"Ariane 10 tonnes" : une nouvelle capacité pour l'Europe

Flight 157 - Ariane 5 moves to the final assembly facilty
Ariane 5 - Vol 157
28 novembre 2002

ESA Info 9-2002. Afin de répondre aux besoins du marché, l’Europe est sur le point de lancer une version nouvelle d’Ariane 5 capable de placer jusqu’à 10 tonnes de charge utile en orbite de transfert géostationnaire (date de lancement prévue 28 Novembre 2002). Cette évolution est la clef d’un maintien de la compétitivité de l’Europe dans le secteur du transport spatial commercial et de la pérennité de son accès autonome à l’espace.

A l’instar de l’Ariane 1 de 1979 dont ont été dérivées les versions Ariane 2, 3 et 4, Ariane 5 a été conçue dès l’origine comme le premier membre d’une nouvelle famille de lanceurs destinés à continuer à assurer à l’Europe un accès garanti et compétitif à l’espace. Ainsi, avant même le premier vol de ce nouveau lanceur, les pays membres de l’ESA, réunis en conseil ministériel à Toulouse en octobre 1995, ont-ils décidé la mise en chantier d’une version évoluée d’Ariane 5 avec une capacité d’emport accrue.

Le marché du transport spatial commercial, qui représente l’essentiel de l’activité des lanceurs Ariane, est largement tributaire de l’évolution du marché des satellites. Au cours des années 1990, celui-ci s’est caractérisé par une forte croissance de la puissance et de la capacité (donc de la masse) des satellites de télécommunications géostationnaires qui comptent à eux seuls pour plus de 95% du marché des lancements commerciaux. En 10 ans, la masse des gros satellites est passée de 2,5 à près de 5 tonnes. Depuis 2000, des commandes pour des satellites de 6 tonnes ou plus ont également été passées.

Dans le même temps, l’environnement concurrentiel a évolué, avec un tassement des commandes de nouveaux satellites, alors que le marché des communications connaît une phase de consolidation et de rationalisation, et l’entrée en service de nombreux lanceurs concurrents du système Ariane qui créent une situation de surcapacité.

Une réponse aux nouveaux besoins du marché

Afin d’offrir des capacités de lancements compétitives, depuis le début des années 80, le système Ariane a été optimisé pour le lancement double des satellites géostationnaires. Les nouvelles conditions du marché ont renforcé cet impératif. Dès 1995, l’ESA a engagé des études et des pré-développements pour accroître encore la capacité d’Ariane 5. En mai 1999, les ministres du Conseil de l’ESA approuvaient un nouveau plan d’amélioration du lanceur Ariane 5 afin d’atteindre une capacité de lancement de 10 tonnes en orbite de transfert géostationnaire en 2002 puis de 12 tonnes à l’horizon 2006. La gestion technique de ces programmes de développement complémentaires Ariane 5 a été, comme les précédents, déléguée par l’ESA au CNES, l’agence spatiale française et Arianespace continuera à en assurer la commercialisation, EADS-LV en étant l'architecte industriel.

Cette nouvelle capacité, ainsi que la stratégie définie pour l’atteindre tout en réduisant les coûts de production des lanceurs, garantit la possibilité pour Ariane 5 de lancer en double la quasi-totalité des satellites du marché, du plus gros au plus petit. De plus, sa coiffe de 5,4 m de diamètre permet de loger les satellites les plus volumineux.

Cet affranchissement des contraintes d’appairage s’accompagne d’un assouplissement des nécessités de remplissage, puisque le lanceur a été dimensionné pour réduire de manière très importante le coût du kg en orbite afin de rester compétitif même s’il est lancé avec deux satellites totalisant moins de 10 tonnes.

En pratique, grâce à ces améliorations, Ariane 5 sera à même d’embarquer à son bord les satellites par paires au fur et à mesure de leur arrivée à Kourou, grâce à une configuration à la fois puissante et standardisée.

