ARIANE 5,
LE LANCEUR EUROPEEN

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Sonde spatiale

Ariane 5 est un lanceur de l'Agence spatiale européenne (ESA), développé pour placer des satellites sur orbite géostationnaire et des charges lourdes en orbite basse. Il fait partie de la famille des lanceurs Ariane et a été développé à compter de 1995 pour remplacer Ariane 4, dont les capacités limitées ne permettaient plus de lancer de manière concurrentielle les satellites de télécommunications de masses croissantes, alors que ce secteur était auparavant le point fort du lanceur européen.

Historique et développement

Le programme Ariane 5 a été initié en 1987, par les ministres européens des affaires spatiales réunis à La Haye. Il est dirigé par l'ESA, mais sa réalisation est assurée par le CNES français. Environ 1 100 industriels participent au projet.
Le premier lancement a eu lieu le 4 juin 1996 et s'est soldé par un échec. Le lanceur a souffert de débuts difficiles, avec deux échecs (Vol 517 en 2002) totaux et deux échecs partiels sur les quatorze premiers lancements. En 2009, Ariane 5 détient plus de 60 % du marché mondial des satellites commerciaux en orbite géostationnaire.
En décembre 2016, il est prévu le dernier tir d'une Ariane 5 ait lieu en 2023.

Caractéristiques et performances générales

Commercialisée par la société Arianespace, la fusée effectue de cinq à sept lancements par an, en général doubles (deux satellites), depuis le centre de lancement de Kourou, en Guyane. Par rapport à Ariane 4, Ariane 5 est capable d’emporter des charges particulièrement lourdes en orbite basse : la version ECA, la plus récente, peut placer jusqu'à 10,73 tonnes[3] de charge utile en orbite de transfert géostationnaire et 20 tonnes en orbite terrestre basse. Ariane 5 est construite par un consortium d'entreprises européennes, placées sous la maîtrise d’œuvre d'Airbus Defence and Space.

Ariane 5 a été développée pour franchir un saut qualitatif par rapport à Ariane 4. Il était prévu au début de sa conception qu'elle puisse mettre en orbite la navette européenne Hermès et assurer des lancements tous les quinze jours. C'est un lanceur complètement nouveau dans sa conception, à l'architecture simplifiée, et conçu pour constituer la base d'une famille évolutive, dont les performances pourront être augmentées progressivement de façon que le lanceur reste pleinement opérationnel, au moins jusqu'en 2020 :


Ariane 5 G : (Générique) Plus puissante qu'Ariane 4, elle peut placer jusqu'à 6 tonnes de charge utile en orbite de transfert géostationnaire. Entre le moteur Viking d'Ariane 4 et le moteur Vulcain d'Ariane 5, la poussée dans le vide est passée de 80 à 110 tonnes ;
Ariane 5 ECA : Peut placer 10 tonnes en orbite de transfert géostationnaire. Elle est équipée avec le moteur Vulcain 2 et un nouvel « étage supérieur cryotechnique A » ;
Ariane 5 G+ ;
Ariane 5 ES : Ariane 5 générique équipée d'un étage supérieur réallumable à propergol stockable (EPS).

Suivant les modèles, la capacité d’emport d’Ariane 5 se décide entre Arianespace et ses clients (en général des grands opérateurs satellites).

Carburant :

Propulseurs d'appoint (EAP) : 480 tonnes de poudre (propergol solide), répartis dans les deux étages d'accélération à poudre mis en place dans le bâtiment d'intégration lanceur. Les EAP consomment chacun 2 tonnes de poudre par seconde pendant environ 2 minutes. Étage principal cryogénique (EPC) : 220 tonnes d'ergols liquides (hydrogène et oxygène). Il est rempli juste avant le décollage ; Vitesse : supérieure à 8 000 km/h deux minutes après le décollage ; Vitesse à la séparation de la charge utile GTO (finale) : 10 km/s ; Vitesse maximale à la séparation de l'EPS (ESC) : 17,3 km/s (ECA).

