Le lancement aéroporté pour les curieux – Partie 1

Ce texte est le premier d’une série de trois articles consacrés au lancement aéroporté où l’on abordera tour à tour ce qu’est le lancement aéroporté, quels sont les concepts étudiés, quels sont les projets opérationnels et ce qui est fait dans le cadre du projet PERSEUS.

Pour débuter, nous allons aborder le principe du lancement aéroporté puis nous évoquerons quelques concepts de véhicules de ce type, étudiés ces dernières années.Lancement Aéro-quoi ?

Le lancement aéroporté consiste à placer un lanceur sous un avion porteur et à le larguer à haute altitude au lieu de le faire décoller du sol. Bien entendu cela ne peut s’appliquer qu’à une classe de petits lanceurs: il n’est pas question de placer l’équivalent d’une Ariane 5 sous un avion !

Pourquoi le faire ?

A mission et charge utile équivalentes un lanceur aéroporté sera 20 à 40 % plus petit qu’un lanceur partant du sol. En effet, à partir du sol un lanceur doit traverser les couches denses de l’atmosphère: elles génèrent beaucoup de trainée aérodynamique et donc beaucoup de perte. Aussi, un objet plus petit et plus léger aura, en théorie, un coût récurrent plus faible qu’un gros lanceur; il sera également plus facile à mettre en œuvre et demandera une logistique plus simple.

Coté logistique la mise en œuvre pourra se faire sans infrastructure lourde, sur des aérodrome préparés, plusieurs points de lancement seront donc possibles en fonction des orbites visées; le lancement sera également plus réactif qu’avec un lanceur conventionnel.

Quelles sont les contraintes ?

Les efforts que subit un lanceur aéroporté sont différents, et en général plus importants, que ceux que subit un lanceur classique: aussi bien pendant la  phase de transport sous l’avion que pendant la séparation ou au même au début du vol. En conséquence, la structure du lanceur aéroporté sera plus robuste, donc plus lourde.

La manière dont est largué le lanceur influera beaucoup sur ses performances. Plus il se trouvera proche de la verticale mieux ce sera; or sous un porteur il sera à l’horizontale. Le principe du lancement aéroporté pose aussi des problèmes de sécurité, un lanceur armé vole sous un avion avec tout les risques que l’on peut imaginer pour l’avion et son équipage.

De plus, il faut un avion porteur en plus du lanceur… Deux options: soit adapter un avion existant, soit concevoir un porteur dédié au lancement aéroporté.

A quoi ça ressemble ?

Voyons maintenant quelques concepts de lancement aéroporté qui ont été étudiés ces dernières années.

On l’a dit précédemment la façon dont est largué le lanceur va jouer sur les performances de la mission. Des études et des essais ont dont été effectués pour larguer un lanceur en lui donnant une impulsion qui, lors de sa chute, va le placer proche de la verticale au moment ou son propulseur s’allumera.

QuickReach

Ce concept a été mis en œuvre depuis la soute d’un avion cargo: c’est le projet QuickReach de Air Launch LLC. Le lanceur est dimensionné pour entrer dans la soute d’un cargo militaire, ici un C17 (le projet était financé par le DARPA, l’agence de défense américaine pour le développement de projets de recherche avancés).

quickreach-c17loading Le largage s’effectue par la porte arrière du cargo où le lanceur glisse par gravité sur une rangée de galets en caoutchouc. En tombant il va naturellement subir une rotation qui est ralentie par un parachute accroché à sa tuyère. Toute la difficulté est dans le contrôle de son mouvement une fois largué et dans le timing de l’allumage du propulseur.

Vidéo du largage visible ici.

largage

ça passe juste, juste…

quickreach

Cinématique du largage: verticale…top allumage!

Les performances prévisionnelles du lanceur étaient de pouvoir placer 500 Kg en orbite basse. Après plusieurs essais dont un de largage inerte échelle 1, le projet a été abandonné.

t/LAD launch

Un autre concept de largage testé par Air Launch est le t/LAD launch. Ce nom complexe signifie que le lanceur est éloigné du porteur par un trapèze; puis un câble accroché au porteur se déroule avec une force contrôlée pour donner un effet de rotation au lanceur. Là encore un parachute aide à stabiliser le lanceur durant la phase de rotation. Le but étant d’avoir un lanceur vertical au moment de l’allumage moteur. Les essais de séparation échelle 1 avec une maquette inerte ont été fait sous Proteus, un avion expérimental à la forme très caractéristique conçu par Scaled Composites .