Ce sont autant d’atouts qui assureront la pérennité de l’offre commerciale d’Arianespace pour les années à venir.

Une architecture éprouvée

Le premier lanceur Ariane 5 à 10 tonnes de capacité sera mis en oeuvre lors du Vol 157, 14e lancement d’Ariane 5 et 11e mission commerciale du lanceur européen depuis sa mise en service opérationnel par Arianespace en 1999. Le 28 novembre, le lanceur décollant de Kourou, Guyane Française, mettra en orbite deux charges utiles : un satellite de télécommunications Hot BirdTM 7 pour Eutelsat et un satellite technologique en télécommunications spatiales, STENTOR pour le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES).

Le lanceur « Ariane 10 tonnes », ou Ariane 5 ECA selon la nomenclature officielle, reprend l’architecture générale du lanceur Ariane 5, avec ses deux étages d’accélération à poudre (EAP), dont la mission consiste à « arracher » le lanceur à sa table de lancement, son étage principal cryotechnique (EPC), qui effectue l’essentiel de la mise en orbite, et un étage supérieur chargé de déployer les satellites sur l’orbite visée, le plus souvent une orbite de transfert géostationnaire culminant à 36 000 km d’où ils pourront rejoindre leur orbite définitive grâce à leur système propulsif embarqué.

Pour passer d’une capacité de 5.9 tonnes à 10 tonnes en lancement double, la plupart de ces éléments ont été « gonflés » afin d’en accroître les performances.

Moteurs « gonflés »

Sur les accélérateurs à poudre (maîtrise d'œuvre EADS-LV), dont les moteurs - réalisés par Europropulsion (Italie, France) - sont constitués chacun de trois segments, le plus petit de ceux-ci a vu sa charge de propergol augmentée de 10%, soit environ 2,5 tonnes. De par sa forme, ce segment est celui qui brûle le plus vite et qui donne au lanceur son impulsion initiale. Ce surchargement correspond en fait à une augmentation de 50 tonnes de la poussée lors des 20 premières secondes de vol. A eux deux, les accélérateurs à poudre délivrent alors une poussée de 1 400 tonnes, soit l’équivalent de 10 fois le moteur de l’étage central. A la fin du vol, cela se traduit par un gain de 400 kg au niveau de la charge utile. De plus ces accélérateurs ont été équipés d’une nouvelle tuyère qui comporte moins d’éléments et est donc plus facile et moins chère à produire.

L'EPC réalisé par EADS-LV comprend lui aussi de nombreux changements, son moteur cryotechnique Vulcain, produit par Snecma (France), a été l’objet de modifications pour augmenter sa poussée de 20%, atteignant 137 tonnes. Dans sa nouvelle version Vulcain 2, il brûle un mélange enrichi de 20% en oxygène liquide sous une pression légèrement supérieure à son prédécesseur. Ce nouveau rapport de mélange a nécessité le développement par FiatAvio (Italie) d’une nouvelle turbopompe à oxygène, capable de tourner à 13 000 tr/min. pour délivrer une pression de 161 bars. En outre, il a fallu augmenter la contenance du réservoir d’oxygène liquide de l’étage de 15 tonnes. Cela a été obtenu sans modifier la structure de l’étage, simplement en déplaçant de 640mm le fond commun entre les réservoirs d’oxygène et d’hydrogène liquides.

Autre amélioration dont a bénéficié le Vulcain 2, un nouveau divergent de tuyère, fabriqué par Volvo Aero (Suède), qui permet la réinjection des échappements des turbopompes dans le flux principal et améliore le rendement du moteur à haute altitude.

Au total, le Vulcain 2 assure à lui seul un gain de capacité de 1 300 kg vers l’orbite de transfert géostationnaire.

