Les défis du développement du lanceur Amour-SPG: Igor Afanassiev pour ProKosmos

Le RKTs Progress  développe activement la fusée au méthane réutilisable Amour-SPG.

Un bureau d'études distinct a été spécialement créé à cet effet, a déclaré le premier directeur adjoint de l'entreprise, Ravil Akhmetov.

Selon lui, les experts mènent déjà des expériences liées à l'atterrissage du premier étage du futur lanceur.

Quelles sont les tâches problématiques auxquelles est confronté Amour-SPGG, que sait-on du moteur-fusée, quels sont les avantages du méthane par rapport aux autres types de carburant et quelles autres solutions innovantes sont utilisées pour créer le lanceur ?

Igor Afanassiev, journaliste technique, en parle dans un nouvel article du site russe ProKosmos.ru, que nous avons traduit pour vous:

L'été dernier, le 29 août, le chef de Roscosmos, Youri Borissov, a inspecté les sites de production de Samara du RKTs Progress et a tenu une réunion avec la direction de l'entreprise, consacrée, entre autres, au projet Amour-SPG. Lors de la mise en œuvre de ce développement russe le plus important et le plus complexe sur le plan technologique, plusieurs innovations qui ne sont pas typiques de la science des fusées nationale ont été combinées.

Il s’agit tout d’abord de l’utilisation du gaz naturel liquéfié (SPG en russe) comme carburant, comme l’indique le nom du complexe de fusée spatiale. Deuxièmement, le principal critère de conception est le coût de lancement minimum. Enfin, troisièmement, un premier étage réutilisable avec une fréquence d'utilisation élevée (30 vols).

Nouveau carburant

Le gaz naturel est un carburant abordable et respectueux de l’environnement. Contenant du méthane (70-98 %) et des hydrocarbures plus lourds - homologues du méthane (éthane, propane, butane et pentane) et une petite proportion de substances qui ne sont pas des hydrocarbures (hydrogène, sulfure d'hydrogène, dioxyde de carbone, azote, hélium et autres gaz inertes ), on peut espérer qu'avec la combustion complète du gaz naturel dans un environnement oxygéné, seuls du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau se forment - un échappement propre avec un débit élevé de gaz brûlés.

Le méthane était considéré comme un carburant pour fusée il y a plus de cent ans, mais des décennies se sont écoulées avant son développement pratique en raison... de la faible pertinence de son application.

En fait : jusqu'à récemment, les scientifiques des fusées s'intéressaient à l'efficacité maximale des composants du carburant : plus l'impulsion spécifique et la densité étaient élevées, mieux c'était.

Le méthane a été noté comme un carburant qui n'était pas difficile à maîtriser, mais avec une faible énergie - l'impulsion spécifique du couple « oxygène liquide - méthane liquide » était sensiblement inférieure à celle de la composition oxygène-hydrogène, bien qu'un peu meilleure que celle du couple « oxygène - kérosène ». Les inconvénients du méthane étaient son faible point d’ébullition -162℃ et sa densité relativement faible - la moitié de celle du kérosène.

Néanmoins, à la fin des années 1980, l'intérêt pour le méthane en tant que carburant pour fusée s'est sensiblement accru, ce qui était associé à des avantages qui étaient auparavant restés en dehors des parenthèses. En tant que liquide de refroidissement, le méthane est meilleur que le kérosène - il possède une excellente ressource de refroidissement, il ne se décompose pas thermiquement à des températures assez élevées (aucun composant solide n'apparaît dans la phase liquide), ce qui ouvre la voie à la réutilisation du moteur.

Ceci est également soutenu par le fait que le composant cryogénique s'évapore rapidement des cavités du moteur après le vol, ce qui rend la procédure de nettoyage inutile (elle est nécessaire pour le kérosène). Contrairement à l'hydrogène liquide, qui provoque une fragilisation des métaux lors d'un fonctionnement à long terme, le méthane n'a pas d'effet nocif sur les matériaux de structure.

La faible densité du méthane peut être compensée par un rapport plus élevé comburant-carburant dans le mélange, qui se situe dans la plage de 3,4...3,6 pour 1, tandis que le rapport oxygène-kérosène est de 2,3...2,7 pour 1. Et la petite différence de température de fonctionnement de l'oxygène liquide et du méthane liquide (quelques dizaines de degrés) est un plus, simplifiant la conception de la fusée et permettant l'utilisation de fonds combinés de réservoirs de comburant et de carburant sans isolation thermique.

Enfin, comme mentionné ci-dessus, le méthane liquide est inclus comme base dans les combustibles fossiles - le gaz naturel. Ce dernier est moins cher que le kérosène pour fusée, un produit du craquage thermique du pétrole. Bien entendu, il est nécessaire de sélectionner une composition SPG avec une proportion stable de méthane, mais cela n'est pas critique. Pour les fusées consommables, les coûts de carburant varient d’une fraction à quelques pour cent du coût de lancement. Cependant, pour les lanceurs réutilisables, la « gravité spécifique » du carburant dans le coût de lancement augmente d'un ordre de grandeur, voire plus.

