Falcon 9

Falcon 9
Données générales
Mission	Lanceur commercial orbite LEO et GTO
Date 1er lancement	4 juin 2010
Nbre de lancements	2
Pays d’origine	États-Unis
Caractéristiques techniques
Dimensions
Hauteur	55 m
Diamètre	3,6 m
Masse au décollage	333,4 t
Nombre d'étages	2
Puissance et capacité d’emport
Charge utile en LEO	10,4 t
Charge utile en GTO	4,5 t
Poussée au décollage	environ 448,9 t

Le Falcon 9 est un lanceur réutilisable développé par la société SpaceX, et pouvant selon elle placer une charge utile de 10,45 tonnes en orbite basse ou de 4,5 tonnes en orbite de transfert géostationnaire.

Le premier tir a eu lieu le 4 juin 2010 et le lanceur a atteint la plupart des objectifs en plaçant en orbite une maquette du cargo spatial SpaceX Dragon développé également par la société. L'objectif de SpaceX est de fournir un lanceur permettant d'abaisser fortement le coût des mises en orbite.

SpaceX a signé en décembre 2008 un contrat avec la NASA pour assurer une partie du ravitaillement de la Station spatiale internationale jusqu'à 2015 à l'aide du lanceur Falcon 9 et du cargo spatial SpaceX Dragon. Le lanceur est conçu, selon son constructeur, avec une marge de sécurité qui lui permet de placer en orbite un vaisseau avec équipage mais aujourd'hui aucun vol de ce type n'est planifié. Une version Heavy (lourde) du Falcon 9, pouvant placer jusqu'à 32 tonnes en orbite basse, est à l'étude.

Le Falcon 9 est le premier lanceur de moyenne puissance développé par un opérateur privé. Une autre première remarquable est que tous les composants (avionique, moteur, étages) ont été conçus spécifiquement par SpaceX alors que les sociétés œuvrant dans le secteur se contentent généralement d'assembler des composants existants. Malgré un premier tir réussi, des doutes subsistent sur la capacité du Falcon 9 à atteindre les performances affichées et à abaisser le coût de la mise en orbite dans les proportions avancées par son promoteur Elon Musk.

Un lanceur qui doit faciliter l'accès à l'espace

Elon Musk, fondateur de SpaceX et principal actionnaire, a créé sa société avec l'objectif de faciliter l'accès à l'espace en s'attaquant à la principale limitation : le coût de lancement. En 2004, Musk annonçait devant le Sénat américain un coût de lancement en orbite basse de 9 000 $ par kg pour le lanceur léger Falcon 1 et de 3 000 $ pour le lanceur moyen Falcon 5 remplacé depuis par le Falcon 9. Il déclarait alors pouvoir abaisser à terme ce coût à 1 000 $ par kg^[1].

Pour réduire le prix de mise en orbite, SpaceX a prévu de développer des lanceurs réutilisables qui mettent en œuvre des technologies à la fois modernes, éprouvées et simples. SpaceX met en avant également la taille réduite et l'organisation optimisée de la société qui contribue à accroître son efficacité.

Mais SpaceX a dû revenir sur plusieurs des caractéristiques du lanceur qui devaient initialement contribuer à abaisser son coût : la récupération du premier étage du Falcon 9, pénalisante pour la charge utile, est pour l'instant hypothétique et celle du second étage est exclue car nécessitant des dispositifs non prévus dans la version actuelle du lanceur. Les moteurs qui devaient initialement être de conception simple (revêtement ablatif, moteurs quasi identiques), ont été modifiés pour parvenir à atteindre les performances attendues et sont aujourd'hui sans doute beaucoup plus coûteux : refroidissement par circulation de kérosène, tuyère extensible pour le second étage… La mise en orbite basse d'un kilogramme par le lanceur Falcon 9 est facturée en 2010 à environ 5 000 $ par kg (prix catalogue au 6/2/2010 du lanceur : 50 M$ pour une charge utile de 10,5 tonnes^[2]) sans que l'on sache si, à ce tarif, la société SpaceX équilibre ses comptes. Ce prix a été réévalué au 31/12/2010 à 56 M$ pour une charge utile de 10,5 tonnes en LEO et de 4,5 tonnes en GTO^[3]

Caractéristiques techniques

Le réservoir du premier étage en cours de fabrication dans l'usine de SpaceX

Le Falcon 9 est un lanceur de capacité moyenne suffisamment fiable, selon son constructeur, pour permettre le lancement d'un vaisseau avec équipage. La fusée avec sa charge utile est haute de 55 mètres, a un diamètre de 3,6 mètres (hors coiffe) et pèse 333 tonnes. Tous les composants (avionique, moteurs, étages, jupe inter étages, coiffe) ont été conçus spécifiquement par SpaceX alors que les sociétés œuvrant dans le secteur ne construisent généralement pas les moteurs.

