La problématique des futurs lanceurs dans le monde

Comment rendre les vols spatiaux massifs ? 

Cet article, consacré à l'analyse des perspectives et orientations possibles de développement de l'industrie spatiale, portera sur les systèmes spatiaux réutilisables et sur la manière de réduire le coût de mise en orbite d'une charge utile.

Nous reproduisons ici une publication parue dans Roussky Kosmos  et sur le site de Roscosmos dans la version de notre propre traduction - NK.

Auteurs: Dmitry Smirnov, Sergueï Trochenkov et Igor Pchenichnikov.

Il s'agit du second article de cette série. Le premier est lisible ici.

Au début des années 90, les capacités des systèmes de transport spatial, créés à l'aide des technologies des décennies précédentes, ont atteint un plafond en raison du coût élevé de la technologie et de la maintenance des infrastructures. Des efforts pour créer des fusées entièrement réutilisables ont eu lieu dans les années 1960, mais la technologie de l'époque ne permettait pas de mettre l'idée en pratique.

Introduite en 1981, la navette spatiale était partiellement réutilisable. Les tentatives ultérieures de développement d'un lanceur à un étage économiquement attractif, comme le McDonnell Douglas Delta Clipper ou le X-33 / VentureStar de Lockheed Martin, ont été annulées pendant la phase de démonstration en vol en raison de difficultés techniques et de dépassements budgétaires importants.

Seule la technologie du début du 21e siècle a fait une percée dans les lanceurs qui réutilisent des composants clés. Dans le contexte du coût écrasant des fusées de Boeing et de Lockheed Martin, devenus trop lourds pour le budget américain, les transporteurs spatiaux ont émergé avec une nouvelle philosophie. Parmi eux, SpaceX s'est démarqué, qui a proposé d'emprunter une voie non conventionnelle et a montré au monde les possibilités d'utiliser des fusées partiellement réutilisables.

Les innovations techniques de SpaceX ont non seulement donné au monde un retour spectaculaire du premier étape, mais ont également poussé le marché vers sa restructuration radicale.

Après avoir pris une part importante des lancements, SpaceX a privé de nombreuses entreprises de revenus. Ce ne serait pas si effrayant compte tenu d'une augmentation du nombre total de lancements. Dans ce cas, le marché en croissance chargerait toutes les entreprises de commandes. Mais jusqu'à présent, ces espoirs n'ont pas été vérifiés, puisque même avec une réduction multiple des coûts, le nombre de lancements ne change pas beaucoup.

Les vétérans sont à la traîne

De grandes entreprises et des secteurs entiers de l'économie ne peuvent pas être reconstruits rapidement. Les États-Unis le comprennent, et la lutte de SpaceX avec Boeing et Lockheed Martin, y compris pour les commandes du gouvernement, en est un excellent exemple.

Il est difficile pour les "anciens combattants" de rivaliser sur le marché commercial, mais il est également impossible de transférer toutes les commandes gouvernementales à SpaceX. Le coût de lancement de Falcon 9 sur le marché est de 62 millions de dollars (de plus, en raison de la forte concurrence avec la Russie, l'Union européenne et l'Inde, SpaceX introduit de nouvelles offres de niche (par exemple, Rideshare), et parfois ouvertement du dumping.

Des missions pour des organismes gouvernementaux (au sein desquels SpaceX est admis), réalisées via des appels d'offres gouvernementaux, sont réalisées pour un prix proche du coût de lancement de Delta IV et Atlas V (150 millions de dollars). Le motif est clair : en raison du prix élevé de leurs produits, Boeing et Lockheed Martin ne peuvent participer à ces appels d'offres à un coût sensiblement inférieur. [et donc Space X bénéficie de revenus bien au-delà du coût de son lanceur!! - NDLR KN].

Néanmoins, en créant un étage réversible, SpaceX a posé le vecteur du développement de l'industrie spatiale.

Et les États-Unis donnent à leurs géants de l'industrie le temps de rattraper le fauteur de troubles. Mais lorsqu'ils reconstruiront leur modèle économique (et amélioreront éventuellement la technologie de SpaceX), le coût de lancement en moyenne chutera au niveau de prix du Falcon 9 ou même plus bas. Et cela conduira à un nouveau cycle de compétition.

En résumé, plusieurs conclusions peuvent être tirées :

Il est possible de créer des missiles avec un degré élevé de réutilisation d'éléments clés avec les technologies existantes. Cependant, pour l'État, cela crée une situation paradoxale : d'un côté de l'échelle, il y a d'énormes perspectives, de l'autre, l'optimisation et la restructuration de l'industrie [est nécessaire] (qui, apparemment, a commencé aux États-Unis).

Il a fallu à SpaceX une dizaine d'années pour réaliser l'étage réversible. Il faudra probablement aux géants de l'aérospatiale à peu près le même temps pour répéter les résultats et reconstruire leur modèle économique (peut-être un peu plus vite, puisque le « chemin » a déjà été parcouru).

Combien coûte un kilogramme ?

Pour une meilleure compréhension des processus évolutifs de la technologie des fusées, il convient d'introduire le concept de générations de fusées spatiales (par analogie avec l'aviation militaire). La gradation peut être la suivante :

• Première génération  - fusées jetables;
• deuxième génération  - fusées partiellement réutilisables;
• troisième génération  - fusées entièrement réutilisables.

