L'ESPACE PRIVEE, SPACE X


LE LANCEUR FALCON 9 "HEAVY"

Annoncé pour 2013 et sans cesse repousser, le Falcon 9 Heavy vole pour la première fois le   janvier 2018.

Au milieu des années 2000, SpaceX qui développe à l'époque le Falcon 9, annonce qu'elle réalisera une version lourde de cette fusée en accolant deux premiers étages supplémentaires reprenant l'architecture de la Delta IV Heavy. Cette version a pour vocation de venir concurrencer les lanceurs lourds de l'époque sur le marché des satellites de télécommunications à placer en orbite géostationnaire. La Falcon Heavy doit être opérationnelle deux ans après le premier vol de la Falcon 9.

En 2006 SpaceX annonce que le lanceur pourra placer 24,75 tonnes en orbite basse pour un coût de 78 millions US$. La charge utile est réévaluée en 2007 (28 tonnes) et 2010 où elle atteint 32 tonnes pour un coût de 95 millions US$. Le développement de la Falcon 9 V1.1 finalisé en 2011 et beaucoup plus puissante a des répercussions directes sur les dimensions et les performances de la version Heavy qui s'accroissent encore.

En 2013 SpaceX annonce un premier vol en 2013 à partir de la base de lancement de Vandenberg en Californie. A la suite de la reprise par SpaceX du complexe de lancement 39A du centre spatial Kennedy (Floride), SpaceX annonce que son nouveau lanceur décollera uniquement de Floride.

En 2015 les performances sont encore revues à la hausse avec une masse en orbite basse de 53 tonnes et en orbite géostationnaire de 21,2 tonnes. Ces performances sont encore revues en 2016 et en 2017 le constructeur affiche sur son site une masse en orbite basse de 63,8 tonnes et en orbite géostationnaire de 26,7 tonnes.

La date du premier vol a été reporté à plusieurs reprises notamment à cause des difficultés techniques qui n'avaient pas été anticipées par les responsables du projet. Finalement en 2016 un premier vol est annoncé courant 2017 puis repoussé fin 2017 à la suite de l'explosion de la Falcon 9 en septembre 2016. Les hypothèses de travail basées sur la fusée Falcon 9 ont sous estimé les changements dans l'aérodynamique et les charges imposées à la structure. Le passage à Max Q ne s'effectue plus au même moment. La transition du subsonique au transsonique est modifié de manière importante par la présence de 27 moteurs-fusées exerçant simultanément une poussée. Ceux-ci triplent les vibrations et les répercussions acoustiques. Pour traiter ces problèmes il a fallu renforcer de manière importante l'étage central. Le développement du système de séparation des étages d'appoint a été particulièrement difficile. Enfin la mise à feu initiale des 27 moteurs-fusées a nécessité la mise au point d'une procédure d'allumage spécifique : les moteurs-fusées seront allumés deux par deux avec un petit intervalle de temps pour permettre l'arrêt des opérations de lancement en cas de détection d'un problème sur la propulsion.

Mars 2017, la fusée massive commence à prendre forme au siège social de SpaceX à Hawthorne, en Californie. Il s'agit juste d'une maquette grandeur nature du "core" central, sans moteur, le B1027. SpaceX  expédie l'étage à McGregor, au Texas, pour les tests de charge structurelle, pour valider que le véhicule pouvait réellement supporter le poids qu'il était conçu pour soulever.
Ensuite, SpaceX met en fabrication le modèle de vol du "core" central, un block 3, identifié B1033 et se sert de 2 "core" qui ont déjà volés comme boosters latéraux, les B1023 et 1025, 2 anciens Block 2.
 

Hot fire des "core" 1023 et 1033 à Mc Gregor en avril 2017

Le 9 mai 2017 le premier étage central renforcé fait l'objet d'un tir statique sur le banc d'essais de McGregor au Texas ainsi que les 2 "core" latéraux (réutilisés après un vol chacun). Les installations de Mc Gregor ne pouvant pas tester les 3 "core" assemblés. Le "core" central est transféré par la suite à Cape Canaveral où il est accouplé aux 2 autres "core". Le lanceur est assemblé dans le HIF du pad 39A en décembre 2017 et installé sur le pad pour vérifier les installations. Pour son premier vol, pas de charges utiles, juste le coupé sport "RoadCaster" de Elon Musk, placé sous la coiffe que le milliardaire compte envoyer en orbite autour du soleil accompagné par la musique de "Space Odity" de David Bowie. Le "hot fire", au tir statique des 27 moteurs étaient espérer avant les fêtes de fin d'année, il n'aura lieu que le 24 janvier 2018.

CARACTERISTIQUES

Le lanceur est réalisé en accouplant au lanceur Falcon 9 v1.1 deux propulseurs d'appoint constitués du premier étage de cette même fusée. Le deuxième étage est identique à celui de la Falcon 9. Le lanceur est conçu de manière à permettre la récupération du premier étage et des deux propulseurs d'appoint mais au prix d'une forte réduction de la charge utile.