Il est extrêmement important pour la Russie que les technologies de production, de transport et de stockage du SPG soient établies depuis longtemps et donc que l'introduction d'infrastructures de méthane au cosmodrome ne devrait pas poser de problèmes.

En résumé, nous pouvons dire que le méthane est prometteur, en premier lieu pour les lanceurs réutilisables nouvellement développés.

Il n'est pas surprenant que l'intérêt pour ce moteur ait fortement augmenté et qu'à la fin du 20e siècle, des travaux de recherche et de développement sur les moteurs au méthane aient commencé dans le monde entier. En Russie, des prototypes fonctionnels de produits ayant réussi, y compris des tests au banc à long terme, ont été créés dans la région de Moscou au KB Khimmash et dans la région de Voronej au KB Khimavtomatiki.

Malheureusement, la réalisation du potentiel des développements précédemment réalisés n'est devenue possible en Russie qu'après le vol à l'étranger de lanceurs à oxygène-méthane, tels que le chinois Zhuque-2 et les américains Vulcan et Starship. Le projet destiné à ramener le pays au rang des leaders dans ce domaine devrait bien être Amour-SPG.

Amour-SPG est un projet révolutionnaire dans la science des fusées russes

La conception d'un lanceur équipé de moteurs au gaz naturel est en cours au RKTs Progress à Samara.

La conception préliminaire a été achevée et en mars 2023, un contrat d'État a été signé avec l'entreprise pour la conception technique du complexe de fusée spatiale Amour-SPG. A ce stade, sur la base de la conception préliminaire et des matériaux pour sa protection, un ensemble de documentation technique sera édité.

La principale exigence de conception est de réduire les coûts de fabrication et d'exploitation. La taille du nouveau lanceur a été choisie pour remplacer immédiatement Soyouz-2, [lorsqu'il sera devenu disponible]: dans la version réutilisable, Amour-SPG lancera plus de 10 tonnes de charge utile en orbite terrestre basse , et dans la version jetable, 12 tonnes de charge utile. Le besoin de remplacement mûrit progressivement : la base du transporteur est la « R7 » plutôt « séculaire », créée sur la technologie des années 1950-1960, qui ne réduit plus les coûts, mais constitue un obstacle à la croissance des caractéristiques et de développement du lanceur.

La production de la R7 en trois étages implique de nombreuses opérations manuelles et l'utilisation de nombreux composants en raison de sa conception complexe et pas toujours technologiquement avancée. Amour-SPG comporte deux étages de forme cylindrique simple. Pour fabriquer une fusée, il faut 2 000 pièces et unités d’assemblage, tandis que pour Soyouz-2, il en faut 4 500. [KN: la complexité de fabrication repose notamment sur les nombreux changements de diamètre des différents blocs].

Pour le nouveau lanceur, une infrastructure au sol simplifiée sera créée au cosmodrome de Vostochny avec un lancement automatisé desservi par une équipe de lancement minimale, bien moins coûteuse que pour les générations précédentes de fusées.

«Amour-SPG» peut à juste titre être qualifié de projet révolutionnaire dans la science des fusées russes.

Le directeur général adjoint de Roscosmos pour les complexes spatiaux et la science, Alexandre Bloshenko, a décrit le travail comme suit :

« Nous avons mené une certaine expérience en supprimant les composants militaires des exigences qui, historiquement, depuis les années 60, étaient imposées à ces lanceurs, libérant ainsi les mains des concepteurs... En fait, nous ne nous soucions absolument pas de quel type de fusée il s'agit, même si sa section transversale est carrée. Il suffit que [le concepteur] fournisse trois paramètres : le coût du service de lancement, la masse que le lanceur doit lancer sur une orbite donnée et la fiabilité. »

Le « cœur ardent » du nouveau missile est le RD-0169A fondamentalement nouveau, dont le modèle a été présenté pour la première fois par le KB KhA  de Voronezh lors du forum Army-2023.

Initialement conçu pour une utilisation décuplée, le moteur est fabriqué selon le schéma standard à haut rendement pour la Russie avec postcombustion du gaz générateur oxydant, développe une poussée de 100 T au niveau de la mer et de 110 T dans le vide.

Cinq RD-1069A de conception « atmosphérique », installés sur le premier étage de l'Amour-SPG, assureront non seulement le lancement et le déploiement du lanceur, mais également le retour et l'atterrissage en douceur du premier étage. Au deuxième étage, il y a un RD-0169V de conception haute altitude.

KB KhimAvtomatiki [KB KhA] a achevé la conception préliminaire du RD-0169.

