Yannick d'Escatha

L'accès à l'espace

Introduction

C'est une belle initiative que cet hommage spécial à Hubert Curien rendu par l'Académie des technologies. En effet, comment ne pas associer le développement des technologies spatiales de notre pays au cours du dernier quart du xxe siècle, à la personnalité d'Hubert Curien qui a fortement marqué, depuis les années 1970, le milieu spatial et son évolution en France et en Europe tant au niveau institutionnel qu'industriel. C'est sous son impulsion, son autorité et de par ses responsabilités au sein du CNES puis dans les gouvernements auxquels il a participé, qu'ont été réalisés de nombreux programmes spatiaux. Des satellites avec leurs charges utiles ont été conçus avec à leur bord une importante panoplie d'instruments scientifiques qui ont permis des découvertes et des avancées importantes de la connaissance. C'est pendant cette période que l'on a acquis la possibilité d'avoir un accès garanti aux orbites grâce aux lanceurs de la famille Ariane et au succès d'Arianespace. Les technologies ont été largement utilisées au service de cette cause. De même, nos ingénieurs au sein des agences spatiales et dans l'industrie ont apporté leurs compétences, leur énergie et leur passion. Ces compétences et motivations, nous avons le devoir aujourd'hui de les faire vivre et de les faire progresser au service de l'Europe spatiale dans le large spectre des applications qu'offre l'Espace.

Permettez-moi de faire un rapide rappel historique où l'on évoquera le brillant parcours d'Hubert Curien, intimement lié au développement d'une capacité d'accès autonome (et surtout bien maîtrisée) de l'Europe à l'espace, avant d'évoquer devant vous la situation des technologies spatiales du domaine des lanceurs, leurs forces et faiblesses et d'indiquer les orientations programmatiques et les projets pour l'avenir dans le contexte de l'Europe et du monde.

Rappel historique des principales réalisations françaises du domaine des lanceurs

• Les lanceurs Diamant (les 4 premiers Diamants A furent construits sous m. o. de la SEREB, sous contrôle de la DTEn de la DMA et fonctionnèrent bien tous les 4) ;

• Les Diamant B furent construits sous m. o. du CNES, et 3 sur 5 fonctionnèrent bien ;

• 3 lanceurs BP4 à performances augmentées furent lancés sous m. o. du CNES et fonctionnèrent bien (150 kg à 500 km soit 2 fois Diamant A) ;

• Après le naufrage du programme de l'ELDO, la France proposa le programme L3S qui fut adopté par la Conférence des ministres de Bruxelles en juillet 1973, la France finançait 64 % du programme rebaptisé Ariane et en contrepartie en assurait la maîtrise d'œuvre.

Qui a inventé Ariane? Pas facile de répondre. Il n'est pas aisé en effet d'attribuer la paternité d'une telle réalisation lorsque celle-ci met en jeu une somme de connaissance, d'intuitions, de recherches et de patience trop immense pour un seul homme ou même une seule équipe. Ariane fut une aventure collective, qui, comme le rappelle André Lebeau, ancien président du CNES, n'est pas née de la direction générale du CNES. Elle est venue de l'équipe de la division des lanceurs (à l'origine de la direction des lanceurs et d'Arianespace) composée de quelques personnes, des hommes et des femmes de l'ombre qui ont imaginé L3S et à qui il faut rendre justice. Le concept de lanceur robuste, peut-être un peu rustique et fabriqué selon des méthodes et des technologies bien éprouvées, fut repris, accompagné et soutenu par l'équipe de direction du CNES de l'époque. Le rôle de cette équipe a été déterminant pour emporter la décision gouvernementale d'engagement du programme Ariane comme de celle de créer une base de lancement en Guyane quelques années plus tôt (enjeu lié à l'autonomie d'accès à l'espace, espace domaine stratégique d'indépendance et de souveraineté).

