Méthane et réutilisation pour le lanceur le plus avancé au monde: tous les détails sur « Amour »

Les principales phases du retour du premier étage du lanceur Amour.

Nous en avions déjà parlé il y a peu (le 30 septembre): le lanceur qui doit remplacer à terme Soyouz 2 sera un lanceur au méthane et le premier étage sera réutilisable "à la Falcon".

Ce lanceur qui nous paraissait plus hypothétique que les autres (Soyouz 5, Soyouz 6) vient de connaître une étonnante accélération des décisions le concernant. Il apparaît, sur le papier du moins, comme le plus avancé au Monde dans le domaine commercial (voir ci-dessous ses caractéristiques par les deux spécialistes de Roscosmos). A vérifier d'ici 2026...

Tout d'abord il a été annoncé que RKTs Progress et Roscosmos avait signé un contrat pour le développement de ce lanceur:

Roscosmos et RKTs Progress ont signé le 5 octobre 2020 un contrat d'État pour la conception préliminaire sur le thème "Création d'un complexe de fusées spatiales avec une fusée porteuse de classe moyenne Amour à gaz naturel liquéfié".

L'objectif de ce travail sera de concevoir un nouveau complexe de fusées spatiales à vocation commerciale avec un propulseur fonctionnant au gaz naturel liquéfié et à l'oxygène liquide. La nouvelle fusée aura un premier étage récupérable et des moteurs liquides réutilisables. Leur développement est déjà en cours au KBKhA (qui fait partie de la structure intégrée NPO Energomash de Roscosmos, Voronezh) depuis 2016.

L'orientation commerciale maximale du projet permet de dire que pour la première fois dans la cosmonautique domestique [russe -NDLR], la conception d'un lanceur est réalisée à un coût donné du service de lancement final.

Le lanceur de classe moyenne Amour aura un certain nombre de caractéristiques techniques qui répondent le mieux aux tendances mondiales et aux exigences des développeurs. En particulier, dans la conception de la fusée, la possibilité d'utiliser des solutions techniques et des matériaux avancés sera étudiée: deuxième étage ré-allumable, carénage de nez élargi, réservoirs de carburant en matériaux composites, utilisation de nouveaux alliages, etc.

Selon des calculs préliminaires, le complexe en cours de création peut commencer à fournir des tests en vol dès 2026. Il est prévu de procéder à un remplacement progressif de la famille existante de lanceurs Soyouz-2.

Ensuite Alexandre Bloshenko, responsable des projets d'avenir à Roscosmos, ainsi que le responsable du projet Igor Pshenichnikov ont répondu aux interrogations de TASS:

Roscosmos et RKTs Progress Rocket ont signé le 5 octobre 2020 un contrat pour le développement d'un projet de conception d'un complexe de fusées spatiales avec un nouveau lanceur Amour. Le transporteur sera la première fusée de méthane réutilisable russe. L'une des caractéristiques du projet "Amour" est de créer un service de lancement à 22 millions de dollars. En outre, la fusée recevra un niveau de fiabilité sans précédent. Il est prévu de lancer ce lanceur prometteur depuis le cosmodrome de Vostochny dans la région de l'Amour. Le programme de création du lanceura été approuvé lors d'une réunion du Conseil scientifique et technique (NTS) de Roscosmos avec la participation de Dmitry Rogozine, directeur général de Roscosmos.

L'idée du nouveau lanceur, où il atterrira et comment son étage de retour sera desservi, si les robots le transporteront, le caractère unique de sa rampe de lancement, ainsi que le coût du programme, son calendrier, ses moteurs "immortels" ont été racontés dans une conversation avec TASS, le directeur exécutif pour les programmes prometteurs et la science  de Roscosmos Alexandre Bloshenko et l'expert en chef du département des programmes prometteurs et du projet Sphère de Roscosmos, responsable de la mise en œuvre du projet Amour-LNG, Igor Pshenichnikov.

Pourquoi le méthane?

À ce jour, des moteurs au méthane-oxygène sont en cours de développement pour les premiers étages de lanceurs prometteurs; les plans d'utilisation du gaz naturel liquéfié comme carburant pour fusées sont une tendance mondiale. SpaceX va utiliser une version à gaz liquéfié du moteur Raptor sur un certain nombre de ses fusées. Ce sont les moteurs au méthane, selon la société américaine, qui devraient envoyer les premiers terriens sur Mars. Un autre moteur au méthane BE-4 est en cours de développement par une autre société privée américaine, Blue Origin, pour une utilisation dans la fusée Vulcan de United Launch Alliance.