L'entreprise a effectué des tests sur modèle pour étudier les processus d'allumage et de formation du mélange, et a effectué des contrôles de développement autonomes de composants individuels et d'assemblages d'un prototype de moteur. Le prototype du moteur - banc RD-0177M - est en cours de préparation pour les premiers tests au feu.

Réutilisabilité, atterrissage et application : défis d'Amour-SPG

Comme pour toute innovation complexe, Amour-SPG est confronté à des tâches problématiques.

Premièrement, la réutilisabilité en tant qu'analyse de rentabilisation n'a pas de solution claire : parfois elle est utile, et parfois elle est nuisible. Les effets économiques de l'utilisation répétée des fusées et des moyens spatiaux se manifestent dans le flux rythmique de marchandises en orbite, nécessitant des vols de haute fréquence - le plus souvent étant le mieux, ainsi que dans l'apparition des coûts de production et d'exploitation. La valeur exacte de la fréquence annuelle des missions, suffisante pour que les économies sur les lancements dépassent les coûts de création et d'exploitation de lanceurs réutilisables complexes et coûteux, ne peut être obtenue qu'en pratique : les calculs théoriques ont une forte dispersion.

Par exemple, pour SpaceX, la réutilisabilité est le seul moyen de résoudre le problème de la création de la méga-constellation Starlink : l'usine de Hawthorne est conçue pour produire 20 à 25 fusées Falcon 9 complètes , et pour déployer la constellation de satellites nécessaire, il faut réaliser une centaine de lancements par an !

Les Européens n’ont toujours pas décidé avec certitude s’ils ont besoin ou non de la réutilisabilité.

Ainsi, le responsable du programme Ariane 6 chez ArianeGroup, Patrick Bongue, déclarait en 2018 :

« On ne comprend toujours pas s'il sera possible de faire des économies grâce au réemploi ? Au moins avec notre fréquence de lancement ? Nous espérons réaliser 12 lancements par an. Si [la partie matérielle] peut être réutilisée 12 fois, cela signifie qu’elle ne doit être produite qu’une fois par an. »

Jusqu’à présent, les Européens ont décidé de tenter une réutilisation seulement sur des démonstrateurs à petite échelle afin d’en déterminer empiriquement les avantages et les inconvénients.

Pour qu'Amour-SPG devienne rentable, il faut sélectionner des tâches qui justifient les investissements dans les technologies de réutilisation. Il pourrait s'agir du déploiement et du réapprovisionnement du segment orbital du système satellitaire polyvalent Sfera, pour lequel le nouveau lanceur doit être rapidement prêt à fonctionner.

Une autre tâche problématique est l'infrastructure d'atterrissage, qui assure un renouvellement rapide des premiers étages réutilisables.

Les Américains ont de la chance - tous leurs cosmodromes sont situés près de la côte océanique et il n'y a aucune difficulté avec les champs de chute des étages épuisés. En conséquence, le premier étage peut être posé dans l'océan sur des plates-formes automotrices ou renvoyé dans la zone de lancement, optimisant ainsi l'option pour la charge utile requise pour la mission.

La Russie ne dispose pas de tels ports spatiaux, donc l'étage réutilisable devra être posé soit dans la zone du complexe de lancement, après avoir perdu un tiers de la charge utile, soit le long de la trajectoire de vol.

Dans ce dernier cas, à des centaines de kilomètres du cosmodrome, il est nécessaire d'organiser un site d'atterrissage avec des services de transport et de maintenance. Les travaux primaires et la désactivation des étapes peuvent bien entendu être organisés au point d'atterrissage. Mais livrer l'étage depuis le point d’atterrissage est un problème. Il existe ici deux options : le retrait par des hélicoptères Mi-26 (coûteux et risqué : le bloc-fusée doit être transporté sur une élingue externe sous l'influence des facteurs météorologiques) ou la pose d'une ligne ferroviaire (route) du site d'atterrissage au cosmodrome.

Il existe également des tâches problématiques purement techniques qui n'ont pas encore été résolues en Russie. Parmi eux se trouve l’activation répétée de moteurs à oxygène-méthane à forte poussée. D'après l'expérience de la fusée Falcon 9, l'insertion, le retour et l'atterrissage en douceur nécessitent trois ou quatre allumage d'une partie des moteurs du premier étage. Ici, l'expérience nationale dans le démarrage répété du moteur 11D58M avec un carburant oxygène-hydrocarbure avec une poussée de 8 T, installé sur l'étage supérieur «D», utilisé dans les lanceurs Proton-M et Angara A5, peut être utile.

Il ne fait aucun doute que tous les problèmes peuvent être résolus. En cas de succès, la Russie disposera d’un nouveau « cheval de bataille » pour résoudre un large éventail de problèmes spatiaux.

Source: Igor Afanassiev pour ProKosmos; Crédits photographiques et techniques: RKTs Progress/Roscosmos, GT7/Prokosmos et KB KhA/Roscosmos