La conception frugale d’Astra conduit au dernier échec inhabituel

Nous l’avons tous entendu dire, et cela vaut la peine de le répéter : se rendre dans l’espace est difficile. Mais ça devient même Plus fort plus votre booster est petit. En effet, la structure, les moteurs, l’avionique et la charge utile utile d’une fusée ne représentent qu’une infime partie de sa masse au décollage, tandis que le reste est dédié au propulseur qu’elle doit dépenser pour atteindre la vitesse orbitale. C’est pourquoi un Falcon 9 faisant pencher la balance à 549 054 kilogrammes (1 207 920 livres) ne peut transporter qu’une charge utile de 22 800 kg (50 265 livres), soit environ 4 % de sa masse au décollage.

Comme vous pouvez l’imaginer, il existe une limite inférieure où il n’y a tout simplement pas assez de masse dans l’équation pour le matériel nécessaire à la construction d’une fusée entièrement fonctionnelle. Mais où est cette limite ? C’est précisément ce que le nouveau venu dans l’aérospatiale Astra essaie de découvrir. Leur Rocket 3 est l’un des plus petits propulseurs orbitaux à avoir jamais volé, plus proche en taille et en masse du V2 allemand de la Seconde Guerre mondiale que les imposants véhicules construits par SpaceX ou Blue Origin. Même le Rocket Lab Electron, lui-même une fusée exceptionnellement svelte, est considérablement plus grand.

La raison pour laquelle ils essaient de construire une si petite fusée est bien sûr très simple : plus petit signifie moins cher. En supposant que vous ayez une charge utile légère et suffisamment compacte pour tenir sur leur lanceur, Astra dit qu’ils peuvent la mettre en orbite pour environ 2,5 millions de dollars ; moins de la moitié du coût d’un vol dédié à bord d’Electron de Rocket Lab, et compétitif avec le programme de « covoiturage » de SpaceX. Un prix de billet aussi bas aurait été insondable il y a dix ans et promet de bousculer un marché de lancement commercial déjà très concurrentiel. Mais naturellement, Astra doit faire voler la chose de manière fiable avant de pouvoir célébrer cette nouvelle étape du vol spatial.

Leur dernière mission s’est terminée par une perte totale du véhicule et de la charge utile lorsque l’étage supérieur est devenu incontrôlable environ trois minutes après un décollage par ailleurs parfait de la station de la Force spatiale de Cap Canaveral en Floride. De tels problèmes ne sont pas rares pour un nouveau propulseur orbital, et peu de fusées dans l’histoire sont entrées en service régulier sans une ou deux charges utiles perdues dans les livres. Mais cet échec, diffusé en direct sur Internet, était quelque chose d’assez inhabituel : en raison de la conception non conventionnelle de la petite fusée d’Astra, l’étage supérieur semblait se coincer à l’intérieur le booster après que le carénage de la charge utile ne s’est pas ouvert complètement.

Une légère deuxième étape

Pour comprendre cet échec, il faut prendre du recul et s’intéresser à la conception d’une fusée conventionnelle à plusieurs étages. Bien qu’il s’agisse d’une simplification excessive, il serait juste de dire que l’étage supérieur n’est généralement qu’une version plus petite du premier étage. Il sera plus court en longueur, peut-être plus étroit en diamètre et aura moins de moteurs; mais fondamentalement, sa conception ressemblera à celle de son homologue plus grand. La charge utile est montée au sommet de l’étage supérieur, qui à son tour est entouré d’un carénage ou d’un nez aérodynamique.

Les premier et deuxième étages du Falcon 9, séparés par l’interétage noir, ont le même diamètre.

Mais le Rocket 3 d’Astra est unique en ce que son deuxième étage ne ressemble en rien au premier. Plutôt qu’une fusée élégante, sa conception rappelle davantage un satellite ; avec des réservoirs exposés et une structure squelettique qui ne survivrait jamais au vol à travers la basse atmosphère dense. Étant donné que cette étape traversera la haute atmosphère vaporeuse où la traînée n’est pas un problème, Astra a décidé de la réduire à l’essentiel pour réduire sa masse.

