SpinLaunch et l’histoire du lancement de choses dans l’espace

Il est juste de dire qu’il n’y a vraiment aucune phase de vol spatial qui puisse être considérée comme facile. Mais on pourrait faire valoir que le plus partie difficile du voyage d’un vaisseau spatial se situe au tout début, dans les premières minutes de vol. À ce stade, la fusée d’appoint du véhicule se battra de toutes ses forces contre son immense masse chargée de propulseur, une bataille qu’elle a été conçue pour gagner avec la plus petite des marges. En supposant que l’équilibre a été correctement atteint et que le véhicule s’éloigne de la rampe de lancement, il devra encore faire face à l’atmosphère épaisse du niveau de la mer à mesure qu’il accélère, une pression dynamique de construction qui culmine avec un point connu sous le nom de « Max q » – le moment où la densité de l’air impose la charge structurelle maximale sur la fusée avant de chuter rapidement alors que le véhicule continue de monter et que l’atmosphère s’amincit.

Les fusées lancées par voie aérienne évitent de voler dans l’air dense au niveau de la mer.

Alors que la grande majorité des lancements de fusées doivent faire face aux réalités du vol dans la basse atmosphère, il existe quelques exceptions. En lançant une fusée depuis un avion, il peut éviter d’avoir à s’alimenter depuis le niveau de la mer. Cela permet à la fusée d’être plus petite et plus légère, car elle ne nécessite pas autant de propulseur et ses moteurs n’ont pas besoin d’être aussi puissants.

L’inconvénient de cette approche est cependant que même une fusée relativement petite a besoin d’un très gros avion pour la transporter. Par exemple, la fusée LauncherOne de Virgin Orbit doit être transportée à l’altitude de lancement par un avion de ligne Boeing 747-400 afin de placer une charge utile de 500 kg (1100 lb) en orbite.

Et s’il y avait un autre moyen ? Et si vous pouviez obtenir tous les avantages du démarrage de votre fusée à partir d’une altitude plus élevée, sans les coûts et les problèmes logistiques liés à son transport avec un avion massif ? Cela peut sembler impossible, mais la réponse est en fait assez simple… tout ce que vous avez à faire est de le lancer assez fort.

Se réveiller

Cela peut ressembler à de la science-fiction, mais c’est exactement ce sur quoi travaille actuellement la startup SpinLaunch dans le désert du Nouveau-Mexique. Le plan est d’utiliser leur accélérateur de masse, essentiellement une centrifugeuse scellée sous vide, pour faire tourner une petite fusée jusqu’à une vitesse de 8 000 km/h (5 000 mph). Le véhicule subira jusqu’à 10 000 G avant d’être soigneusement relâché au moment précis qui lui permettra de sortir de la centrifugeuse vers le ciel par un sas à actionnement rapide.

La fusée roulerait alors jusqu’à une altitude d’environ 61 000 mètres (200 000 pieds), moment auquel elle allumerait son moteur de premier étage. À partir de ce moment, le vol progresserait plus ou moins comme un lancement de fusée traditionnel, la charge utile étant finalement accélérée à une vitesse orbitale nominale de 28 200 km/h (17 500 mph). La grande différence serait le coût, car SpinLaunch estime que chaque lancement pourrait coûter aussi peu que 500 000 USD.

Actuellement, SpinLaunch effectue des tests sur une centrifugeuse à l’échelle un tiers qui a un diamètre de 33 m (108 pieds) et renonce au sas complexe à grande vitesse pour une simple feuille de matériau mince que le projectile de test fracasse lorsqu’il est libéré. Cela signifie naturellement que la centrifugeuse perd son vide lors de sa libération, mais ce n’est pas vraiment un problème si tôt dans le jeu ; le maintien du vide ne deviendra important que lorsque le système sera pleinement opérationnel, et est destiné à aider à maintenir une cadence de lancement rapide car la chambre de centrifugation massive n’aura pas besoin d’être pompée à plusieurs reprises.

La fusée SpinLaunch opérationnelle ne sera pas très différente d’un booster traditionnel.

Jusqu’à présent, ils ont lancé des projectiles passifs à une altitude rapportée de « dizaines de milliers de pieds », mais c’est loin d’atteindre l’orbite, et encore moins dans l’espace. La clé pour faire fonctionner ce système est de développer une fusée qui peut non seulement résister aux immenses forces g qu’elle subira tout en étant accélérée, mais aussi être capable de se guider pendant la phase de côte avant l’allumage du moteur en utilisant l’une ou l’autre des surfaces de contrôle. Il va également sans dire qu’une telle fusée n’a qu’une seule chance de bien faire les choses – si le moteur d’une fusée d’appoint traditionnelle ne s’allume pas à T-0, le lancement peut être nettoyé et le véhicule reconfiguré pour réessayer. Mais il n’y a pas de changement lorsque le véhicule vole déjà dans les airs.

SpinLaunch semble confiant qu’ils peuvent résoudre les problèmes d’ingénierie impliqués, mais le fait demeure qu’un projet similaire a été entrepris en tant que coentreprise par les États-Unis et le Canada dans les années 1960, et les choses ne se sont pas exactement déroulées comme prévu.

Le besoin de vitesse

Tir du canon HARP.

Techniquement, le projet de recherche à haute altitude (HARP) a débuté dans les années 1950 lorsque l’ingénieur balistique Gerald Bull s’est mis en tête qu’avec un canon suffisamment gros, vous devriez pouvoir tirer une charge utile directement dans l’espace. Mais toute personne familière avec Jules Verne De la Terre à la Lune sait que l’idée est beaucoup plus ancienne que cela. Conceptuellement, cela a un certain sens, et ce n’est pas comme si l’humanité n’avait pas passé des centaines d’années à perfectionner des armes à poudre de toute façon.