Le méthane est avant tout un carburant bon marché, son traitement et son utilisation sont largement maîtrisés par d'autres industries, ce qui permet d'utiliser des solutions d'infrastructure toutes faites. Par exemple, il n'est pas nécessaire de développer des installations de stockage spéciales pour le méthane dans le complexe terrestre d'Amour - les conceptions standard de Gazprom seront prises. Par ailleurs, à seulement 50 kilomètres de Vostochny, un complexe de traitement de gaz de Gazprom (Amour GPP) est en cours de construction dans le cadre d'un contrat avec la Chine, à partir duquel il suffit de tendre un gazoduc jusqu'au pas de l'Amour. Le ravitaillement de la fusée deviendra encore moins cher.

Outre une bonne «économie», le gaz liquéfié présente de nombreux avantages techniques. Le méthane est le carburant le plus pratique pour les fusées réutilisables. Lorsqu'il est brûlé, contrairement au kérosène, le gaz liquéfié produit très peu de suie. Avec le méthane, les éléments du moteur n'ont pas besoin d'être nettoyés des résidus de carburant non brûlés. La capacité de refroidissement élevée du méthane permettra d'éliminer l'excès de chaleur du moteur pendant le fonctionnement. De plus, le méthane fournira une impulsion spécifique plus élevée.

Le méthane est souvent critiqué pour sa faible densité. On pense qu'à cause de cela, le réservoir devra être agrandi, ce qui entraînera une augmentation de la masse de la fusée entière et une perte de charge utile. "Ces déclarations ne sont pas correctes - lorsqu'il est refroidi à des températures ultra-basses, le gaz liquéfié est suffisamment compacté pour utiliser des réservoirs de volumes standard", a expliqué Bloshenko.

Avec une grosse tête

Selon Pshenichnikov, selon les calculs préliminaires, le méthane du lanceur "Amour" aura un poids au décollage d'environ 360 tonnes, la hauteur de la fusée atteindra 55 mètres, le diamètre sera de 4,1 mètres. Le lanceur aura un premier étage récupérable et un deuxième à usage unique, tous deux équipés de moteurs méthane. Le bloc réutilisable recevra des tiges d'atterrissage, ainsi que des gouvernails en treillis aérodynamiques. Cet équipement peut être retiré pour le lancement dans la version jetable traditionnelle. Avec l'étage de retour, Amour sera capable de lancer jusqu'à 10,5 tonnes de charge utile en orbite terrestre basse, contre 8,5 pour les fusées de la série Soyouz-2. Dans une version non réutilisable, Amour mettra 12,5 tonnes sur la même orbite.

«L'une des caractéristiques de la nouvelle fusée sera une grande coiffe d'un diamètre allant jusqu'à 5,1 mètres. Nous définissons les caractéristiques de la coiffe de manière à ce qu'elle puisse répondre aux exigences des engins spatiaux modernes et futurs, en outre, ile lanceur est censé garantir la remise en marche du deuxième étage ou sa mise en veille, ce qui, à son tour, offrira la possibilité de lancements de grappes. Toutes ces décisions visent à accroître la compétitivité du produit en cours de création», a expliqué Pshenichnikov.

Selon les calculs des instituts de l'industrie, la fusée Amour aura au moins deux fois moins de pièces que la série de missiles Soyouz-2 d'une classe similaire ( les calculs préliminaires donnent 2 mille pièces dans l'Amour, contre 4.5 mille pièces pour Soyouz). À titre d'exemple, les experts ont cité le réservoir de carburant de la future fusée: ce sera en fait un pour les deux composants de carburant différents, simplement séparés par une cloison. Cela est dû au fait que la température de liquéfaction du méthane et de l'oxygène est approximativement la même.

La fiabilité du lanceur en raison d'une réduction significative du nombre de pièces de fusée, ainsi qu'en présence de la "sauvegarde à chaud", selon les experts de Roscosmos, devrait atteindre 0,99. A titre de comparaison: pour la majorité des fusées existant dans le monde avec des statistiques de lancement importantes, ce chiffre ne dépasse pas 0,98.

Allumez 300 fois et ne brûlez pas

Lors de la première étape des essais en vol, il est prévu de fournir au moins dix vols du premier étage réutilisable de l'Amour. Cependant, à l'avenir, il est prévu de lancer un étage jusqu'à 100 fois. Dans ce cas, le moteur central du premier étage, qui sera responsable de l'atterrissage dynamique de la fusée, doit être allumé au total 300 fois. «Le moteur central sera chargé de ramener l'étage sur Terre. À chaque vol, il fonctionnera trois fois: d'abord, il s'enflammera au lancement de la fusée, la deuxième fois le moteur se déclenchera lorsque l'étape de rentrée est décéléré dans des couches denses de l'atmosphère, et la troisième fois, il démarrera au sol même, avec un atterrissage en douceur sur ses pieds. Si nous voulons lancer un étage réutilisable 100 fois dans le futur, alors le moteur central devrait être conçu, pour 300 allumages», a noté Pshenichnikov.