Un aperçu rare de l’étage supérieur semblable à un satellite du Rocket 3, partiellement caché à l’intérieur de l’interétage conique.

L’inconvénient de cette conception est que l’étage supérieur fragile doit être recouvert jusqu’à ce que la fusée ait pris une altitude considérable. Ainsi, plutôt que de placer uniquement la charge utile dans un carénage aérodynamique protecteur, tout le deuxième étage doit être enfermé. La partie inférieure du deuxième étage est rentrée dans l’interétage creux, et un carénage allongé garantit que la charge utile et son trajet vers l’espace ne sont pas exposés à un flux d’air supersonique dans les premières phases de vol.

Compromis coûteux

La beauté de cette conception est que le matériau utilisé pour construire un carénage de charge utile, généralement en fibre de carbone ou en fibre de verre, est exceptionnellement léger. Même en tenant compte de la longueur de carénage supplémentaire nécessaire, le poids total finit par être inférieur à celui d’un deuxième étage avec un fuselage rigide plus traditionnel. Cela dit, il y a un problème flagrant avec cette approche si vous cherchez à construire la fusée la moins chère possible : la production de ces carénages de charge utile légers coûte très cher.

Assemblage du carénage de charge utile en aluminium de Rocket 3.

En fait, dans une interview de 2020 avec Ars Technica, le co-fondateur d’Astra, Chris Kemp, a admis que le coût astronomique des carénages en fibre de carbone avait forcé l’entreprise à les abandonner au profit de l’aluminium pour Rocket 3. Plutôt que de dépenser 250 000 $, Kemp a déclaré que l’équipe d’Astra était en mesure de les produire en interne pour seulement 2 500 $. C’est une énorme économie de coûts pour un véhicule aussi peu coûteux, mais le compromis est que les nouveaux carénages métalliques pèsent 20 % de plus que les originaux.

Le passage à des carénages de charge utile en aluminium plus lourds signifie que les économies de masse de la conception unique du deuxième étage d’Astra ne sont pas aussi substantielles que prévu à l’origine. En pratique, cela a probablement entraîné un impact sur la capacité de charge utile totale du véhicule, mais cela a toujours été considéré comme le bon choix du point de vue des coûts. Mais compte tenu de cet échec récent, peut-être que le changement a eu des implications plus importantes qui ne deviennent apparentes que maintenant.

Se coincer

En regardant la vidéo en direct du lancement du 11 février, nous pouvons clairement voir la chaîne d’événements qui a conduit l’étage supérieur à perdre le contrôle et finalement à ne pas entrer en orbite. À presque exactement trois minutes de vol, le carénage de la charge utile tremble visiblement, mais ne s’ouvre pas. Quatre secondes plus tard, le deuxième étage, propulsé vers l’avant par un mécanisme à ressort, percute le carénage mais ne parvient pas à le faire perdre. Enfin, à trois minutes et onze secondes de la mission, le moteur du deuxième étage s’allume alors qu’il est encore à l’intérieur de l’interétage. Cette accumulation de pression souffle sur le carénage, mais malheureusement déstabilise également le deuxième étage et le fait culbuter.

Nous pouvons clairement voir Quel arrivé, mais la tâche d’Astra est maintenant de comprendre Pourquoi c’est arrivé. La société basée à Alameda, en Californie, poursuit toujours une enquête auprès de la Federal Aviation Administration (FAA) et n’a pas encore publié de déclaration publique expliquant pourquoi le carénage de la charge utile ne s’est pas ouvert correctement lorsqu’il a été commandé.

Mais cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas spéculer en tant qu’ingénieurs de fauteuil. Se pourrait-il que le mécanisme utilisé pour séparer le carénage de la charge utile doive être renforcé en raison de la masse supplémentaire de l’aluminium ? On se demande également si les carénages de charge utile en fibre de carbone plus légers auraient cédé une fois que le deuxième étage les aurait percutés, sauvant potentiellement la mission. Quoi qu’il en soit, une chose est sûre : la fusée à bas prix d’Astra semble avoir le don d’échouer de manière inhabituelle.