Le canon HARP a été construit en soudant ensemble des canons de canon naval de 16 pouces et monté de telle manière qu’il puisse être élevé dans une position presque verticale. La Barbade a été choisie comme site de test principal car sa proximité relative avec l’équateur signifiait théoriquement que les projectiles tirés vers l’est recevraient une augmentation de leur vitesse en raison de la rotation de la Terre. À partir de 1962, une série de lancements a été effectuée au cours de laquelle le canon a tiré des fusées-sondes Martlet de fabrication canadienne d’environ 1 800 mm (70 pouces) de longueur.

Les premiers vols transportaient des charges utiles de recherche qui étudiaient non seulement les performances du canon lui-même, mais observaient également les conditions de la haute atmosphère et de l’espace proche. Les versions mises à jour comprenaient des moteurs de fusée solides conçus pour s’enflammer après que la fusée ait roulé pendant environ 15 secondes dans le but d’augmenter leur vitesse et leur altitude maximale. Le but ultime était de développer une fusée à plusieurs étages qui pourrait transporter une petite charge utile de 23 kg (50 lb) à une altitude d’environ 425 km (264 mi).

À la fin de HARP en 1967, le canon avait tiré avec succès plus de 200 roquettes Martlet, dont certaines avaient atteint une apogée pouvant atteindre 180 kilomètres (112 miles). Avec un coût par lancement de seulement 3 000 USD, soit environ 27 000 USD en 2022, il reste l’un des moyens les plus rentables de livrer une charge utile au-dessus de la ligne de 100 km de Kármán qui marque la frontière internationalement reconnue de l’espace.

Malheureusement, malgré des efforts considérables, HARP n’a jamais été en mesure de développer une fusée Martlet capable de s’accélérer avec succès au-delà de la vitesse initiale à laquelle elle a été tirée du canon. Pour cette raison, aucune des fusées n’a pu atteindre l’orbite et est retombée sur Terre – souvent non loin du canon lui-même.

Le principal problème était l’incapacité de développer un moteur de fusée capable de survivre aux plus de 12 000 g auxquels chaque fusée était soumise lorsqu’elle était tirée du canon. Ainsi, alors que HARP était techniquement un programme de lancement spatial réussi, il se limitait aux vols de recherche suborbitaux qui devenaient moins utiles sur le plan scientifique à mesure que les programmes de fusées plus traditionnels dirigés par la NASA commençaient à mûrir.

Explorer de nouvelles opportunités

Bien sûr, ce n’est pas parce que les ingénieurs de HARP n’ont pas pu concevoir un moteur-fusée capable de survivre à des forces g élevées dans les années 1960 que SpinLaunch ne peut pas le faire. Ce ne serait pas la première fois qu’une petite startup réaliserait quelque chose que l’industrie aérospatiale enracinée avait jugé impossible. La société est également clairement consciente du défi, car elle a récemment publié des vidéos expliquant qu’une grande partie de ses recherches est actuellement consacrée à l’exploration des effets de l’environnement de la centrifugeuse sur divers composants de fusées et d’engins spatiaux.

SpinLaunch a découvert que l’électronique moderne était étonnamment résistante aux forces g extrêmes.

Mais le fait demeure que de nombreux défis attendent SpinLaunch. L’histoire nous dit que le développement du moteur ne sera pas facile, mais il n’y a vraiment aucun précédent pour la construction d’un accélérateur de masse de l’échelle qui serait nécessaire pour propulser leur véhicule dans la haute atmosphère. On ne peut pas non plus ignorer la réalité que le coût des vols spatiaux chute déjà précipitamment grâce à la concurrence commerciale entre des fournisseurs tels que SpaceX, Rocket Lab et Astra. Un prix de lancement de 500 000 $ aurait été révolutionnaire il y a 20 ans, mais aujourd’hui, ce n’est pas loin de là où le marché se dirige de toute façon.

Déploiement de CubeSat à ressort depuis l’ISS

Cela dit, tous les signes indiquent une nouvelle ère passionnante dans l’exploration spatiale à venir, et il n’est pas hors de question que SpinLaunch puisse trouver son plus grand succès loin de la Terre. Par exemple, un accélérateur SpinLaunch sur la Lune aurait beaucoup plus de facilité à lancer des véhicules en orbite sans atmosphère à affronter. Étant donné l’objectif de la NASA d’établir une présence à long terme sur et autour de la Lune, un système qui pourrait décoller à moindre coût des charges utiles de la surface lunaire serait probablement très demandé.

On pourrait également imaginer un petit lanceur de satellites centrifuge monté sur une future station spatiale pour distribuer des CubeSats et d’autres charges utiles à propulsion interne limitée. Cela peut sembler tiré par les cheveux, mais gardez à l’esprit que le JEM Small Satellite Orbital Deployer (J-SSOD) japonais actuellement utilisé sur la Station spatiale internationale utilise un simple mécanisme à ressort pour pousser le vaisseau spatial hors de ses racks de stockage. Un petit accélérateur de masse qui permet à l’opérateur de l’engin spatial de sélectionner la vitesse et même l’angle de départ de son engin serait une nette amélioration par rapport à l’état actuel de la technique.

Le fait est que nous ne savons tout simplement pas ce que l’avenir réserve à SpinLaunch. Leur démonstrateur technologique actuel est impressionnant pour ce qu’il est, mais en même temps, il est si éloigné de ce qui serait réellement nécessaire pour atteindre leurs objectifs que ce n’est guère un indicateur que l’entreprise est sur la bonne voie. Seul le temps dira s’ils peuvent réussir là où d’autres ont échoué, ou si leur accélérateur de masse rejoindra HARP comme une autre note de bas de page intéressante dans la longue histoire des vols spatiaux.