Composants du lanceur

Selon la terminologie de son constructeur, Ariane 5 comprend : le composite inférieur, partie du lanceur mise à feu avant le décollage, le composite supérieur, qui regroupe la case à équipements et le deuxième étage, et enfin la charge utile avec sa coiffe.

Composite inférieur EAP

Les « étages d'accélération à poudre » (EAP, ou P230) sont composés d'un tube métallique contenant le propergol solide (la poudre), réalisé dans l'usine Guyanaise REGULUS, et d'une tuyère. Les deux EAP sont identiques, ils entourent l'EPC (« étage principal cryogénique »). Ces propulseurs mesurent chacun 31 m de haut pour 3 m de diamètre. D'une masse à vide de 38 tonnes, ils embarquent 237 tonnes de poudre et délivrent 92 % de la poussée totale du lanceur au décollage (poussée moyenne : 5 060 kN, poussée maximale : 7 080 kN). Comparés au moteur Vulcain de l'EPC, les deux EAP ne peuvent être éteints une fois allumés, d'où leur danger en cas de défaillance. Ils assurent le support du lanceur au sol, leur séparation du lanceur, la transmission des mesures pendant le vol et leur neutralisation, sur séparation intempestive provoquée par l'EAP ou l'EPC. Chaque EAP est équipé d'un moteur MPS, qui assure la propulsion du booster en délivrant au sol une poussée de 540 tonnes. La courbe de poussée est calculée pour minimiser les efforts aérodynamiques et optimiser les performances : elle est maximale durant les vingt premières secondes avec un long palier de 80 secondes.
L'EAP est composé de trois segments. Le segment avant S1 est fabriqué en Italie, tandis que les deux autres, S2 et S3, sont directement fabriqués en Guyane dans l'usine UPG (Usine de Propergol de Guyane). Ils sont ensuite acheminés par la route sur le fardier (une remorque à roues multiples conçue pour cet usage), depuis l'usine jusqu'au Bâtiment d'Intégration Propulseurs (BIP). Ils y sont préparés, assemblés en position verticale sur leurs palettes (dont ils resteront solidaires pendant toute la phase de préparation jusqu'au décollage), et tirés par un transbordeur (table mobile de 180 tonnes). Ces opérations de préparation sont réalisées par la société franco-italienne Europropulsion. Le segment S1, le plus haut, mesure 3,5 m de long et contient 23,4 tonnes de poudre. Le segment central, S2, mesure 10,17 m de long et contient 107,4 tonnes de poudre. Le dernier segment, S3, mesure 11,1 m de long et contient 106,7 tonnes de poudre. Il donne directement sur la tuyère, par l'intermédiaire du moteur MPS.
L'enveloppe des segments est en acier de 8 mm d'épaisseur, dont l'intérieur est recouvert d'une protection thermique à base de caoutchouc. Ils sont séparés par des lignes inter-segments d'isolation. Ces joints sont placés entre les segments. Ces segments sont chargés en poudre de manières différentes, avec un creux en forme d'étoile sur le segment supérieur (S1) et une empreinte quasi cylindrique sur les deux autres segments[9]. Le chargement des segments en propergol est réalisé sous vide. La poudre contenue est composée de :
68 % de perchlorate d'ammonium (NH4ClO4) : oxydant de la réaction chimique, 18 % d'aluminium (Al) : réducteur de la réaction chimique, 14 % de polybutadiène et de divers liants chimiques.

La tuyère, à la base du propulseur, est chargée d'évacuer les gaz de propulsion à raison de deux tonnes par seconde. Fixée sur le segment no 3, elle peut s'orienter à 6 ° et au maximum 7,3 °. Elle mesure 3,78 m de long pour un diamètre de 2,99 m et une masse de 6,4 tonnes. Elle est conçue dans un alliage métallique et composite (avec de la silice) pour résister à la très haute température dégagée. La pression de combustion dans l'EAP est de 61,34 bars. Au sommet des segments de poudre se trouve l'allumeur, mesurant 1,25 m de long pour un diamètre de 47 cm et une masse de 315 kg, dont 65 kg de poudre. Il va permettre d'allumer le booster en amorçant la combustion de la poudre, qui va générer la combustion de tous les segments de manière progressive. L'allumeur constitue, en lui-même, un petit propulseur. Initié par une charge pyrotechnique, il se comporte comme une charge relais qui allume la charge principale. C'est un bloc étoilé qui donne un débit important de gaz chauds pendant une demi-seconde.


