Atteindre l’orbite autour de la Terre est un exploit incroyablement difficile. On croit souvent, à tort, que se mettre en orbite implique simplement de se placer très haut au-dessus du sol. Le véritable truc, c'est d'aller de côté. très, très vite. Jusqu'à présent, le moyen le plus viable que nous avons trouvé pour y parvenir consiste à utiliser de grosses fusées à plusieurs étages complexes qui perdent des morceaux d'elles-mêmes lorsqu'elles sortent de l'atmosphère en rugissant.
Les lanceurs à un étage en orbite (SSTO) représentent une étape révolutionnaire dans le voyage spatial. Ils promettent un moyen plus simple et plus rentable d’atteindre l’orbite par rapport aux fusées traditionnelles à plusieurs étages. Aujourd'hui, nous allons explorer l'incroyable potentiel offert par les véhicules SSTO et pourquoi la création d'un exemple pratique est pratiquement impossible avec notre technologie actuelle.
Un exercice d’équilibre
Le concept SSTO ne décrit pas une seule conception de vaisseau spatial. Au lieu de cela, il fait référence à tout vaisseau spatial capable d'atteindre l'orbite en utilisant un système de propulsion unique et unifié et sans larguer aucune partie du véhicule.
Les fusées orbitales d’aujourd’hui perdent des étages à mesure qu’elles consomment du carburant. Il y a une raison majeure à cela, connue sous le nom de tyrannie de l’équation de la fusée. Fondamentalement, un vaisseau spatial doit atteindre une certaine vitesse pour atteindre son orbite. Atteindre cette vitesse à partir de zéro – c'est-à-dire lorsque la fusée est posée sur la rampe de lancement – nécessite un changement de vitesse, ou delta-V. L'équation de la fusée peut être utilisée pour déterminer la quantité de carburant nécessaire pour un certain delta-V, et donc une orbite souhaitée.
Le problème est que la masse de carburant requise évolue de façon exponentielle avec le delta-V. Si vous voulez aller plus vite, vous avez besoin de plus de carburant. Mais il faut alors encore plus de carburant pour supporter le poids de que carburant, etc. De plus, tout ce carburant a besoin d’un réservoir et d’une structure pour le contenir, ce qui rend les choses encore plus difficiles.
Faites les calculs d'une conception potentielle de SSTO, et le carburant nécessaire pour atteindre l'orbite finit par absorber la quasi-totalité du poids du lanceur. Il reste une masse précieuse pour la structure propre du véhicule, sans parler de toute charge utile utile. Tout cela se résume à la « fraction massique » de la fusée. Un SSTO propulsé même par nos moteurs de fusée chimiques les plus efficaces nécessiterait que la grande majorité de sa masse soit dédiée aux propulseurs, sa structure et sa charge utile étant minuscules en comparaison. Cela est dû en grande partie à la nature de la Terre. Notre planète a une forte attraction gravitationnelle et la vitesse orbitale minimale est assez élevée, soit environ 7,4 kilomètres par seconde.
Trac
Historiquement, nous avons trompé l’équation des fusées grâce à une ingénierie intelligente. L’astuce avec les fusées étagées est simple. Ils perdent leur structure à mesure que le carburant brûle. Il n’est pas nécessaire de continuer à transporter des réservoirs de carburant vides en orbite. En lâchant des réservoirs vides pendant le vol, le carburant restant sur la fusée doit accélérer une masse plus petite, et donc moins de carburant est nécessaire pour amener la fusée finale et la charge utile sur son orbite prévue.
Jusqu’à présent, les fusées étagées étaient le seul moyen pour l’humanité d’atteindre l’orbite. Saturne V avait cinq étages, les fusées plus modernes ont tendance à en avoir deux ou trois. Même la navette spatiale était une conception par étapes : elle a abandonné ses deux fusées d'appoint lorsqu'elles étaient vides, et a fait de même avec son réservoir externe de carburant liquide.
Mais même si les lanceurs par étapes peuvent faire le travail, c'est une façon inutile de voler. Imaginez si chaque vol commercial vous obligeait à jeter les trois quarts de l’avion. Même si nous apprenons à réutiliser les pièces abandonnées des fusées orbitales, cela reste un exercice difficile et coûteux.
Le principal avantage d’un lanceur SSTO serait son efficacité. En éliminant le besoin de supprimer des étages pendant l'ascension, les véhicules SSTO réduiraient les coûts de lancement, rationaliseraient les opérations et augmenteraient potentiellement la fréquence des missions spatiales.
Pousser l'enveloppe
On pense actuellement que la construction d’un véhicule SSTO utilisant la technologie conventionnelle des fusées chimiques est marginalement possible. Vous auriez besoin de moteurs de fusée efficaces brûlant le bon carburant et d'une fusée légère avec presque aucune charge utile, mais en théorie, cela pourrait être fait.