Le lanceur comprend deux étages propulsés par des moteurs Merlin brûlant un mélange d'oxygène liquide et de RP-1 (une variante du kérosène). Ces deux ergols constituent le mélange le plus utilisé par les moteurs développés récemment. Moins performant que le mélange oxygène/hydrogène il est au final moins pénalisant pour un premier étage car il nécessite des réservoirs moins volumineux et il est plus facile à mettre en œuvre. Son choix pour un second étage est par contre sans doute moins optimal. Le premier étage de la fusée est propulsé par 9 moteurs Merlin 1C qui développent en tout 448,9 t de poussée non modulable. La poussée des moteurs du premier étage est orientée grâce à un système de vérins qui déplacent certains des moteurs montés sur cardan. L'énergie nécessaire est produite par le kérosène sous pression ce qui, selon le constructeur, simplifie l'architecture du lanceur en supprimant le système hydraulique utilisé traditionnellement^[4]. La baie de propulsion avec ses moteurs représentent une masse de 7,7 tonnes soit plus de la moitié de la masse à vide du premier étage^[5].

Le second étage, qui est une version raccourcie du premier étage, est propulsée par un seul moteur Merlin-C dans une version optimisée pour le fonctionnement dans le vide : la tuyère comporte une rallonge en alliage de niobium évacuant la chaleur par rayonnement. Le moteur délivre une poussée dans le vide de 44,5 tonnes modulable de 60 à 100% pour une impulsion spécifique de 342s ^[6]. Le moteur est monté sur cardan pour orienter la poussée en lacet et tangage tandis que le déplacement en roulis est réalisée par le biais de la sortie du générateur de gaz. Le temps de fonctionnement nominal sur le Falcon 9 est de 354 secondes^{[4],[6],[7],[8]}.

Le deuxième étage du lanceur.

Les réservoirs des deux étages sont réalisés en alliage d'aluminium lithium. La jupe de liaison entre les deux étages, réalisée en matériau composite aluminium-carbone est longue de 8 mètres pour accueillir la tuyère très allongée du moteur du second étage. Sur sa paroi intérieure se trouve 4 conteneurs dans lesquels sont logés les parachutes qui doivent permettre la récupération du premier étage^[9] Les réservoirs des deux étages sont mis sous pression par de l'hélium réchauffé. La coiffe a un diamètre de 5,2 mètres et est haute de 13,9 mètres : son diamètre intérieur maximum de 4,6 mètres se maintient sur une hauteur de 6,6 mètres.

L'avionique est commune avec celle du lanceur Falcon 1 également développé par SpaceX. Elle bénéficie d'une triple redondance (ordinateurs de vol et systèmes inertiels) et fait appel à un récepteur GPS pour déterminer le positionnement de l'engin. Les données télémétriques et vidéo sont transmises en bande S par chaque étage individuellement. Le lanceur est, selon son constructeur, capable de remplir sa mission même après l'extinction d'un des neuf moteurs du premier étage. A cet effet des vannes permettent de couper l'alimentation de chaque moteur individuellement ; une cloison en kevlar et nextel protège chaque propulseur de l'explosion éventuelle d'un autre moteur. Selon son constructeur le Falcon 9 peut placer une charge utile de 10,45 tonnes en orbite basse (200 km) et de 4,5 tonnes en orbite de transfert géostationnaire^[10],[4].

