Vue d'artiste de Themis, démonstrateur d'étage réutilisable de lanceur spatial en développement dans le cadre de la préparation des futures générations de lanceurs européens qui succéderont à l'actuelle famille Ariane 6. Ce démonstrateur sera propulsé par le moteur Prometheus. © ArianeGroup
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Themis : des réservoirs volants pour préparer l'après Ariane 6

ActualitéClassé sous :lanceur , lanceur réutilisable , accès à l'espace

SpaceX n'est pas la seule entreprise à tester des réservoirs volants pour faire avancer le développement d'un lanceur futur. ArianeWorks, qui développe un démonstrateur de premier étage réutilisable, a également choisi cette façon de travailler pour permettre à l'ESA, au Cnes et à ArianeGroup de préparer la famille de lanceurs qui succèdera à Ariane 6. Les explications de Jérôme Vila, fondateur et responsable d'ArianeWorks.

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SpaceX n'est pas la seule entreprise à tester des réservoirs volants pour faire avancer le développement d'un lanceur futur. ArianeWorks a également choisi cette façon de travailler pour permettre à l'ESA, au Cnes et à ArianeGroup d'accélérer Themis, un « démonstrateur de premier étage réutilisable, modulaire et à très bas coût, basé sur le moteur oxygène liquide-méthane Promotheus », nous explique Jérôme Vila, fondateur et responsable d'ArianeWorks.

Cela dit, cette approche de développement utilisée par ArianeWorks et SpaceX n'a évidemment pas été inventée par les équipes d'Elon Musk. Cette logique agile, entremêlant expérimentation et ingénierie de conception « était déjà mise en œuvre pour le développement des premières Ariane ».

Elle se justifie particulièrement dans les étapes de prototypage par le fait que l'on apprend plus rapidement de réalisations itératives au banc d'essai, même inabouties ou incomplètes. La conception méthodique, appliquée et méticuleuse, propre aux systèmes spatiaux intervient dans un second temps, lors du passage du prototype au produit opérationnel.

La série Themis comportera ainsi plusieurs versions d'étages et des essais qui monteront progressivement en complexité jusqu'aux vols les plus sophistiqués prévus depuis le Centre spatial guyanais. Et ils ne seront peut-être pas parfaits du premier coup. C'est ce que l'on constate avec les SN de SpaceX dont les derniers vols se sont soldés par deux crashs, mais c'est tout l'intérêt de cette philosophie qui, plutôt que d'exiger d'emblée la perfection, permet des allers-retours rapides entre les bureaux d'études des différentes disciplines (réservoir, thermique, avionique...) et les équipes d'essai qui testent les étages. Même les échecs deviennent valorisés parce qu'ils permettent de mieux voir où sont les faiblesses tandis que des réussites peuvent masquer des défauts de conception.

La structure ArianeWorks, unique en Europe, a été mise en place par le Cnes et ArianeGroup pour préparer la génération des lanceurs qui succéderont à la famille Ariane 6 en accélérant les « étapes technologiques pour y répondre ». Forte de réalisations convaincantes sur Themis depuis 2 ans, l'initiative vient d'être prolongée pour une nouvelle période de 18 mois, période à l'issue de laquelle ArianeWorks pourrait être pérennisée. Concrètement, ArianeWorks ne va pas développer un lanceur réutilisable, mais « aider à maîtriser des briques technologiques ou à développer des éléments constitutifs de la famille de lanceurs qui pourraient succéder à Ariane 6 à l'horizon 2030 ».

« Strike » est le nom de code du réservoir de Themis, le démonstrateur d’étage réutilisable développé par ArianeWorks. Haut de 30 mètres pour 3,5 mètres de diamètre et une masse de 11 tonnes à vide, Strike est une version en acier, à l’échelle 1, de la structure principale de Themis. © ArianeGroup

Avec Themis, l'ambition est de réaliser d'ici 2025 un étage bas coût réutilisable utilisant le mode « toss back ». Cette manœuvre, qu'utilise SpaceX pour récupérer l'étage principal du Falcon 9 consiste à réaliser un demi-tour, une marche arrière et un rallumage du moteur. Dans cette configuration, l'étage utilise la propulsion fusée pour fournir les impulsions permettant le retour au sol, le freinage en phase atmosphérique et l'atterrissage à la verticale. Plusieurs autres modes de récupération existent, et si ArianeWorks parie sur le « toss back », ce n'est évidemment pas pour copier SpaceX mais « simplement parce que c'est ce qui est apparu, après analyse, le mieux adapté pour nos futurs lanceurs ».