Un héritage d’Ariane 4

La principale nouveauté d’"Ariane 10 tonnes" se situe au niveau de l’étage supérieur. L’étage à propergol stockable (EPS) a été remplacé par un étage supérieur cryotechnique (ESC-A) chargé de 14,6 tonnes d’oxygène et hydrogène liquides. Cet étage, réalisé à Brême sous maîtrise d’œuvre d’Astrium (Allemagne), fait largement appel à des technologies éprouvées puisqu’il reprend notamment le réservoir d’oxygène liquide, le bâti moteur et l’ensemble propulsif du troisième étage d’Ariane 4, avec son moteur HM-7B, fourni par Snecma. Le réservoir d’hydrogène liquide bénéficie pour sa part des technologies développées pour celui de l’étage principal. Le seul élément inédit est un fond en forme de dôme dans lequel vient se loger le réservoir d’oxygène liquide.

L’étage repose sur une virole en matériaux composites de 5,4 m de diamètre et 2,8 m de haut réalisée par EADS CASA Espacio (Espagne).

L’ESC-A est la pièce maîtresse des améliorations d’Ariane 5 puisqu’il réalise à lui seul 60% du gain de performance par rapport à l’Ariane 5 précédente, alors que son coût de production avoisine celui de l’étage qu’il remplace. C’est à lui que revient également la responsabilité du déploiement des satellites avec la plus grande précision possible afin de leur garantir une durée de vie opérationnelle optimale.

Un programme de qualification rigoureux

Toutes ces modifications du lanceur Ariane 5 ont fait l’objet de procédures de qualifications rigoureuses, dans le cadre des programmes de développements de l’ESA et du programme d’accompagnement technologique des lanceurs Ariane, « ARTA », également géré par l’ESA et financé par les gouvernements européens.

Le surchargement des accélérateurs à poudre et leur nouvelle tuyère ont été qualifiés lors de deux essais à feu en vraie grandeur réalisés à Kourou en mai 2000 et novembre 2001. De son côté, le moteur Vulcain 2 a effectué plus de 130 tirs au banc à Vernon, en Normandie, et à Lampoldshausen, en Baden-Würtemberg. Il a ainsi accumulé plus de 50 000 secondes de fonctionnement, soit l’équivalent de quelque 100 vols.

L’étage ESC-A a fait l’objet d’une qualification poussée avec des essais dynamiques et vibratoires menés au centre de l’IABG à Ottobrunn (Allemagne). Le moteur HM-7B, bien qu’ayant déjà volé plus de 130 fois, a effectué sa propre campagne d’essais pour valider son bon fonctionnement dans les conditions de vol d’Ariane 5 avec notamment une durée de combustion allongée de 200 secondes. Une campagne d’essais opérationnels a également été menée à Kourou avec un étage complet pour vérifier les procédures et les interfaces nécessaires au remplissage et à la mise en oeuvre de l’étage sur le site de lancement, avec notamment l’utilisation de nouveaux bras cryotechniques rétractables montés sur le mât des tables de lancement mobiles.

Objectif : ré-allumage

L’ « Ariane 10 tonnes » constituera la version standard du lanceur Ariane 5 pour les prochaines années. Néanmoins, son successeur est d’ores et déjà à l’étude dans le cadre du programme Ariane 5 Plus décidé par les ministres européens lors des Conseils de l’ESA de Bruxelles en 1999 et d’Edimbourg en 2001. Le potentiel évolutif d’Ariane 5 étant loin d’avoir été épuisé, cette nouvelle version pourrait voir sa capacité portée à 12 tonnes en orbite de transfert géostationnaire.

Un nouvel étage supérieur cryotechnique plus puissant est en cours d’étude. Il sera équipé d’un nouveau moteur, le Vinci, déjà en cours de développement, capable de délivrer trois fois plus de poussée et d’effectuer des ré-allumages et des phases balistiques. Cette capacité de ré-allumage permettra d’accroître la flexibilité d’Ariane 5 pour répondre aux nouvelles demandes du marché pour de nouvelles orbites ou pour des déploiements complexes, par exemple celui de constellations en orbites moyennes, comme Galileo.

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