Parallèlement, des versions intermédiaires sont possibles pour chaque génération ("+", "++", etc.). Tous les moyens de mise sur orbite jetables existants peuvent être adaptés en toute sécurité à la première génération.

Falcon 9R (R: Réutilisable) peut être classé la deuxième génération. L'économie de cette fusée repose principalement sur le fait que l'utilisation d'éléments réutilisables (premier étage et coiffe) peut réduire les coûts globaux de lancement de 30 à 40 %. Dans le même temps, en raison du besoin de renforcement [de la structure] (et, par conséquent, de poids), l'utilisation de carburant pour le freinage lors d'un atterrissage en douceur, etc. la masse de la charge utile mise en orbite est réduite. Cela conduit au fait que le Falcon 9R d'une fusée de classe lourde (en termes de poids de lancement)  glisse dans la catégorie "intermédiaire" et moyenne.

Si les schémas économiques ci-dessus persistent, les premières versions des lanceurs de troisième génération entièrement réutilisables devraient avoir un coût de lancement spécifique d'environ 1500 dollars pour 1 kg de charge utile en orbite terrestre basse (Fig. 1).

Si l'on compare le coût des lancements de la classe lourde avec leur nombre, la tendance suivante peut être tracée : à la fin des années 1990, le marché commercial des lanceurs lourds était dominé par Ariane 5 avec un prix de lancement de plus de 150 millions de dollars.

Au début des années 2000, les fusées Proton sont entrées sur le marché et les Zenith (dont le complexe "Sea Launch") avec un prix 1,5 fois inférieur. Dans le même temps, le nombre total de lancements mondiaux dans la classe lourde, s'il augmente, est insignifiant.

Après 2015, une fusée Falcon 9 partiellement réutilisable a été mise en service avec un prix de lancement de 45 à 62 millions de dollars. Dans le même temps, le nombre total de lancements n'a pas non plus subi de changements significatifs (à l'exception du lancement des satellites Starlink de la même société SpaceX [un marché assez artificiel puisque développé par Space X].

Ainsi, nous pouvons conclure que le coût de lancement spécifique de ~ 2900 $ / kg (Falcon 9R en vol vers des orbites basses) est encore trop cher pour l'exploration spatiale de masse (Il est clair qu'il existe des restrictions associées au chargement des lanceurs, des orbites, etc. ). Il est peu probable que même 1 500 $ / kg change radicalement la demande commerciale d'espace. À cet égard, nous n'appellerions pas cible les estimations de coûts données - il s'agit plutôt d'estimations pour les premières versions de missiles réutilisables.

Atelier en orbite

Vraisemblablement, un changement fondamental dans la demande de lancements ne se produira pas tant que le marché ne formera pas une offre de prix qui ouvrira de nouvelles opportunités intéressantes pour ses participants. L'un d'eux peut être le développement de la logistique spatiale, quand, au lieu de fabriquer et de lancer des engins spatiaux coûteux, il sera beaucoup moins cher de les réparer et de les ravitailler en orbite, d'acheter et de restaurer des satellites usagés (ou même en panne) directement dans l'espace.

Par analogie avec le transport traditionnel, cela peut arriver lorsque le prix des prestations du transporteur ne dépasse pas 10 % du coût de la marchandise transportée. Le chiffre actuel est maintenu au niveau de 50 à100% du coût du satellite (si l'on compare le coût d'un engin spatial et d'un lancement pour les mêmes pays.) (À moins, bien sûr, que l'on considère un engin spatial scientifique coûteux). C'est-à-dire que le coût de lancement devrait être réduit d'environ 10 fois et, en parallèle, une infrastructure pour l'entretien des satellites en orbite devrait être créée, ainsi qu'un moyen peu coûteux et sûr de les ramener sur Terre.

Sens du mouvement

En raison d'éventuelles difficultés techniques, il est difficile de créer un lanceur complètement réutilisable en une seule fois, et très probablement, il faudra avancer progressivement. Premièrement, il y aura des fusées partiellement réutilisables avec des éléments réutilisables dans les classes moyennes ou lourdes — ici les principales solutions techniques sont déjà claires. Economiquement, c'est plus rentable de réaliser cette solution avec les classes moyennes ou lourdes. Mais les premières versions de missiles entièrement réutilisables sont probablement plus correctes à réaliser dans la classe légère ou ultralégère, en partant des capacités actuelles de l'industrie et en élaborant progressivement des solutions techniques.

Dans le même temps, il est souhaitable de créer simultanément des missiles partiellement et complètement réutilisables. Si nous concentrons toute notre attention uniquement sur la première option, alors nous aurons un étage retournable plus proche de 2030. Même en tenant compte de l'inertie de l'industrie spatiale, les États-Unis à cette époque vont non seulement restructurer toute leur industrie, ils vont pouvoir aller beaucoup plus loin dans le développement.

Dans le même temps, il est important de souligner une fois de plus que la tâche de créer des lanceurs réutilisables doit être résolue en même temps que le reformatage des approches de l'industrie. Par exemple, utilisez l'expérience du génie civil, lorsqu'une partie importante de l'entreprise est construite non seulement autour de la production de nouveaux produits, mais aussi sur la maintenance de ceux déjà fabriqués. En outre, une attention doit être portée à l'amélioration du cadre réglementaire et à la restructuration du modèle économique des fabricants.

Sources et crédits photographiques: Roscosmos et Roussky Kosmos