Idéalement, cependant, vous voudriez un lanceur à un seul étage qui pourrait réellement atteindre l’orbite avec une charge utile utile. Qu'il s'agisse d'un satellite, d'astronautes humains ou d'une sorte de package scientifique. À ce jour, il y a eu plusieurs projets et propositions concernant les lanceurs SSTO, mais aucun d’entre eux n’a abouti jusqu’à présent.
Une conception remarquable était le vaisseau spatial Skylon proposé par la société britannique Reaction Engines Limited. Skylon était destiné à fonctionner comme un avion spatial réutilisable alimenté à l'hydrogène. Il décollerait d'une piste d'atterrissage, utilisant des ailes pour générer une portance qui l'aiderait à monter à 85 000 pieds. Cela améliore le rendement énergétique par rapport au simple fait de pointer le lanceur vers le haut et de combattre la gravité avec la seule poussée pure. De plus, il brûlerait l’oxygène de l’atmosphère pour atteindre cette altitude, éliminant ainsi le besoin de transporter de lourdes réserves d’oxygène à bord.
Une fois à l’altitude appropriée, il passerait aux réservoirs internes d’oxygène liquide pour la phase finale d’accélération jusqu’à la vitesse orbitale. La conception remonte à plusieurs décennies, jusqu'au précédent projet d'avion spatial britannique HOTOL. Les travaux se poursuivent sur le moteur SABRE (Syngergetic Air-Breathing Rocket Engine) proposé qui propulserait théoriquement Skylon, bien qu'il n'existe aucun plan concret pour construire l'avion spatial lui-même.
Lockheed Martin avait également le concept d'avion spatial VentureStar, qui utilisait un moteur-fusée innovant « aerospike » qui maintenait une excellente efficacité sur une large plage d'altitude. L’entreprise a même construit un vaisseau d’essai réduit appelé X-33 pour explorer les idées qui le sous-tendent. Cependant, le financement du programme a été réduit au début des années 2000 et son développement a été interrompu.
McDonnell Douglas a également eu une idée au début des années 1990. Le DC-X, également connu sous le nom de Delta Clipper, était un prototype de véhicule à décollage et atterrissage verticaux. Mesurant seulement 12 mètres de haut et 4,1 mètres de diamètre, il s'agissait d'un prototype à l'échelle un tiers destiné à explorer les technologies liées au SSTO.
Elle décollerait verticalement comme une fusée traditionnelle et reviendrait sur Terre le nez en premier avant d'atterrir sur sa queue. L'espoir était que la combinaison d'une opération en une seule étape et de ce profil de mission permettrait d'obtenir des délais d'exécution extrêmement rapides pour les lancements répétés, ce qui était considéré comme une aubaine pour des applications militaires potentielles. Bien que ses technologies se soient montrées prometteuses, le projet a finalement été interrompu lorsqu'un véhicule d'essai a pris feu après que la NASA a repris le projet.
En fin de compte, un lanceur SSTO viable, capable de transporter une charge utile, sera probablement très différent des fusées que nous utilisons aujourd’hui. S'appuyer sur les ailes pour générer de la portance pourrait permettre d'économiser du carburant, et s'appuyer sur l'air présent dans l'atmosphère réduirait le poids du comburant qui devrait être transporté à bord.
Cependant, ce n’est pas aussi simple que de simplement installer un avion spatial équipé d’un moteur respiratoire et de dire que c’est terminé. Aucun moteur respiratoire existant ne peut atteindre la vitesse orbitale, donc un tel engin aurait également besoin d'un moteur-fusée supplémentaire, ajoutant du poids. De plus, il convient de noter qu’un lanceur réutilisable aurait également besoin d’une protection thermique importante pour survivre à la rentrée. On pourrait potentiellement construire un véhicule en orbite à un seul étage non réutilisable qui resterait simplement dans l’espace, bien sûr, mais cela annulerait bon nombre des avantages alléchants de l’ensemble du concept.
Les véhicules à un seul étage en orbite promettent de transformer la façon dont nous accédons à l’espace en simplifiant l’architecture des lanceurs et en réduisant potentiellement les coûts. Même s’il reste de formidables obstacles techniques à surmonter, les progrès continus de la technologie aérospatiale laissent espérer que la SSTO pourrait devenir une réalité pratique à l’avenir. À mesure que la technologie progresse dans les domaines des matériaux, des fusées et de l’ingénierie aérospatiale en général, le rêve d’un cheminement en orbite en une seule étape reste un objectif futur alléchant.
Image en vedette : Skylon Concept Art, ESA/Reaction Engines Ltd