Un étage qui ne volera pas dans l'espace

Themis s'inscrit donc dans ce contexte d'acquisition de nouvelles technologies. Depuis février 2019, date du début du programme, les équipes d'ArianeWorks ont réalisé et livré en dépit de la crise de la Covid-19 un premier réservoir, actuellement en phase de test. Haut de 30 m pour 3,5 m de diamètre et une masse à vide de 11 tonnes, il « s'agit d'une version en acier, à l'échelle 1, de la structure principale de Themis qui doit voler en Guyane en 2025 ». Comme pour les premiers SN en service de SpaceX, ce réservoir de Themis ne volera pas dans l'espace mais il « possède de nombreuses fonctionnalités d'un étage de lanceur opérationnel ». Il s'agit d'un test à échelle 1 de plusieurs innovations envisagées pour Themis telles « qu'une ligne d'alimentation interne traversante ou un fond commun entre les réservoirs oxygène et méthane ».

Suivront des essais de remplissage, « des plus simples aux plus complexes » et de mise en pression avec l'objectif annoncé de « préparer l'installation à intégrer le premier moteur Prometheus dès cet été, puis de réaliser des mises à feu avant la fin 2021 ». Grâce au soutien de France Relance, il est prévu d'enchaîner à la suite avec des « tests exploratoires pour déterminer l'étendue de ses capacités autour des fonctions étage : variation du régime de poussée, dynamique de pilotage, stratégies de mise en froid... », ceci en parallèle des campagnes de validation des Prometheus suivants qui démarreront avec l'aide de l'ESA en 2022, sur les installations du centre DLR de Lampoldshausen. Ce moteur de nouvelle génération, développé par ArianeGroup, est annoncé comme 10 fois moins coûteux que le Vulcain d'Ariane 5 !

Les essais Themis auront lieu sur le site de Vernon, puis au centre spatial Esrange à Kiruna (Suède) qui accueillera les premiers « bonds » du véhicule fin 2022. Les premiers profils de vols suborbitaux sont prévus à Kourou (Guyane) entre 2023 et 2025. En parallèle, les équipes du Centre spatial guyanais ont débuté la réhabilitation du site de lancement Diamant de façon à l'adapter à Themis, Callisto ainsi qu'à de futurs petits et micro lanceurs qui n'existent pas encore sur le marché.

Pour l'heure, ArianeWorks compte un seul réservoir en phase de test mais « d'autres sont d'ores et déjà en préparation ». Chacun sera utilisé pour tester « différents paramètres de vols ou de validation technologique, comme de nouvelles idées de matériaux, des protections thermiques bas coût, ou encore l'architecture d'une baie multimoteur compacte ».

Incertitude sur l’intérêt de doter l’Europe d’un lanceur partiellement réutilisable

Il y a une différence entre acquérir et maîtriser une technologie, et en avoir l'utilité. Comme le précise ArianeGroup, l'objectif de Themis « est de démontrer les capacités technologiques de l'Europe en matière de réutilisation afin de donner aux États membres de l'ESA dès 2022, les éléments permettant de déterminer quelle sera la gamme de lanceurs la mieux adaptée aux besoins de l'Europe au-delà de 2030, en fonction des technologies disponibles, des besoins de l'Europe et de l'évolution du marché spatial mondial ».

Il faut donc que la technologie de la réutilisation soit suffisamment mature pour orienter au mieux les choix des décideurs politiques. L'Europe disposera ainsi des briques technologiques lui permettant de faire les choix stratégiques qui lui sont propres, tout en tenant compte du modèle économique qui est le sien pour les années à venir.

Le schéma économique d'Arianespace est très différent de celui de SpaceX avec peu de missions « souveraines » en comparaison des USA ou de la Chine, et pratiquement deux tiers de l'activité en compétition sur le marché commercial. La société européenne ne travaille ainsi pas sur une hypothèse de plusieurs dizaines de lancements par an comme cela est envisageable aux États-Unis, mais sur des scénarios plus modestes. La formule économique de réutilisation travaillée avec Themis tient compte de ce modèle spécifiquement européen avec une efficacité visée, même à cadence limitée.