   

Le "core" central fait office de premier étage. Sa structure de poussée a été renforcée et des systèmes d'attache pour solidariser les deux boosters ont été ajouté au niveau du segment avant et arrière de l'étage. L'étage central est haut de 42,6 mètres et a un diamètre de 3,66 mètres. Sa masse à vide est environ de 25,6 tonnes et il emporte 123,57 tonnes de RP1 et 287,43 tonnes de LOX. Cette quantité d'ergols embarquée est obtenue en utilisant la technique de refroidissement appliquée sur la Falcon V1.1 FT. Celle-ci permet d’accroître la densité. Le réservoir d'oxygène liquide est une structure monocoque (sans pièces externes pour assurer sa rigidité et résister aux efforts) tandis que le réservoir de kérosène comporte des longerons et des couples. L'étage est propulsé par 9 moteurs Merlin 1D+ de 85 tonnes de poussée au sol (91 tonnes dans le vide) avec une IS de 282 secondes au niveau de la mer (311 secondes dans le vide). La poussée des moteurs est modulables entre 55 et 100 % (la limite inférieure pourrait être de 40%). La durée de combustion est de 230 secondes. L'étage fonctionne 1 minute de plus que les propulseurs d'appoint ce qui l'amène à une altitude et une vitesse beaucoup plus importante que le premier étage de la Falcon 9, rendant sa récupération plus complexe. Le "core" central retourne non pas au sol mais sur une des barges de Space X en mer.

Le Merlin 1D est une version améliorée du 1C qui utilise des techniques de fabrication et de contrôle de qualité améliorées pour assurer une production en plus grand nombre par an tout en réduisant le risque global. C'est un moteur avec générateur de gaz fonctionnant en cycle ouvert. Le générateur brûle du RP1 avec un peu de LOX venant des turbo pompes pour générer des gaz haute pression qui entraîne une turbine montée sur le même axe. Le RP1 haute pression sert aussi à actionner les vérins des tuyères. Le générateur de gaz chauffe aussi de l'hélium pour pressuriser les réservoirs du "core" en vol. Les gaz sortent au final par une tuyère auxiliaire sur le coté. Le RP1 froid passe aussi par les tubulures de la tuyère pour la refroidir avant d'être aspirer par la turbo pompe et brûler avec le LOX.

La chambre de combustion a été changé pour assurer une durée de vie augmentée et des marges thermiques élevées. Elle fonctionne sous une pression de 110 bars.

 

A l'image des lanceurs US Delta IV et Russe Angara, le Falcon Heavy utilise comme booster un premier étage de Falcon 9 similaire à l'étage central ce qui permet de réduire les coûts. Au début des études, Space X voulait étirer ses boosters afin d'en augmenter la capacité en propergols. Le concept a été abandonné en faveur de "core" similaire, le central étant simplement renforcé pour subir tout l'effort de poussé sur sa structure.
 Chaque "core" est long de 44,6 mètres et a un diamètre de 3,66 mètres avec une masse à vide de 22,5 tonnes. Il emporte 411 tonnes d'ergols (287,4 tonnes de LOX et 123,6 tonnes de RP1). L'extrémité supérieure est coiffée par un cône en composite haut de 3,4 mètres.
La motorisation est similaire au "core" central avec 9 moteurs Merlin 1D de 85 tonnes de poussée.

Il était initialement envisagé pour les charges utiles les plus lourdes (plus de 45 tonnes) d'utiliser un système d'alimentation croisé entre les propulseurs d'appoint et le premier étage qui aurait permis de transférer des ergols vers les réservoirs de l'étage central en cours de vol ce qui aurait permis d'allonger sa durée de fonctionnement de l'étage central. Ce dispositif complexe a été abandonné à la suite de l'amélioration de la performance des moteurs Merlin 1D.

Le système de fixation des propulseurs d'appoint à l'étage central repose sur des pinces de serrage qui s'ouvrent pour le largage et qui évitent d'utiliser des dispositifs de séparation pyrotechniques non réutilisables. Chaque propulseur d'appoint dispose de son propre système de contrôle d'attitude utilisant des propulseurs à gaz froid. Ceux-ci sont utilisés pour le largage des propulseurs et pour orienter l'étage lors de son vol de retour sur Terre en vue de sa récupération. Chaque "core" fonctionne durant 162 secondes.

Comparaison des interstage du Falcon 9 de base et Heavy

Le second étage est le même que celui utilisé pour la Falcon 9 de base. Il emploie lui aussi des ergols hyper froid pour optimiser les performances. De même diamètre que les "core" de base, il mesure 12,6 m de long pour une masse sèche de 4000 kg. Les réservoirs sont mono coque en alliage d'aluminium Lithium. Ils contiennent 75 200 kg de LOX et 32 300 kg de RP1.
Le moteur Merlin 1D+ est optimisé pour fonctionner dans le vide avec une tuyère allongé faisant passer l'IS à 348 secondes et la poussé à 95 tonnes. il fonctionne environ 420 secondes.

