Le CNES et Airbus-Safran étudient un moteur spatial réutilisable et low cost

Baptisé Prométhée, un projet du Cnes et d’Airbus Safran Launchers vise à construire un moteur de fusée qui serait dix fois moins cher que le Vulcain qui équipera Ariane 6, et surtout, qui sera réutilisable 5 fois. Un vrai pari technologique à base d’impression 3D, de maintenance prédictive, de simulation, et d’un changement de la filière d’ergols traditionnelle d’Ariane.

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Le CNES et Airbus-Safran étudient un moteur spatial réutilisable et low cost
Le moteur Vinci.

Les récents succès des américains Blue Origin et de Space X –fin 2015- dans la récupération d’étages de lanceur ont sans doute éclipsé les efforts que l’industrie européenne est en train de déployer dans le domaine du réutilisable. Récupérer l’étage principal d’un lanceur avec ses propulseurs équivaut à faire d’importantes économies si on peut le remettre en vol dans de bonnes conditions. C’est en effet à ce niveau que se situe l’essentiel de la valeur d’une fusée.

Pour y parvenir, il faut donc un moteur réutilisable. Très discrètement, le Centre national d’études spatiales (Cnes) et la société Airbus Safran Launchers (ASL) ont ainsi signé un contrat d’études début novembre pour explorer la faisabilité d’un moteur destiné à un futur lanceur européen réutilisable. L’objectif est radical : diviser par dix le prix du propulseur. Ainsi, ce futur moteur ne coûterait que 1 million d’euros, contre un peu plus de 10 millions pour le moteur Vulcain qui équipera Ariane 6. « Il était urgent pour l’Europe de concevoir un moteur nouveau qui utilise les technologies du 21e siècle, qui soit beaucoup moins cher que les moteurs actuels (Vulcain, Vinci) et réutilisable », résume Jean-Marc Astorg, directeur des lanceurs du Cnes.

Impression 3D

Son nom de code : Prométhée, pour Precursor Reusable Oxygen METHan cost Effective Engine. Près de 200 personnes vont y travailler dans les deux entités. Parmi les technologies qui seront à coup sûr utilisées figure la fabrication additive, qui permettra à la fois de réaliser du prototypage rapide, et à terme, la production de pièces de série à faible coût. Environ 50 % (en valeur) des pièces de Prométhée pourrait être réalisées en impression 3D, notamment certaines tuyauteries et vannes, ou la chambre de combustion. Au passage, la fabrication additive permettra de repenser la conception de certains composants de façon à diminuer le nombre de pièces.

Par ailleurs, ASL et le Cnes mettront en œuvre toutes les technologies permettant de baisser les temps de développement. « Nous allons paralléliser les calculs et les essais, et utiliser intensivement la simulation numérique », détaille David Tchou-Kien, responsable du projet Prométhée au Cnes. Témoin de cette accélération, Prométhée devrait tourner au banc d’essai avant 2020. A priori, les deux partenaires visent une poussée de 100 tonnes, même si ce chiffre n’est pas gravé dans le marbre.

Maintenance prédictive

Toutefois, il n’y aura en principe pas de ruptures majeures dans les matériaux utilisés ou dans la géométrie générale du moteur. Les innovations se situeront plutôt dans les systèmes, par exemple dans le logiciel de régulation de la puissance, ou l’ajout de protections thermiques pour encaisser la rentrée dans l’atmosphère. Il faudra faire revenir l’étage et ses moteurs sans endommagements, « dans un mode de retour en douceur, ce qui n’est pas facile », souligne Jean-Marc Astorg.

L’une des contraintes est de réduire au minimum les opérations de maintenance et de remise en vol, notamment en utilisant les techniques de la "Structural health monitoring", ces capteurs intégrés dans les structures qui permettent de faire de la maintenance prédictive. L’objectif est une remise en vol en quelques semaines, sans avoir à requalifier des composants, avec un potentiel de cinq réutilisations du moteur. Un chiffre considéré comme "raisonnable" par le directeur des lanceurs.

Méthane plutôt qu’hydrogène

Enfin, avec un ergol à base d'hydrocarbure, très certainement du méthane, Prométhée va entraîner une vraie rupture dans le choix des ergols traditionnellement utilisés par les lanceurs européens. Ces derniers fonctionnent à l’hydrogène liquide en raison de son rendement très efficace dans la poussée. Mais avec un lanceur réutilisable, ce ne sera plus possible car il faut emporter plus de carburant (environ 30 % supplémentaire). Or l’hydrogène a une densité trop importante (70 kg/mètre cube), et a tendance à dégrader les composants. Au contraire, le méthane affiche 420 kg/mètre cube (on peut donc embarquer plus de carburant) tout en générant peu d’endommagements.

Prométhée, s’il voit le jour, va donc participer à plein aux objectifs d’un futur lanceur européen réutilisable : l’enjeu est de diviser par deux les coûts au kilo mis en orbite géostationnaire (GTO), pour passer de 10 000 €/kg (pour la future Ariane 6) à 5 000 €/kg. Sachant qu’Ariane 6 doit déjà diviser par deux ses coûts par rapport à ceux d’Ariane 5 (20 000 €/kg) !

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