La société SpaceX communique de manière souvent vague (masse à vide non communiquée) et éventuellement contradictoire (incohérence entre impulsion spécifique et performances) sur les caractéristiques de ses lanceurs ; par ailleurs celles-ci sont souvent modifiées au cours de développement contrairement à ce qui se fait traditionnellement dans cette industrie^[10]. Les premiers lancements de Falcon 9 utilisent la version Block 1 du lanceur dont les performances, non précisées, sont sensiblement inférieures à celles du modèle commercial. A compter de fin 2010/début 2011 les tirs doivent utiliser une deuxième version, dite Block 2, comportant des propulseurs améliorés et emportant plus d'ergols, qui doit atteindre les performances annoncées^[4].

Les installations de lancement de Cape Canaveral

Vue aérienne des installations de lancement de Cape Canaveral.

SpaceX lance le Falcon 9 depuis le pas de tir 40 (SLC-40) de la base de Cape Canaveral en Floride utilisé autrefois par les fusées Titan III et IV et reconverti pour le lanceur. Les installations comportent un hangar dans lequel le lanceur est assemblé à l'horizontale avec sa charge utile. Il est ensuite installé sur un véhicule sur rail qui supporte un dispositif d'érection sur lequel s'articule une table de lancement massive composée de longerons massifs en acier : cette-dernière comporte quatre pattes auxquelles sont fixées le lanceur. L'ensemble est transporté jusqu'au pas de tir situé à faible distance où il est basculé en position verticale. La table de lancement est fixée au sol. Les conduits d'alimentation et les câbles électriques se connectent au lanceur en passant par le système d'érection qui est légèrement écarté du lanceur. Des réservoirs dispersés à une certaine distance du pas de tir et des tours supportant les paratonnerres complètent ces équipements^[4].

SpaceX envisage également d'effectuer des lancements de Falcon 9 depuis le pas de tir 4E de la base de lancement de Vandenberg utilisé autrefois pour les tirs du lanceur Titan. Ce dernier site serait alors utilisé pour placer des satellites sur une orbite polaire.

Déroulement d'un vol

Le lanceur et ses moteurs sont fabriqués dans l'usine de la société située à Hawthorne en Californie près de l'aéroport de Los Angeles. SpaceX y dispose d'une surface couverte de 5,1 hectares permettant d'assembler en parallèle 3 lanceurs Falcon 9 ainsi que 2 douzaines de moteurs Merlin et trois lanceurs Falcon 1^[4]. Le lanceur est transféré par route jusqu'à son site de lancement (Floride ou Californie) où il est assemblé avec sa charge utile puis testé avant son lancement.

Au décollage les moteurs sont allumés et le lanceur est retenu par les quatre pattes de la table de lancement pour vérifier que la poussée est nominale. Si les données fournies sont correctes, les fixations sont libérées et les pattes basculent en arrière pour s'écarter de la trajectoire des moteurs tandis que le lanceur s'élève lentement. Si une extinction des moteurs a été demandée, le système permet de relancer très rapidement le compte à rebours à h-15 minutes comme cela a été démontré au cours du premier lancement. Max Q (pression aérodynamique maximale) est atteint 76 secondes après le décollage et les contraintes aérodynamiques sont levées au bout de 115 secondes. A t+155,5 secondes, deux des neuf moteurs sont éteints pour limiter l'accélération car la poussée des moteurs de cet étage n'est pas modulable.

La séparation entre les deux étages n'est pas assistée par des fusées mais par des poussoirs pneumatiques comme sur le Falcon 1. Elle se déroule en 3 temps : extinction des moteurs du premier étage à t+174,2 secondes, séparation à t+176,2 secondes et démarrage du moteur du second étage à t+179,2 secondes. La jupe de liaison entre les deux étages qui est solidaire du premier étage comprend des parachutes qui doivent freiner sa descente et permettre sa récupération et sa réutilisation après son amerrissage.

Le moteur du second étage a une poussée modulable (60 à 100%) et peut être rallumé deux fois pour répondre à des besoins particuliers de trajectoire. Un double système d'allumage accroît la fiabilité de la mise à feu de ce moteur. La coiffe est éjectée à t+199,2 secondes. Pour une injection en orbite de transfert géostationnaire le second étage est éteint une première fois à t+457,9 secondes puis rallumé entre t+1488,6 et t+1544,6 secondes. Avant la séparation de la charge utile l'orientation du lanceur peut être fixe ou celui-ci peut être mis en rotation à la vitesse de 5 tours par seconde^[4]. Initialement les deux étages devaient pouvoir être réutilisés après un lancement ce qui contribuait à la baisse du coût du lancement. Mais cette possibilité reste aujourd'hui à démontrer.