Le proteus

Le Proteus, aux lignes originales

Le largage sous le proteus

Le largage sous le Proteus s’effectue a l’aide d’un câble de guidage

MLA

Revenons en Europe où le CNES a aussi étudié un concept de lanceur aéroporté avec le projet MLA: un lanceur tri corps est placé sous un avion Rafale qui permet, grâce à sa motorisation et sa manœuvrabilité, un lancement à forte pente.

Vue du MLA sous le Rafale

Dessin d’étude du MLA sous le Rafale

Lorsque l’on utilise un avion porteur existant, la géométrie du lanceur est contrainte par l’espace disponible sous le porteur. Dans le cas du MLA la formule tri corps vient du fait qu’il fallait prendre en compte l’espace nécessaire au passage des jambes du train d’atterrissage du Rafale. Cette configuration tri corps est proche de celle des bidons de carburants supplémentaires que peut emporter le Rafale.

La structure caractéristique du MLA

La structure caractéristique du MLA

Lors de la séquence de séparation le Rafale effectue une ressource à grande vitesse qui le place à fore pente au moment de la séparation. Le lanceur est donc dans des conditions optimales après séparation au moment de son allumage moteur, sans avoir à faire de manœuvre complexe seul.  Le projet visait des performances de 150 Kg en orbite basse. Une vidéo de la mission est visible ici.

Swiss Space Systems

Swiss Space System est un projet Européen qui regroupe, entre autres, Breitling, Dassault et l’ESA pour la réalisation d’une navette embarquée sur le dos d’un Airbus A300 modifié (au passage, il s’agira probablement de l’A300 ZeroG de Novespace qui est en vente actuellement). Le projet vient d’être lancé et l’objectif est d’arriver à un vol d’ici 2017.

La navette sur le dos du porteur

La navette du Projet S3 sur le dos du porteur

La navette se trouve sur le dos du porteur, comme les navettes spatiales américaine; dans cette configuration la séparation s’effectue en léger piqué pour que la portance de la navette soit supérieure à celle du porteur. Ainsi la navette s’écarte naturellement du porteur au moment de la séparation.

Une mission type de la navette

Une mission type: décollage, largage, mise en orbite de la charge utile et rv-entre de la navette.

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La vidéo de présentation d’une mission est visible ici.

Strato Launch

Pour finir changeons d’échelle avec le projet Strato Launch.

Ce projet pharaonique lancé fin 2011 prévoyait à l’origine l’emport d’un lanceur Falcon 9 (en collaboration avec SpaceX) sous un porteur bi-poutre, ressemblant à deux 747 accolés, réalisé par Scaled Composites. Les performances visées sont de l’ordre de celles d’un petit lanceur classique avec 5 tonnes en orbite basse. On trouve des noms connus dans l’équipe de direction, entre autre, Paul G. Alen, Mike Griffin et Burt Rutan.

Il va falloir agrandir le hangar...

Il va falloir agrandir le hangar…

Une vidéo de la mission est disponible ici.

Séparation et allumage !

Séparation et allumage !

Le lanceur une fois largué à plat effectue une ressource propulsée en s’aidant d’une petite voilure fixée sur le 1er étage comme le lanceur Pegasus dont nous parlerons dans le prochain article.

C'est grand !

C’est grand !

Le porteur, s’il existe un jour, sera le plus grand avion au monde, avec une envergure de presque 120 mètres!

Depuis 2011 Space X s’est retiré du projet a été remplacé par Orbital pour la réalisation du lanceur, le design du porteur s’affine en s’éloignant de celui d’un avion de ligne.

Nouveau concept du porteur

Nouveau concept du porteur

Des protoypes, toujours des prototypes…

On le voit, les concepts de porteurs et les stratégies de séparations sont nombreux (il y en a beaucoup d’autres). Mais au delà des études et des prototypes existe-t’il des services de lancements aéroportés opérationnels ?

A suivre dans la seconde partie de cette série d’articles

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