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Et pourquoi pas une fusée spatiale à turboréacteur ? Enfin, du moins son premier étage !

Etat des lieux

Le monde des lanceurs spatiaux est en pleine mutation, de part deux facteurs importants :
   - l’arrivée des entreprises privées dans ce secteur de pointe ;
   - les besoins en termes de lancement de petits satellites, voire de nano-satellites.

De ce fait, outre les SpaceX et Blue Origin avec leurs lanceurs lourds, les projets de nanolanceurs pullulent également actuellement, et deux principales configurations sont, en général, explorées :
   - le lanceur classique (décollage vertical du sol) ;
   - le lanceur aéroporté (petit lanceur embarqué dans un aéronef, soit gros porteur, soit avion de combat, soit avion autonome), comme l’illustre par exemple de démonstrateur français EOLE.

D’autres alternatives sont également souvent évoquées, comme le lanceur sous ballon sonde.

Contexte technique

Les lanceurs classiques actuels utilisent les principes suivants :
   - ils décollent de manière verticale, à partir du sol ;
   - ils utilisent le principe d’étagement, qui consiste à se libérer du poids inutile pendant le vol (notamment les réservoirs d’ergol) et à adapter les moteurs à l’environnement ;
   - chaque étage est équipé de moteurs de fusées.

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Largage des 1er et 2e étages
(simulation personnelle)

 

Ainsi, une fois les réservoirs de chaque étage vidés, l’étage est largué, et le lanceur est allégé. Ce concept permet d’optimiser les caractéristiques des lanceurs, car le gain en vitesse de chaque phase dépend notamment de la masse initiale et de la masse finale, et rabaisser la masse initiale à chaque phase permet d’augmenter ce gain en vitesse.

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Etagement du lanceur Saturn V

Si, depuis 1957, ces principes sont inlassablement utilisés avec quelques variantes (comme la récupération du premier étage, par la société SpaceX), ils représentent 2 inconvénients majeurs :

a. Une énergie folle est dépensée à sortir de l’atmosphère

L’air est précieux en aéronautique, mais problématique en astronautique.
Ainsi, les fusées dépensent une énergie folle à sortir de l’atmosphère, à des vitesses stratosphériques, afin de gagner déjà un maximum de vitesse, alors que leur accélération est freinée de manière très importante par leur trainée.

C’est comme si un être humain devait se rendre à un point précis en pleine vitesse (30 km/h), en démarrant à l’intérieur de l’eau de la mer d’une plage en ayant pied, et qu’il se mette à dépenser toute son énergie à courir dans l’eau pour en sortir ; au lieu de sortir tranquillement de l’eau, puis de courir une fois sorti de l’eau pour atteindre sa vitesse maximale.

b. Les moteurs de fusées sont les moteurs du monde de l’aérospatial les moins efficaces

La performance d’un moteur est mesurée à travers un indice qu’on appel ISP (en secondes), et qui permet notamment de calculer le gain de vitesse, par rapport à une consommation relative d’un engin aérospatial (masse initiale divisée par sa masse finale).

Ainsi, et comme le montre le schéma suivant, les moteurs de fusées sont les moins performants, alors que les turboréacteurs sont les plus performants.

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Efficacité des moteurs

 

 

Proposition de configuration

Fort de ces constats, une solution consisterait à équiper le premier étage d’un lanceur classique (décollage du sol, à la verticale) exclusivement de turboréacteurs.

En effet, ne serait-il pas judicieux de concevoir un lanceur classique, ayant les caractéristiques suivantes :
   - premier étage exclusivement équipé de moteurs de turboréacteurs, et chargé d’apporter une énergie potentielle au lanceur (altitude) et non pas une énergie potentielle et cinétique (vitesse), jusqu’à une vingtaine de kilomètre ;
   - premier étage en capacité de revenir sur terre (après séparation), et de se poser à la verticale. On serait donc en présence d’un lanceur VTVL (lanceur Vertical Takeoff, Vertical Landing), donc partiellement réutilisable ;
   - deuxième et autres étages classiques, équipés de moteurs de fusées, démarrant à une haute altitude et donc à une atmosphère suffisamment élevée pour optimiser le rendement.

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Une configuration de 1er étage à turbomachines

On aurait alors les différentes phases de vol :
   - pleine puissance commandée aux réacteurs du premier étage ;
   - prise d’altitude en subsonique ;
   - séparation du 1er étage à une vingtaine de kilomètres d’altitude ;
   - retour contrôlé par les réacteurs ;
   - atterrissage en douceur au point d’envol.

 

Idées de dimensionnement

A quels ordres de grandeurs faut-il s’attendre avec une telle configuration ?

a. mini fusée

Les grands esprits se rencontrant (^_^), une entité a eu cette idée pour des mini-fusées, et a montré qu’une fusée conventionnelle (propulsion poudre) de 19 kg accélérait la fusée à 377 m/s, tandis qu’une mini-fusée à turboréacteur de 8 kg propulsait la fusée à 16.2 km d'altitude.

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Comparaison de performances poudre/réacteur

Que peut-on déduire de ces éléments ?
   - La configuration classique apporte une énergie cinétique d’environ 1.35 MJoules, c'est-à-dire, 71 KJ/Kilogramme de fusée ;
   - la configuration proposée apporte une énergie potentielle d’environ 1.3 MJoules, c'est-à-dire, 163 KJ/Kilogramme de fusée.

Si l’on considère l’énergie mécanique totale, on reste dans ces ordres de grandeurs. Cela montre bien qu’un lanceur à haute vitesse en atmosphère se montre moins efficace que la configuration ci-présente.

b. nanolanceurs

Qu’en est-il d’un système de lancement de nano-satellites ?

Il existe des turboréacteurs, d’avions privés, ayant les caractéristiques suivantes (exemple du P&W série 5), ce qui donne un rapport poids/puissance fort intéressant :
- masse : 0.380 T ;
- poussée : 2.25 T.

Quelles sont les performances que l’on peut attendre d’un tel premier étage, équipés de 6 moteurs :
   - poussée du premier étage (niveau de la mer) : 13.5 T ;
   - masse du premier étage au décollage : 4 T (environ) :
      - masse structure : 3 T (environ) ;
      - masse carburant : 1 T (environ), l’indice de consommation moteur étant de 0.44, une telle masse permet un vol d’environ 12 minutes ;
   - masse du lanceur au décollage : 1er étage (4T) + Nanolanceur (4T) = 8 T (environ) ;
      - masse du premier étage à vide : 1.9 T ;
      - carburant nécessaire pour la mission : 0. 1 T.

Ainsi, un premier étage équipé de 6 petits réacteurs P&W série 5 serait capable de placer un nanolanceur de 4 tonnes à une altitude d’environ 15 kilomètres, afin de lui permettre de continuer sa mission, et en toute sécurité, étant donnée qu’aucune intervention humaine n’est nécessaire.

 

Conclusion

Cette configuration propose une alternative aux lanceurs classiques ainsi qu’aux lanceurs aéroportés (reprenant certains avantages de ce concept, mais dont la partie aéronef est plus complexe que ce simple premier étage) qui mériterait probablement une certaine investigation dans le cadre de fusées sondes, ou de nanolaneurs.

 

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