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Ariane 5 : un lanceur de poids

Ariane 5 Eca est le fleuron de l’aérospatiale européenne. C’est une fusée sans égale dans sa catégorie. Depuis le vol inaugural de 2005, elle a gagné de haut vol ses étoiles, dans l’espace fermé des lanceurs de satellites. Petite odyssée d’un lanceur de poids…

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Kourou, 12 février 2005 : vol 164 d’Ariane 5 Eca (© Cnes/Cnes/Esa/ Arianespace/CSG Service Optique, 2005)

Ariane 5 Eca est le lanceur le plus puissant de sa catégorie. Avec ses deux boosters à propulsion solide (Voir en bas de page), elle s’arrache du sol et va mettre 9 tonnes de charge utile (Voir en bas de page) en orbite.
12 février 2005, Ariane 5 Eca (Ariane 5 Evolution Cryotechnique A), la version la plus puissante de la série Ariane, s’arrache du sol depuis le port spatial de l’Europe, à Kourou en Guyane, pour un vol de qualification. Avec les deux étages à propulsion cryotechnique (oxygène et hydrogène liquide) du corps central et les deux accélérateurs (boosters) à propulsion solide (Voir en bas de page), ce lanceur peut mettre plus de 9 tonnes de charge utile (Voir en bas de page), en orbite de transfert (200 km) vers l’orbite géostationnaire (36 000 km). Au décollage de ce vol 164, se dégage une formidable impression de puissance confortée par les 37 gigawatts développés par les boosters et le moteur Vulcain de l’étage principal cryotechnique. Le lanceur s’élève alors verticalement jusqu’au passage des pylônes anti foudre qui le protègent lors de l’attente sur le pas de tir. Après ce vol, 35 lancements d’Ariane 5 (dont 11 d’Ariane 5 Eca) ont réussi à ce jour, et le carnet de commande d’Arianespace qui commercialise ce lanceur est plein.

Un objet est attiré vers le centre de la Terre, quel que soit son emplacement sur le globe terrestre. La raison de ce phénomène est l’attraction newtonienne. Une énorme pesanteur dont la fusée va pouvoir s’affranchir grâce à la poussée de ses moteurs et au principe de l’action-réaction qui veut, comme l’a énoncé le savant anglais Issac Newton, qu’à toute action corresponde une réaction égale et de sens opposé. Prenons un exemple : dans un ballon de baudruche gonflé, la force élastique du ballon comprime l’air contenu à l’intérieur ; lorsque cet air est expulsé par l’orifice du ballon (action), ce dernier est propulsé dans le sens opposé (réaction).

Pour les fusées, c’est le même phénomène : le moteur éjecte des gaz à grande vitesse vers le sol (c’est l’action) et, en réaction, la fusée subit une poussée dans le sens opposé. Elle peut alors décoller du sol si cette poussée est supérieure à son poids. De plus, ce mode de fonctionnement marche tout aussi bien dans l’atmosphère que dans le vide (on parle de propulsion anaérobie, c’est-à-dire sans air) et la propulsion est d’autant plus forte que le débit (masse de gaz éjectée chaque seconde) et la vitesse d’éjection des gaz sont importants.

Pour produire ces gaz, chaque étage de la fusée emporte son carburant et son comburant (Voir en bas de page), qui brûlent ensemble dans une chambre de combustion ; les gaz sont ensuite accélérés par détente dans une tuyère. Plus la pression et la température de combustion sont élevées, meilleure est la vitesse d’éjection. Celle-ci est une fois et demie plus forte dans les moteurs cryotechniques (à hydrogène et oxygène liquide) que dans les moteurs classiques (à propulsion solide).

ALTITUDE ET VITESSE, UN COUPLE INDISPENSABLE

Mais pousser n’est pas tout, encore faut-il atteindre les conditions de satellisation pour pouvoir placer un objet en orbite autour de la Terre. En communiquant à l’objet un couple altitude-vitesse suffisant, sa trajectoire ne croisera jamais notre planète : il sera constamment en chute libre mais sans impacter la Terre car il ira trop vite.

La vitesse de satellisation dépend de l’altitude de l’orbite que l’on souhaite atteindre, qui dépend elle-même de la mission du satellite (orbites basses à quelques centaines de kilomètres pour l’observation de la Terre, orbites géostationnaires à 36 000 km pour les télécommunications). Les valeurs varient de 8 km/s à 10 km/s pour une orbite autour de la Terre, 11 km/s pour quitter l’environnement terrestre et plus de 16 km/s pour sortir du Système solaire… Vitesses à comparer aux 0,8 km/s environ pour un avion de chasse. Enfin, un lanceur peut rarement placer sa charge utile* sur l’orbite définitive. Le plus souvent, il la dépose sur une orbite de transfert moins gourmande en énergie, et c’est le satellite lui-même qui va atteindre l’orbite définitive par ses propres moyens, après plusieurs manoeuvres orbitales qui peuvent durer quelques jours.

Des matériaux de bonne composition

Sur les fusées, les matériaux utilisés sont principalement issus de l’aéronautique car les technologies y sont éprouvées et offrent une très bonne fiabilité. Pour Ariane 5, les structures du lanceur sont composées de trois classes de matériaux :

  • les aciers pour les enveloppes de propulseurs solides, à fort indice constructif, permettant de résister aux fortes pressions des boosters ;
  • les alliages d’aluminium, avec la série 2 000 (cuivre) pour les réservoirs cryotechniques, qui offrent une bonne soudabilité et de bonnes propriétés, la série 7 000 (zinc), pour les structures inter-étage ;
  • les composites, pour la partie haute du lanceur, avec des structures sandwichs composées de peaux en fibre de carbone et d’une âme en nid-d’abeilles aluminium ; ceci permet d’avoir de très bonnes performances (structures très légères), tout en fournissant une rigidité favorable au pilotage du véhicule. Mais ces matériaux sont plus coûteux.

Enfin, pour les moteurs, robustesse mécanique et tenue thermique requièrent l’utilisation de titane ou d’alliages de nickel (superalliages), avec également du cuivre et du nickel purs pour les chambres de combustion ; les tuyères sont quant à elles en superalliage ou en carbone.


Lexique

Charge utile
Tout ce que le lanceur va placer en orbite : satellite, sonde interplanétaire, capsule de rentrée atmosphérique… Retour au texte

Comburant
Corps déclenchant la combustion d’un autre en se combinant avec lui. Retour au texte

Propulsion solide
Combustible et comburant sont mélangés dans une forme solide, historiquement appelée « poudre » Retour au texte

En savoir plus

Animation

LIVRES

  • Grichov S., Guide des lanceurs spatiaux, Tessier et Aspool.
  • Varnoteaux P., La France à la conquête de l’espace : de Véronique à Ariane, Histopresse.
  • Huon W., Ariane, une épopée européenne, ETAI.

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