Historique

Le bloc propulsif du premier étage est fixé sur les réservoirs.

Genèse (2005)

En 2005 la société Space X propose une gamme de lanceurs composée du lanceur léger Falcon 1 et du lanceur moyen Falcon 5. En septembre 2005 la société ajoute à sa gamme le Falcon 9 doté d'un premier étage nettement plus puissant propulsé par neuf moteurs Merlin au lieu de cinq sur le Falcon 5. Le premier vol est annoncé pour le deuxième trimestre 2007. Les deux lanceurs moyens doivent utiliser la même structure pour le premier étage mais le Falcon 5 est lancé avec des réservoirs partiellement remplis. Le Falcon 9 est initialement propulsé par des Merlin 1B mais ce modèle est abandonné pour le Merlin 1C plus sophistiqué car refroidi par ses ergols, mais qui doit atteindre 556 kN de poussée au sol en fin de développement contre 378 kN pour le Merlin 1B. Le Falcon 5 disparaît par la suite du catalogue SpaceX^[10].

Sélectionné pour le programme COTS de la NASA (2006)

En septembre 2006, dans le cadre du programme COTS destiné à assurer le remplacement partiel de la navette spatiale américaine, la NASA sélectionne deux sociétés, dont SpaceX, pour le ravitaillement de la Station spatiale internationale. SpaceX a répondu à l'appel d'offres en proposant d'utiliser son lanceur Falcon 9 pour lancer le cargo spatial Dragon développé également par SpaceX. La NASA passe contrat avec la société SpaceX en décembre 2008 pour le lancement de 12 vaisseaux d'ici 2015 qui doivent amener une masse totale de 20 tonnes au minimum à la station spatiale contre une rémunération de 1,6 milliard de $. Les clauses du contrat prévoient qu'il peut être étendu jusqu'à concurrence d'un montant de 3,1 mds $^[11]. SpaceX doit effectuer trois vols de qualification de difficulté croissante pour démontrer sa capacité à réaliser cette mission. Puis 12 vols de ravitaillement sont planifiés jusqu'en 2015.

Le développement du lanceur (2006-2010)

Début 2007 SpaceX annonce l'achèvement du premier réservoir du premier étage du lanceur^[12]. Le premier test d'un premier étage avec ses 9 moteurs est réalisé le premier août 2008^[13]. En novembre 2008 les neuf moteurs sont testés avec succès pour une durée équivalente à celle d'un tir réel (178 secondes)^[14]. En février 2008 le premier vol de démonstration du Falcon 9 avec la vaisseau Dragon est repoussé de 6 mois à la fin du premier trimestre 2008^[15]. Le lanceur est pour la première fois assemblé en position verticale en janvier 2009 à Cape Carnaveral. En octobre 2009 un premier étage destiné à être lancé effectue un test réussi sur le banc d'essais de SpaceX situé à McGregor dans le Texas. Le lanceur complet est convoyé vers son site de lancement en février 2010. SpaceX prévoit à l'époque un lancement le 22 mars 2010 avec une marge d'erreur de 1 à 3 mois liée aux incertitudes relatives aux tests d'intégration^[16]. Le second étage est testé pour la première fois en novembre 2009. Le 13 mars 2010, Space X procède à un essai statique de 3,5 secondes du lanceur assemblé.

Le vol inaugural (2010)

Premier lancement le 4 juin 2010

Le Falcon 9 et le Falcon 9 Heavy

Après deux interruptions dans le compte à rebours dont un allumage du premier étage avorté, le premier lancement d'une fusée Falcon 9 a eu lieu le 4 juin 2010 depuis la base de lancement de Cape Canaveral. La charge utile du lanceur était constituée par une maquette du cargo spatial SpaceX Dragon, nommée Dragon Spacecraft Qualification Unit. Malgré un roulis important non prévu, le second étage solidaire de sa charge utile s'est placé sur une orbite à peu près circulaire de 250 km avec une inclinaison de 34,5° correspondant presque parfaitement à l'objectif fixé (moins de 1% de différence). Le premier étage, dont la réutilisation doit contribuer à la réduction du coût de lancement, s'est brisé en retombant^[17],[18].

