Réservoirs-tests alimentés en ergols pour le démonstrateur Themis de premier étage réutilisable de l’ESA

Grâce au programme Themis, l’ESA vise à évaluer la valeur économique de la réutilisation pour l’Europe tout en investissant dans de nouvelles technologies susceptibles d’être utilisées dans la future flotte de lanceurs de l’ESA. 

L’approche expérimentale de Themis favorise l’apprentissage par des tests matériels. Cette méthodologie Agile se concentre sur les activités de plus grande valeur tout en travaillant sur des délais courts.

Pour accélérer les développements, les technologies sont testées rapidement dans les cycles de conception-réalisation. Dans ce cadre, le maître d’œuvre ArianeGroup a récemment effectué six tests à Vernon, en France, afin de valider les processus et séquences fluidiques et électriques nécessaires au bon fonctionnement de deux réservoirs de propergol de test. Au cours de ces essais, les réservoirs ont été remplis puis vidés d’ergols cryogéniques. 

Cette première phase de Themis comprend la préparation des technologies du véhicule de vol, le banc de test et les essais de mise à feu statique de son moteur réutilisable Prometheus. Elle comprend également la préparation du segment sol au Centre spatial d’Esrange situé à Kiruna, en Suède, pour les premiers « hop tests » — des vols à faible altitude —, ainsi que toute modification du véhicule de vol. 

Les opérations fluidiques et électriques de ces réservoirs cryogéniques d’essai et des équipements au sol ont été validées à l’avance afin de réduire les risques liés aux essais de mise à feu à chaud avec le moteur Prometheus en cours d'intégration sur le même banc d’essai. 

« C’est une période passionnante ! Dans la prochaine étape pour Themis, nous allons combiner deux éléments clés pour l’avenir des systèmes de transport spatial en Europe. Tous deux sont développés dans le cadre du programme de préparation des lanceurs futurs de l’ESA. Themis, le premier étage réutilisable phare de l’ESA, et Prometheus, son moteur réutilisable de nouvelle génération et à faible coût », a déclaré Yann Tincelin, Ingénieur Projet pour les Systèmes de transport spatial à l’ESA.

Prometheus est un moteur à très bas coût construit en grande partie par fabrication additive par couches. Cela a permis de réduire le coût de production estimé d’un facteur dix par rapport au moteur Vulcain de l’étage central d’Ariane 5. Il est doté d’une poussée variable et de capacités d’allumages multiples et convient donc aux étages centraux et supérieurs des fusées.

La combinaison comburant/carburant utilisée pour Prometheus, oxygène et méthane liquides, est très efficace et permet la standardisation et la simplicité opérationnelle. Le propergol méthane est également largement disponible et facile à manipuler, ce qui réduira au minimum les opérations au sol avant et après le vol. 

Les technologies Prometheus sont susceptibles d’être intégrées dans les améliorations apportées aux moteurs de fusée actuellement en service.

L’industrie européenne avance à plein régime

Parallèlement aux activités en cours pour les essais de tir à chaud au sol, des démonstrateurs de vol Themis sont également en préparation. Un écosystème européen de partenaires industriels va de l’avant pour développer et fabriquer des composants. 

Les réservoirs cryogéniques en acier de la version de vol sont en cours de fabrication. Des systèmes optimisés et peu coûteux d’actionnement du vecteur de poussée sont en cours de conception pour Prometheus. Le système de pieds d’atterrissage est entré dans sa phase de conception finale avant fabrication. Tous ces éléments constitutifs seront réunis pour être intégrés sur le démonstrateur de vol Themis pour des « hop-tests » à basse altitude à Kiruna, en Suède.

Pendant ce temps, la conception finale de l’ensemble de lancement 3 du centre spatial Kiruna Esrange a été revue par le centre spatial suédois et ArianeGroup, afin de préparer les premiers essais de saut de Themis en Suède en 2023. 

Ces avancées progressives reposent sur une évaluation rapide à chaque étape intermédiaire, en se concentrant d’abord sur la réduction des risques techniques liés à l’intégration de Prometheus sur un étage pleinement opérationnel, puis sur des vols de plus en plus représentatifs de lanceurs opérationnels. 

Les dernières étapes consisteront en des vols depuis le Port spatial de l'Europe en Guyane en 2025 pour démontrer le trajectoire ascensionnelle à haute altitude, la rentrée, l’atterrissage, la remise en état et la réutilisation, avec un démonstrateur intégré Themis équipé de trois moteurs Prometheus et de tous les sous-systèmes nécessaires pour permettre la récupération de l’étage.