 

La coiffe en forme de bulbe est la même que le Falcon 9 de base. Elle pèse 1750 kg pour une longueur de 13,1 m et un diamètre de 5,2 m. Elle est fabriquée en nid d'abeille d'aluminium avec des fibres de Carbone. Elle s'ouvre en 2 demi coiffe grâce à un système pneumatique. 

   

La coiffe s'ouvre selon l'axe Y du lanceur, autrement dit sur les cotés lorsqu'on regarde le lanceur sur le pad par devant, le TEL étant derrière. Elle est attaché en 6 points, les pistons pour la séparation étant aux point C2 et 6. La coiffe a 2 portes d'accès dans sa partie cylindrique de forme ellipsoïdale (450 x 550 mm)

La capacité de lancement annoncée en 2015 est, au départ de Cap Canaveral, en version "expendable c'est à dire consommable sans récupéré les 3 "cores" de 53 tonnes en LEO, 21 tonnes en GTO et 13 tonnes vers Mars. En 2016, les performances sont réajustées, avec 54 400 kg en LEO, 22 200 en GTO et 13 600 kg vers Mars en version expendable. En récupérant les "core" latéraux, la charge baisse à 10 tonnes en GTO. En récupérant le "core" central" et les latéraux, elle tombe à 8 tonnes en GTO.
En 2017, les performances ont un peu évolué avec 64 tonnes en LEO, 26,7 tonnes en GTO et 17 tonnes vers Mars en version "expendable". En récupérant 2 "core", on passe à 10 tonnes en GTO et avec la récupération des 3 "core" on arrive à 8 tonnes en GTO.
Pour le premier vol du Heavy en 2018, Space X utilise des "core" en version Block 3, réduisant la capacité de lancement de 30%, soit 5 tonnes en GTO avec récupération des 3 "core".

Space X annonce le Falcon 9 v1.2 Bk3 pour une capacité de lancement de 8,3 tonnes en GTO. Les récupérations de "core" enlève respectivement 5% de masse de carburant pour un retour sur barge et 3% pour un retour sur LZ. Les 8 tonnes de capacité du Heavy en GTO avec récupération des 3 "core" correspondent à 50% de plus que la Falcon 9 de base (5,3 tonnes en GTO avec récupération du "core"). Sachant que le Falcon 9 pèse au décollage 550 tonnes contre 1400 tonnes pour le Heavy, Space X peine à lancer une masse double pour un lanceur 3 fois plus lourd. Même si la masse en propergol triple, le Heavy semble être un lanceur très lourd à vide. Les modifications structurelles faites aux "core" ont alourdit la masse sèche.

Au niveau prix, en 2013, Space X annonçait 56 millions $ pour le Falcon 9 de base et entre 77 et 135 millions $ pour le Heavy. En 2017, Space X annonçait 62 millions $ pour un lancement de Falcon 9 (60 millions pour un satcom en position basse sur AR5 et 100 pour la position haute) et 90 millions pour le Heavy avec récupération des 3 "core". En mode "expendable", le prix reste de 135 millions $ pour 26 tonnes en GTO.

   

Prix "catalogue" de Space X en 2013 et 2017

La hauteur totale atteint 70 mètres pour une largeur de 12 mètres. Chaque "core" à un diamètre de 3,66 m. La masse au décollage est de 1421 tonnes. Au décollage, la poussé atteint 2282 tonnes.
L'allumage des 27 moteurs Merlin des 3 "core" se par étape, comme les 3 moteurs SSME du Shuttl qui sont allumé avec un décalage de 120 ms, pour éviter de trop grosses ondes de choc. 2 moteurs sont allumés simultanément, suivis des 2 suivant et ainsi de suite jusqu'à ce que les 27 moteurs soient allumés. Le "core" central est allumé en premier suivis des "core" extérieurs.

La taille des hommes donnent une idée de celle du lanceur

PHASE DE VOL FALCON H DEMO FLIGHT

T Altitude Masse Poussée Observation
0 0 1 416 501 kg 1 940 000 kg Poussée à 93%
56" 10 km 1 010 000 kg 1 987 520 kg MAX Q
2' 19"" 91 km  294 017 kg 493 560 kg Séparation core latéraux
2' 59" 173 km 115 885 kg   Séparation core central
3' 09" 195 km 115 300 kg 93 400 kg Allumage second étage
3' 21" 224 km 110 119 kg 93 400 kg Séparation coiffe
10' 27" 0 km     Atterrissage core latéraux en LZ1
11' 18" 0 km     Atterrissage core central sur barge
11 26"" 1 477 km 7 110 kg   Extinction second étage et séparation charge utile sur une orbite avec 241 197 km d'apogée