La qualification pour le programme COTS (2010-2011?)

La qualification pour le programme COTS, qui constitue la majorité du carnet de commande du lanceur, est un enjeu majeur pour SpaceX. Afin de qualifier le lanceur et le vaisseau SpaceX Dragon pour le ravitaillement de la Station spatiale internationale, trois vols de difficulté croissante doivent être réalisés avec succès. Fin mai 2010, SpaceX, qui a reçu 350 millions de $ d'avances de la part de la NASA, a annoncé à l'agence spatiale américaine qu'elle ne prévoyait plus qu'un seul vol de démonstration en juillet 2010. Le deuxième vol, nécessitant des développements complémentaires, est désormais prévu pour septembre 2011 tandis que le troisième vol serait réalisé en octobre 2011. Or, après l'arrêt de la navette spatiale fin 2010, le lanceur va jouer un rôle crucial dans le maintien du potentiel de la station spatiale : il n'existe plus aucune marge au cas où des problèmes de mise au point surgiraient. Par ailleurs la NASA a décidé de ne plus utiliser les cargos russes Progress pour le ravitaillement de la partie américaine de la station à compter de fin 2011. Un report supplémentaire dans la date de disponibilité opérationnelle des cargos du programme COTS contraindrait à réduire l'activité de la station spatiale et à la placer en mode « survie » avec un équipage réduit et une activité scientifique limitée comme cela s'était produit après l'accident de la navette spatiale Columbia.

SpaceX, dont le financement et les dépenses sont opaques, pourrait être confronté par ailleurs à des problèmes de trésorerie dans le futur : le propriétaire de SpaceX, Elon Musk, a déclaré en février 2010, dans le cadre du jugement en cours pour son divorce, qu'il était à cours de liquidités et qu'il devait emprunter auprès de ses amis pour couvrir ses dépenses quotidiennes. Mais le porte parole de SpaceX a indiqué que la société, grâce aux contrats engrangés, ne dépendait pas des finances de son propriétaire pour sa survie^{[19],[20],[21]}.

Premier vol de qualification

Après plusieurs reports le premier vol de qualification a lieu le 8 décembre 2010. Le lanceur Falcon 9 a placé le cargo spatial Dragon sur une orbite circulaire de 288 km avec une inclinaison de 34,53 degrés. Les communications ont été testées et des manœuvres de changement d'orbite et de contrôle d'orientation ont été effectuées par le vaisseau à l'aide de ses moteurs. Après près de 3 heures passées en orbite, la capsule a effectué une rentrée atmosphérique et a été récupérée après son amerrissage dans l'océan Pacifique qui s'est fait avec une précision de 800 mètres par rapport au point visé^[22].

Le carnet de commandes

Le carnet de commandes, affiché sur le site officiel de Space X, comporte un lancement en 2011 pour un opérateur privé MDA Corp suivi la même année de deux lancements de ravitaillement de la Station spatiale internationale. Entre 2012 et 2015 le manifeste affiche les 10 missions de ravitaillement de la Station spatiale prévues dans le contrat avec la NASA et huit autres lancements^[23].

Le Falcon 9 Heavy

SpaceX envisage de développer une version lourde de son lanceur dite Falcon 9 Heavy : celui-ci comporte en plus deux boosters identiques au premier étage du lanceur. Afin d'améliorer les performances il est envisagé d'utiliser une alimentation croisée des moteurs (Cross-feeding). La capacité du lanceur est de 32 tonnes en orbite basse et de 19,5 tonnes en orbite de transfert géostationnaire. Son cout annoncé est de 80 à 90 millions $ (2009).

Galerie

• 

  Le moteur Merlin est utilisé pour la propulsion du premier et du second étage

• 

  La jupe de liaison entre étages est réalisée en fibre de carbone

Vidéo

• Vidéo du premier lancement du Falcon 9 (4 juin 2010)

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Falcon 1
• Merlin
• SpaceX Dragon
• SpaceX

Liens externes

• (en) Guide client du Falcon 9
• (en) Site du constructeur
• (de) Le Falcon 9 sur le site de Bernd-Leitenberger

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