Après épuisement de la poudre, 129 à 132 s après leur allumage, ils sont séparés du lanceur à environ 70 kilomètres d'altitude pour retomber dans l'Océan Atlantique. Pour cela, on amorce 8 fusées d'éloignement réparties ainsi : 4 à l'avant (en haut) et 4 à l'arrière (en bas). Ces fusées contiennent chacune 18,9 kg de poudre et fournissent entre 66 et 73 kN de poussée pendant une demi-seconde. Si ces propulseurs sont parfois récupérés, ils ne sont toutefois jamais réutilisés, contrairement à ce qui se faisait avec les SRB de la navette spatiale. Une version améliorée des EAP est en cours de préparation. Le 30 mai 2012, un tir d'essai sur banc de test a montré une poussée moyenne de 7 000 kN (700 t) durant 135 secondes[10].

EPC

L'« étage principal cryogénique » (EPC) est composé principalement des deux réservoirs d'ergols liquides et du moteur cryogénique Vulcain (Vulcain II pour Ariane 5 évolution (ECA)). Cet étage est mis à feu dès le décollage et assure seul la propulsion du lanceur durant la deuxième phase de vol du lanceur, après le largage des étages d'accélération à poudre. Il fonctionne en tout durant neuf minutes, pendant lesquelles il fournit une poussée de 1 350 kN pour un poids total de 188,3 t. D'une hauteur de 30,525 m pour un diamètre de 5,458 m et une masse à vide de 12,3 t, il contient 158,5 tonnes d'ergols, répartis entre l'hydrogène liquide (LH2 - 26 tonnes) et l'oxygène liquide (LOX - 132,5 tonnes). Ces réservoirs sont respectivement d'une capacité de 391 m3 et 123 m3. Ils stockent les ergols refroidis respectivement à -253 °C et -183 °C. L'épaisseur de leur enveloppe est de l'ordre de 4 mm, avec une protection thermique en polyuréthane expansé de 2 cm d'épaisseur. Les deux réservoirs sont mis sous pression environ 4 h 30 min avant le décollage avec de l'hélium. Cet hélium provient d'une sphère situé à côté du moteur Vulcain. Elle est isolée thermiquement par une poche d'air. Elle contient 145 kg d'hélium, pressurisé à 19 bars au décollage puis 17 au cours du vol. Cet hélium va pressuriser les réservoirs à 3,5 bars pour l'oxygène et 2,15 bars pour l'hydrogène. Au cours du vol, l'oxygène sera pressurisé à 3,7 puis 3,45 bars. Le débit moyen d'hélium dans le réservoir est de l'ordre de 0,2 kg/s. L'hydrogène liquide sera maintenu sous pression par de l'hydrogène gazeux. Cet hydrogène gazeux est prélevé en bas de l'étage avant le moteur, puis réchauffé et transformé en gaz (à environ −170 °C), pour être finalement réinjecté dans le réservoir d'hydrogène liquide[7]. En moyenne, cela représente un débit de 0,4 kg/s. Il y a donc tout un jeu de valves et de vannes pour commander les différentes pressions. La turbopompe à hydrogène du moteur cryogénique Vulcain tourne à 33 000 tr/min, développant une puissance de 15 MW, soit 21 000 ch (la puissance de deux rames de TGV)[11]. Elle fait l'objet d'études très poussées sur la résistance des matériaux, et la conception des roulements et le centrage des masses en mouvement se doivent d'être les plus proches possible de la perfection. La turbopompe à oxygène tourne à 13 000 tr/min et développe une puissance de 3,7 MW. Sa conception est essentiellement axée sur l'emploi de matériaux qui n'entreront pas en combustion avec l'oxygène qu'elle brasse[11]. Le moteur Vulcain reçoit de ces pompes 200 l d'oxygène et 600 l d'hydrogène par seconde.