L'expert en chef a précisé que pour créer un tel moteur, Roscosmos ne procédera pas à des tests 300 fois sur Terre, mais utilisera des méthodes de modélisation numérique. «Selon les normes d'aujourd'hui, compte tenu de l'objectif de 300 démarrages, il faut prendre plusieurs dizaines de moteurs et les amener presque à l'échec, mais je ne peux pas imaginer un tel volume d'essais au sol. En conséquence, nous aurons une approche différente pour évaluer la qualité et la fiabilité des moteurs, y compris à l'aide de méthodes de modélisation mathématique», a déclaré Pshenichnikov.

Le deuxième étage du "Amour" recevra le même moteur, mais avec quatre chambres de combustion, marqué RD-0169V. Sa poussée augmentera à environ 110 tonnes. Le deuxième étage abritera un tel moteur. Comme l'a noté Bloshenko, il n'est pas prévu de créer une version réutilisable du deuxième étage, car les accessoires pour son retour, par exemple, une aile, ainsi que la nécessité de laisser du carburant pour le troisième et le deuxième démarrage du moteur, réduiront considérablement le rapport de masse (le rapport du poids du carburant dans l'étage au poids de sa structure. Plus le coefficient obtenu est élevé, mieux c'est - NDLR TASS). Une diminution du rapport de masse du deuxième étage, à son tour, entraînera une forte diminution de la cargaison lancée dans l'espace et neutralisera toutes les économies potentielles résultant de la ré-utilisabilité du deuxième étage.

Sites côtiers

Le premier étage de "Amour" reviendra sur les sites d'atterrissage, dont le chantier est actuellement en cours de calcul par des experts en balistique, en fonction des trajectoires de vol de la nouvelle fusée depuis le cosmodrome de Vostochny. «Au départ, nous adhérons aux zones de chute déjà convenues pour Soyouz-2, mais nous clarifierons les sites d'atterrissage dans le cadre de la conception. Il est déjà clair qu'il y aura plusieurs sites de débarquement, y compris à l'Est même. Plusieurs sites seront situés sur le territoire du territoire de Khabarovsk, plus près de la côte de la mer d'Okhotsk», a déclaré Pshenichnikov.

Selon lui, après un freinage dans l'atmosphère, l'étage descendra vers la zone du site préparé, manœuvrera pour un atterrissage précis, puis ouvrira les tiges d'atterrissage et atterrira doucement grâce à la troisième activation du moteur central. L'entretien primaire de l'unité de fusée réutilisable sera effectué sur place. Comme l'a précisé le spécialiste, "le site disposera d'un minimum d'équipement pour l'enlèvement primaire des composants du carburant, grâce à des ouvertures techniques spéciales, des tuyaux seront connectés pour pomper les vapeurs de méthane et d'oxygène restantes."

Ensuite, l'équipage de service de la piste d'atterrissage repliera les tiges et gouvernails de la marche et assurera son chargement dans le conteneur de transport. L'unité sera ramenée au cosmodrome de deux manières possibles - sur l'élingue externe d'un hélicoptère de transport lourd Mi-26 ou sur une plate-forme de fret le long d'une voie ferrée (si disponible dans la zone du site d'atterrissage).

A l'arrivée de l'étage au complexe d'assemblage et d'essais (MIK) de Vostochny, son examen externe sera effectué, ainsi qu'un contrôle de l'opérabilité des principaux composants et assemblages du moteur. «Nous prévoyons également d'utiliser largement des méthodes d'essais non destructifs, car cela n'a aucun sens de démonter le moteur de l'étage. Autrement dit, la conception de l'étage réutilisable lui-même comprendra le système de capteurs nécessaire et suffisant, qui, avec une garantie, permettra d'évaluer son état sans démonter les pièces", a noté Bloshenko.

Selon Pshenichnikov, la création d'une plate-forme d'atterrissage en mer pour l'Amour n'est pas encore envisagée, car les conditions météorologiques dans la mer d'Okhotsk compliquent grandement le fonctionnement stable d'une telle plate-forme flottante. "Cependant, nous n'excluons pas de débarquer en mer avec la reprise ultérieure de l'étage, y compris par des navires spéciaux, et sera envisagé dans le cadre du projet de conception", a ajouté le spécialiste.