Pour en savoir plus

ESA : feu vert pour la « phase initiale de Themis », le programme européen de lanceur réutilisable

Article de Rémy Decourt publié le 21/12/2020

En attendant de savoir si l'Europe aura besoin d'un lanceur partiellement réutilisable à l'horizon 2025-2030, l'Agence spatiale européenne et ArianeGroup ont décidé de lancer le développement d'un étage de démonstration de lanceur réutilisable. Daniel Neuenschwander, directeur du transport spatial à l'ESA, nous explique pourquoi il n'est pas certain que l'Europe se dote de ce type de lanceur, malgré l'acquisition de cette technologie.

La semaine dernière, l'ESA a signé avec ArianeGroup le lancement de la première phase du développement du démonstrateur européen de premier étage de lanceur réutilisable, Themis. Propulsé par le moteur réutilisable Prometheus, un moteur à oxygène et méthane liquides, développé par ArianeGroup depuis juin 2017, Themis permettra à l'Europe de se doter des technologies pour les lanceurs du futur, à bas coût et réutilisables.

Haut de 30 mètres pour un diamètre de 3,5 mètres, « Themis va permettre de faire progresser des technologies essentielles et de démontrer des capacités de réutilisation en Europe », considère Daniel Neuenschwander, directeur du transport spatial à l'Agence spatiale européenne.

Au-delà de la démonstration technologique, l'idée est d'évaluer plusieurs utilisations possibles de Themis. À partir de cet étage, ArianeWorks envisage de dériver une capacité réutilisable de lancement pour des expériences de microgravité ou des petits satellites. Themis pourrait aussi donner naissance à de nouveaux boosters pour augmenter la performance d'Ariane 6. À la différence des actuels boosters, les P120 qui fonctionnent avec un carburant solide, le booster Themis utiliserait du carburant liquide. Autre voie à l'étude, « adapter Themis pour remplacer l'étage principal d'Ariane 6 » avec l'objectif de rester dans une gamme de performance similaire mais avec une compétitivité renforcée. Enfin, Themis pourrait donner naissance à une nouvelle architecture de lanceur simple et sobre, couvrant un spectre large de missions avec seulement deux étages et une seule filière technologique de propulsion.

Strike, c’est le nom de code du réservoir de Themis, le démonstrateur d’étage réutilisable développé par ArianeWorks. Haut de 30 mètres pour 3,5 mètres de diamètre et une masse à vide 11 tonnes, Strike est une version en acier, à l’échelle 1, de la structure principale de Themis. © ArianeGroup

Mais, il y a une différence entre acquérir et maîtriser une technologie et en avoir l'utilité. Comme le précise ArianeGroup, l'objectif de Themis « est de démontrer les capacités technologiques de l'Europe en matière de réutilisation afin de donner aux États membres de l'ESA, dès 2022, les éléments permettant de déterminer quelle sera la gamme de lanceurs la mieux adaptée aux besoins de l'Europe au-delà de 2030, en fonction des technologies disponibles, des besoins de l'Europe et de l'évolution du marché spatial mondial ». Il faut donc que la technologie de la réutilisation soit suffisamment maturée pour orienter au mieux les choix des décideurs politiques.

Incertitude sur l’intérêt de doter l’Europe d’un lanceur partiellement réutilisable

Cela dit, avant de décider quel type de lanceur succédera à Ariane 6, il est nécessaire d'identifier les besoins à l'horizon d'une dizaine d'années de façon à voir comment y répondre en passant en revue une multitude de solutions de transport spatial. La réutilisation est l'une d'entre elles. Or, elle se justifie seulement avec une cadence de lancement élevée. Les prévisions du nombre de satellites à lancer chaque année sont donc déterminantes dans le choix de l'architecture du futur lanceur européen.

Les études les plus récentes font ressortir une moyenne de quatre à cinq missions institutionnelles européennes par an de 2020 à 2030 pour Ariane 6, auxquelles s'ajoutent de deux à quatre lancements doubles commerciaux. L'explosion de l'offre de service de lancement sur les marchés ouverts à la concurrence explique ce faible nombre de missions commerciales. Si ces prévisions devaient se confirmer, il n'est pas certain que cette petite dizaine de lancements attendus soit suffisante pour couvrir les coûts de développement de la réutilisabilité, amortir les coûts d'utilisation du lanceur ainsi que les coûts fixes d'ArianeGroup. À cette contrainte s'ajoute aussi une diminution constante du prix au kilogramme mis en orbite depuis l'arrivée de SpaceX.