Composite supérieur

Le composite supérieur comprend la case à équipements et, en fonction de la charge utile emportée, un étage supérieur à moteur à ergols stockables (dans le cas d’une Ariane 5 avec étage supérieur EPS) ou à ergols cryogéniques (dans le cas d’une Ariane 5 avec étage supérieur ESC).
Le composite supérieur assure la propulsion du lanceur après l'extinction et le largage de l'étage EPC. Il fonctionne durant la troisième phase de vol, qui dure environ 25 minutes.

Case à équipements

La case à équipements accueille le système de contrôle et de guidage du lanceur. Elle est située directement au-dessus de l'EPC dans le cas d'une Ariane 5 Générique ou en version A5E/S et entoure alors le moteur Aestus de l'EPS. Dans le cas d'une Ariane 5E/CA, la case à équipements est située au-dessus de l'ESC. La case à équipements est le véritable poste de pilotage du lanceur. Il orchestre l'ensemble des contrôles et des commandes de vol, les ordres de pilotage étant donnés par les calculateurs de bord via des équipements électroniques, à partir des informations fournies par les centrales de guidage. Ces calculateurs envoient également au lanceur tous les ordres nécessaires à son fonctionnement, tels que l'allumage des moteurs, la séparation des étages et le largage des satellites embarqués. Tous les équipements sont doublés (redondance), pour qu'en cas de défaillance de l'un des deux systèmes, la mission puisse se poursuivre. La Case à équipements mesure 5,43 m de diamètre à sa base et 5,46 m au sommet, pour permettre d'y fixer soit la structure SPELTRA (Structure Porteuse Externe pour Lancements Multiples), soit la coiffe. Sa hauteur est 1,56 m, pour une masse de 1 500 kg. L'interface avec l'EPS qui va se glisser dans l'anneau mesure au sommet 3,97 m de diamètre. L'anneau porteur sur lequel reposent les instruments mesure alors 33,4 cm de large. Voici les principaux instruments qu'il contient :

Correcteur d'attitude

Systèmes de Référence Inertielle (SRI) : Ce sont des pièces maîtresses du contrôle du vol d’Ariane 5. Elles intègrent deux centrales inertielles, qui donnent la position du lanceur dans l'espace, ainsi que quatre accéléromètres, qui donnent l'accélération que subit le lanceur ;
Calculateurs OBC (On Board Computer) : En utilisant les informations des SRI, ils commandent les moteurs du lanceur pour qu’il atteigne son objectif. Ils calculent la trajectoire de vol ;
Unité de centrale télémesure : Unité qui traite les informations de l'ensemble des capteurs, ainsi que l'espionnage des bus SDC, à envoyer au sol ;
Antennes émettrice et réceptrice de télémesure avec les radars au sol ;
Boîtier de commande de sauvegarde : Il commande la destruction du lanceur en cas de défaillance grave, ou sur commande de la salle de contrôle au sol ;
Connexion électrique SPELTRA / Coiffe : interface électrique vers la coiffe ou via la SPELTRA ;
Interface électrique avec l'EPS ; Électronique séquentielle : Elle permet de bien exécuter les opérations de tir dans le bon ordre et en respectant les intervalles de temps prévus ;
Passage ligne MMH : Trou permettant de faire passer la canalisation alimentant l'EPS en monométhylhydrazine (MMH), qui est un des combustibles utilisés ;
Centrale de commutation : Système qui permet au calculateur de bord de basculer sur l'autre système en cas de défaillance du premier ;

Pile et batteries

Trous pour le passage de câbles vers l'EPC, la charge utile, la ventilation ;
Système de conditionnement d'air : Permet de maintenir l'électronique de bord à une température correcte de fonctionnement ;
Électronique de pilotage électrique ;
Vannes d'isolement SCA : Permettent de contrôler les moteurs du système SCA ;

Réservoirs sphériques en titane, contenant l'hydrazine pour le SCA.