À son tour, Bloshenko a noté que Rosmosmos, en tant que client, ne limite pas le développeur du projet dans les moyens de sauver et de transporter l' étage vers le cosmodrome. Il n'est pas exclu qu'une option alternative pour l'atterrissage de l'étage - à la manière d'un avion - soit élaborée par l'utilisation d'ailes repliables. «Quant au transport de la scène depuis le site d'atterrissage, si les développeurs prouvent que nous pouvons, par exemple, utiliser efficacement des robots comme Boston Dynamics pour transporter une unité réutilisable jusqu'à la zone MIK sur leur dos, alors pourquoi pas», plaisante le spécialiste.

Démarrage automatique léger

Une idéologie complètement nouvelle sera posée pour un nouveau complexe de lancement d'une fusée à méthane, ont déclaré des représentants de Roscosmos. Il n'est pas prévu de construire des structures pour l'Amour conformément aux exigences du modèle soviétique.

Une autre particularité de l'Amour est que le complexe de lancement sera entièrement automatique. Ce concept suppose que les gens ne doivent effectuer aucune opération avec la fusée installée sur le pas. «Maintenant, par exemple, pour Soyouz-2, jusqu'au dernier moment, l'équipe est sur le pas, les spécialistes se rendent dans les la tour de service et effectuent un grand nombre de procédures», a noté Pshenichnikov. Le spécialiste a expliqué qu'une telle approche augmentera non seulement la sécurité de la préparation, éliminant en grande partie le facteur humain, mais contribuera également à réduire les coûts de main-d'œuvre.

Plan d'affaires détaillé

Le premier lancement du nouveau transporteur est prévu dans six ans. «Selon le plan adopté, nous devons assurer le premier lancement de la fusée Amour en 2026. Il sera lancé immédiatement avec une charge utile », a déclaré Bloshenko. Il a souligné que pour la première fois dans l'histoire nationale de la fusée, on sait à l'avance combien coûtera ce lancement: 22 millions de dollars.

«Pour la première fois, nous concevons une fusée pour un coût donné, le prix minimum d'un service de lancement sera de 22 millions de dollars. De plus, le but de tout ce travail étant de créer un produit commercial efficace, le projet comprend l'élaboration d'un business plan détaillé au stade de la conception préliminaire. Des sociétés de co-exécution spécialisées seront impliquées, qui diront dans quelles conditions nous atteignons un tel coût de lancement, et montreront également un calendrier clair de récupération du projet, compte tenu de l'état du marché des services de lancement», a déclaré le directeur exécutif.

Il a précisé que "le coût total de création d'une fusée - de la signature d'un contrat pour un croquis au premier lancement en 2026 - ne dépassera pas 70 milliards de roubles".

Bloshenko a précisé que selon le plan adopté aujourd'hui, les essais au sol du moteur au méthane devraient être entièrement achevés d'ici la fin de 2024. L'infrastructure de l'Amour sur Vostochny, y compris la rampe de lancement, sera construite parallèlement à la création de la fusée et devrait être achevée immédiatement à la date du premier lancement.

Le nouveau lanceur, entre autres avantages, a déclaré Blochenko,  au final devrait réduire la «panoplie» des missiles russes - «Amour» permettra d'opérer sur toute la gamme de charge des missiles légers et moyens. En fonction du lieu de retour du premier étage (le long de la trajectoire de vol ou vers le cosmodrome), il est possible d'effectuer des lancements avec une charge optimale. Aujourd'hui, les véhicules moyens et légers occupent plus de la moitié de l'ensemble du marché des services de lancement, et compte tenu du développement de grandes constellations d'engins spatiaux, y compris de petits satellites (StarLink, OneWeb, Sphere, etc.), cette part ne fera qu'augmenter. «Si tous les indicateurs clés du programme Amur sont mis en œuvre, nous prévoyons de fournir la plupart des lancements commerciaux de la classe légère et moyenne avec notre nouvelle fusée», a déclaré le directeur exécutif de la société.

Dans le cadre du développement ultérieur du programme Amour, la création d'un lanceur avec une capacité de charge accrue ou l'utilisation du premier étage de méthane d'une fusée dans un lanceur lourd est également envisagée. «Sur la base du bloc du premier étage d'une fusée méthane, il y a déjà des propositions de concepteurs pour créer une fusée avec une charge utile accrue, qui pèsera déjà plus de 440 tonnes et mettra plus de 17 tonnes de charge utile en orbite basse. Le même bloc pourrait également être utilisé comme bloc latéral d'une fusée super lourde», a noté Bloshenko.

Sources: Roscosmos et Roscosmos; Crédits d'illustrations: Roscosmos et TASS

Le lanceur Amour selon sa conception préliminaire.