Quelques concepts de lanceurs du futur imaginés par les bureaux d'études de l'ESA, du Cnes et du DLR. © ESA, C. Vijoux

La parole à Daniel Neuenschwander, directeur du transport spatial à l'Agence spatiale européenne :

Futura : L'ESA est-elle convaincue que la famille de lanceurs qui succédera à Ariane 6 (ou une évolution de l'actuelle famille AR6) sera partiellement réutilisable ou est-elle encore dans une phase de réflexion ?

Daniel Neuenschwander : La réutilisation opérationnelle va de pair avec un objectif de cadence de lancement très élevée (plusieurs dizaines de tirs par an), en réponse donc à une demande bien plus large que ce qui est le marché institutionnel européen ou le marché commercial accessible aujourd'hui. Sur un plan technologique, il est nécessaire de préparer dès à présent les lanceurs qui remplaceront Ariane 6 et Vega C en démontrant les technologies européennes de réutilisation. La matérialisation des constellations pourrait nécessiter des dizaines de lancements annuels.  

Futura : Dans ce contexte d'incertitude, quel est l'intérêt ou l'utilité de Themis ?

Daniel Neuenschwander : Cette phase initiale de Themis prépare la démonstration en vol à partir de 2023 d'un premier étage européen réutilisable. L'Europe disposera ainsi des briques technologiques lui permettant de faire les choix stratégiques qui lui sont propres, tout en tenant compte du modèle économique qui est le sien pour les années à venir.

Futura : Si l'ESA décide de construire un premier étage réutilisable de lanceur, la méthode toss back, qu'utilise SpaceX pour récupérer l'étage principal du Falcon 9, sera-t-elle choisie ?

Daniel Neuenschwander : La réutilisation des premiers étages par atterrissage rétropropulsé n'est pas la seule voie, en particulier la phase finale, où les solutions de pilotage aérodynamique en phase atmosphérique peuvent être différentes. D'autre part, nous devons tabler sur nos points forts, mettre à profit nos acquis et établir nos propres choix.

Futura : C'est-à-dire ?

Daniel Neuenschwander : Le démonstrateur Themis doit permettre d'expérimenter toutes les briques technologiques permettant la réutilisation d'un étage principal complet. Nous tiendrons également compte de nos points forts. Par exemple, en Europe nous sommes en tête quant à certaines méthodes industrielles de fabrication, notamment la fabrication additive ou la robotisation industrielle et les startups spatiales états-uniennes se fournissent chez ces champions industriels européens.

Futura : Les choix technologiques dans la réalisation d'un futur étage opérationnel réutilisable sont-ils figés et Themis va-t-il les valider et les « dérisquer » ?

Daniel Neuenschwander : Themis est un démonstrateur système véhicule et technologique. Comme il se doit avec toute démonstration, l'objectif est d'adapter les méthodes et les technologies (propulsion, protection thermique, matériaux, avionique, etc.) en fonction des résultats des essais des différents véhicules. Dans ce sens, au-delà de Themis, l'Europe compte également divers démonstrateurs précurseurs à échelle réduite qui complètent ces briques technologiques.

Avec Themis, nous allons certes développer des technologies qui seront mises en œuvre dans les lanceurs des prochaines décennies mais tous les choix ne sont pas figés. Themis cherche à explorer le sujet de réutilisation de manière incrémentale par des séries d'essais très réguliers. Le but est d'avancer de manière agile, en maîtrisant les risques à chaque étape, mais en acceptant aussi l'éventualité d'anomalies pendant les essais. L'originalité de Themis est liée ainsi à sa volonté d'obtenir des résultats expérimentaux le plus tôt et le plus régulièrement possible, pour créer des sources d'amélioration en mode continu.

Futura : Themis est un démonstrateur de premier étage de lanceur réutilisable. Mais, à plus long terme, l'ESA envisage-t-elle de développer un étage supérieur récupérable (l'étage qui va réellement dans l'espace) ?

Daniel Neuenschwander : Comme indiqué ci-dessus, le choix du principe de base opérationnel du lanceur sera propre à l'Europe, tenant compte de la demande à servir. Dans ce sens, toutes les options sont à explorer. Ceci dit, je tiens à rappeler que si on se réfère à la réutilisation de moyens de transport spatiaux qui vont donc réellement dans l'espace, l'ESA se dote déjà d'un système de transport automatisé et réutilisable avec le Space Rider, dont le contrat de développement a été signé en vue de son premier vol en 2023. Ce véhicule donnera à l'Europe une capacité indépendante d'accès régulier à l'orbite terrestre basse et de retour sur terre au moyen d'un système réutilisable (jusqu'à cinq réutilisations).

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