La case à équipements abrite également le Système (propulsif) de Contrôle d'Attitude, plus fréquemment désigné par ses initiales SCA, qui comprend deux blocs de tuyères alimentées en hydrazine (N2H4). Elles permettent notamment le contrôle en roulis du lanceur, pendant les phases propulsées, et le contrôle d'attitude du composite supérieur, pendant la phase de largage des charges utiles. La durée de fonctionnement maximale spécifiée de la case est de l'ordre de 6 900 secondes, cette durée d'utilisation maximale étant généralement observée lors des missions en orbite basse. Le SCA permet également de pallier les irrégularités du moteur Vulcain, tandis qu'il permet de positionner des satellites en 3D. Il intègre deux réservoirs sphériques en titane, contenant chacun au décollage 38 litres d'hydrazine, pressurisée à 26 bars par de l'azote. Le système inclut également deux modules à trois propulseurs de 460 N de poussée (au niveau de la mer).

Durant la première phase du vol, le roulis du lanceur est géré par les deux EAP, dont les tuyères orientables permettent de diriger la fusée sur tous les axes. Le lanceur ne doit pas se mettre en rotation, car il perdrait alors de l'énergie et cela entraînerait un « plaquage » des ergols de l'EPC sur leurs parois, conséquence de la force centrifuge qui ferait alors apparition. Comme les canalisations et les sondes qui mesurent la quantité d'ergols restants sont placées au milieu du réservoir, cela pourrait occasionner un arrêt prématuré des moteurs, à la suite d'un désamorçage des turbopompes. Ce cas de figure s'est déjà produit sur le deuxième vol de qualification de la fusée (vol 502).


Une fois les EAP largués, il ne reste plus qu'un seul moteur, le Vulcain, et il n'est donc alors plus possible de jouer sur l'inclinaison des tuyères pour stopper le roulis de la fusée. C'est là que le SCA trouve toute son utilité, car avec ses trois propulseurs il va pouvoir stopper cette rotation. Ces trois moteurs sont braqués de la manière suivante : un vers la droite, un vers la gauche, et le dernier vers le bas. À la suite de l'échec du vol 502, il fut déterminé que le nombre de propulseurs n'était pas suffisant pour contrer le phénomène et les responsables ont préféré prendre leurs précautions en renforçant le système : Dorénavant, le système contient six sphères et dix propulseurs, ce qui porte par-ailleurs la masse totale de la case à équipements à 1 730 kg.


Réalisé sous la responsabilité d'Astrium EADS, l'« étage à propergols stockables » (EPS, appelé plus rarement L9) a pour mission d'ajuster la satellisation des charges utiles selon l'orbite visée et d'assurer leur orientation et leur séparation. Situé à l'intérieur du lanceur, il ne subit pas les contraintes de l'environnement extérieur. Sa conception est très basique, se limitant à de simples réservoirs pressurisés dépourvus de turbopompes. Il est constitué d'une structure en nid d'abeilles, du moteur, des réservoirs, des équipements, de raidisseurs disposés en croix et de dix biellettes supportant les réservoirs d'hélium de mise en pression des réservoirs principaux.


De forme tronconique, il s'intercale entre la case à équipements et l'adaptateur de charge utile et mesure 3,356 m de haut (avec la tuyère) pour un diamètre de 3,963 m au niveau de la case à équipements. Au niveau de l'adaptateur de la charge utile, son diamètre est de 2,624 m. D'une masse à vide de 1 200 kg, il est doté de quatre réservoirs en aluminium contenant au total 9,7 tonnes d'ergols, répartis entre 3 200 kg de monométhylhydrazine (MMH) et 6 500 kg de peroxyde d'azote (N2O4).


Pressurisés par deux bouteilles en fibre de carbone gonflées à 400 bars et contenant 34 kg d'hélium, ces réservoirs alimentent un moteur Aestus (Daimler-Benz Aerospace) qui développe une poussée de 29 kN pendant 1 100 s (18 min 30 s). Sa particularité est d'être ré-allumable en vol deux fois, afin d'optimiser certaines charges utiles[7]. Sa tuyère est articulée sur deux axes (9.5°). Dans le cas de missions en orbite basse, l'allumage de l'EPS est précédé d'une phase de vol balistique, qui permet également de libérer l'orbite d'une charge utile après sa séparation.