. Néanmoins, il sera « possible de manœuvrer le véhicule tout simplement en jouant avec la fréquence et le nombre de moteurs activés ». Ainsi, avec un moteur en activité, le véhicule partira sur la gauche ou la droite et, si deux moteurs sont utilisés, l'IXV tournera. « C'est le principe de manœuvrabilité habituel des satellites dans l'espace sauf qu'il s'agit là d'une phase balistique. »

La protection thermique et les deux gouvernes aérodynamiques du véhicule de rentrée atmosphérique. © Esa, Cnes, Arianespace, CSG

Des moteurs d’Ariane 5 pour propulser l’IXV

Ces moteurs n'ont pas été conçus spécifiquement pour ce démonstrateur. Ils sont même « utilisés pour ainsi dire tous les jours » ! En effet, ce sont les petits moteurs d'appoint situés sur les étages d'accélération à poudre (EAP) d'Ariane 5, plus communément appelés boosters. Ils « permettent d'éloigner ces boosters du lanceur à la fin de leur utilisation », une minute après le lancement. Pour sécuriser cette phase, « ces petits moteurs sont utilisés en complément de la pyrotechnique de façon à éloigner les EAP du lanceur qui, lui, poursuit sa montée ».

Sur l'IXV, leur rôle est prépondérant « car ils vont garantir la manœuvrabilité de l'engin pendant toute la phase balistique après la séparation du dernier étage de Vega ». Ils entreront en action dès la séparation entre le dernier étage de Vega et l'IXV « à environ 300 kilomètres d'altitude ». Le véhicule volera alors à près de 26.000 km/h en phase balistique, « une vitesse née de l'impulsion initiée par le lanceur ».

Ces moteurs sont pilotés par un logiciel qui commande également les deux volets de gouverne. Les moteurs ont deux modes de fonctionnement, « un mode continu et un mode pulsé ». Le premier consiste « à les démarrer et à les laisser pousser durant plusieurs minutes pour donner à l'engin la bonne vitesse, et, éventuellement, à corriger les défauts de positionnement ». Quant au mode pulsé, il « sert au contrôle d'attitude dans la phase orbitale, pendant la trajectoire post-séparation jusqu'au début de la rentrée atmosphérique ». Lors de la rentrée, ce sont les deux volets de gouverne (ou flaps, de leur nom anglais) qui sont utilisés. En cas de mauvais fonctionnement ou de panne des volets, « il y a possibilité d'utiliser les moteurs dans un mode pulsé dégradé ». Il est également prévu que le véhicule fonctionne sans propulsion. Dans ce mode dégradé général, le « système de contrôle est susceptible de pouvoir faire amerrir l'IXV sans la propulsion ».

Deux des quatre moteurs du véhicule de rentrée atmosphérique. © Esa, S. Corvaja

L'hydrazine : un carburant usuel mais dangereux

Pour fonctionner, le RCS embarque 28 kilogrammes d'hydrazine (N2H4), le monergol le plus couramment employé (« c'est le carburant usuel des satellites en orbite basse »). Ils sont logés dans un réservoir situé à l'intérieur du démonstrateur. « Comme la puissance des moteurs, cette quantité de propergol est surdimensionnée par rapport au besoin de la mission. » Compte tenu de sa très grande dangerosité pour la santé humaine, il sera « nécessaire de pratiquer la passivation du démonstrateur dès qu'il aura été récupéré après son amerrissage ». Cette procédure consiste à vidanger le RCS des restes de l'hydrazine. Si la mission se passe bien, « on estime à environ deux kilogrammes la quantité restante de ce propergol liquide ». Le RCS contient quatre pyrovalves spécifiques, qui seront notamment utilisées en fin de mission, quelques secondes avant l'amerrissage, « pour purger et sécuriser la récupération de l'engin ». Il embarque également des capteurs de pression et de température, des paramètres suivis durant toute la mission afin de surveiller le bon fonctionnement du système de propulsion.

Enfin, comme tout est automatique, « nous n'aurons pas la possibilité de reprendre le contrôle de l'engin quelle que soit la situation ». Dès la séparation avec le lanceur Vega, l'IXV va suivre une « trajectoire prédéfinie avec une très bonne précision ». Seule incertitude, la précision de son amerrissage. À la fin de la descente, l'IXV ne sera plus dans une phase contrôlée. Il terminera les derniers kilomètres de son vol en utilisant un seul parachute« testé en grandeur nature en juillet 2013 depuis la base militaire italienne de Salto di Quirra, en Sardaigne ». L'engin, donc, effectuera un amerrissage et sera soumis aux conditions météorologiques« Il devrait atterrir à l'intérieur d'une ellipse large de 7 kilomètres et longue de 20 km. »

Dans le cas d'une rentrée qui se passerait mal avec un IXV hors de contrôle sans aucun systèmes en état de fonctionnement, « la probabilité qu'il arrive intègre est quasi nulle ». La phase à risque sera celle précédant l'ouverture du parachute quand l'engin va rentrer dans l'atmosphère à près de 7,5 kilomètres par seconde, « une vitesse représentative d'un retour d'une mission d'orbite basse ». Les effets aérodynamiques et aérothermiques seront alors très importants. Si le véhicule n'est pas dans la bonne position, « c'est-à-dire sur le ventre là où se trouve la protection thermique de l'engin », il va chauffer et se désintégrer totalement.

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Un programme suivi pas à pas par Futura-Sciences

Le lancement d'un démonstrateur de rentrée atmosphérique par l'Esa, le 11 février 2015, est le point d'orgue d'un long programme, que Futura-Sciences suit depuis ses débuts.

Retrouvez ici les principaux articles que nous avons consacrés à l'IXV pour mieux comprendre les enjeux et les difficultés de la réalisation de cet engin ambitieux qui servira à maîtriser le retour contrôlé depuis l'espace.

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Fort des succès sans précédent de la sonde Huygens, grande première mondiale qui s’est posée sur Titan, des observatoires spatiaux Herschel et Planck, des 25 radiotélescopes européens Alma au Chili, Thales Alenia Space vise la Planète rouge avec Exomars et la matière noire avec Euclid.

Après avoir fourni la moitié des modules pressurisés de l’ISS, ainsi que les modules cargos de ses vaisseaux ravitailleurs (ATV, Cygnus), Thales Alenia Space s’attaque à la rentrée atmosphérique avec le IXV, un véhicule expérimental qui préfigure les vols habités de demain.