La France prit à la fois la responsabilité technique et la responsabilité financière d'Ariane à travers le CNES (c'est-à-dire tous les risques: par exemple tout dépassement au-delà de 120 % était à la charge de la France, la contrepartie était la maîtrise d'œuvre du programme donnée à la France via le CNES).

Les choix technologiques furent arrêtés : un lanceur tri étages (le premier ne serait pas cryotechnique, le second serait doté du même moteur que le premier (le moteur Viking doté d'une turbo-pompe), puis viendrait un troisième étage, cryotechnique, celui-là, issu des travaux réalisés en France depuis plusieurs années).

Les choix des ingénieurs reposaient sur des technologies fiables et éprouvées. En particulier, ils ne voulaient pas apporter de modifications, d'améliorations par rapport à ce qui avait été déjà vérifié. Tout a été fait pour éviter les prises de risques inutiles. Comme ils avaient raison !
La décision d'engagement du programme Ariane est prise depuis 1973 et, finalement, après quelques hésitations, confirmée en 1974 par le Président Giscard d'Estaing. Ce dernier envisagea en effet un moment de rompre certains engagements internationaux pris par la France en matière spatiale, les jugeant trop onéreux et se montrant peu convaincu de l'utilité d'un lanceur. Il faut reconnaître qu'à cette époque Hubert Curien faisait partie des opposants d'Ariane. En tant que responsable de la DGRST, il gérait l'enveloppe financière de la recherche dont une partie importante allait au CNES pour le projet Ariane, et c'était autant d'argent en moins à distribuer à la recherche. Mais comme le rappelle l'ambassadeur Philippe Louet, il se montra par la suite « un formidable fédérateur d'énergie en faveur du lanceur européen ».

Hubert Curien est nommé à la présidence du CNES en 1976 jusqu'à sa nomination au Gouvernement en 1984. Jusqu'à décembre 1979, il lui fallut beaucoup d'énergie pour défendre le programme Ariane dont beaucoup, notamment au ministère des Finances, souhaitaient l'abandon. C'est bien sous l'autorité d'Hubert Curien, président du CNES maître d'œuvre d'Ariane, qu'eut lieu le premier lancement d'Ariane 1, le 24 décembre 1979, un magnifique succès. Quand on parle avec les anciens de Kourou, ils ont plein d'anecdotes notamment sur l'émotion d'Hubert Curien lors de ce lancement. Autre anecdote: en fait, le CNES avait tenté un premier lancement le 15 décembre, puis le 16 décembre qui s'est traduit par un tir avorté c'est-à-dire qui ne va pas jusqu'au bout. Ceci n'a pas été compris par l'opinion. Par exemple, des journalistes ont réagi d'une manière assez violente - le titre d'un journal (le Figaro je crois) « Les guguss au nez rouge ». Hubert Curien avait dû expliquer longuement aux journalistes depuis l'hôtel des Roches que c'était normal d'avoir des problèmes pour un premier lancement.

Ensuite, le parcours d'Hubert Curien reste intimement mêlé aux étapes qui ont jalonné les programmes de la famille Ariane - en ce sens on peut affirmer qu'il est l'un des pères d'Ariane. Quelques dates :

• 1976-1984 : H. Curien est président du CNES ;
• 24 décembre 1979: premier lancement d'Ariane 1 ;
• 1980 : décision d'Ariane 3 et de la construction du second ensemble de lancement (augmentation des cadences déjà, avant la création officielle d'Arianespace);
• 1981 : pré-développement du moteur HM60 précurseur de Vulcain ;
• 1982 : décision Ariane 4 ;
• Août 1984 : premier vol d'Ariane 3: je cite Hubert Curien « j'étais monté sur un tonneau pour dire quelques mots comme le veut l'usage. J'ai été accueilli par un tonnerre d'applaudissements. Laurent Fabius qui devait constituer un nouveau gouvernement, s'est alors dit que «s'il me suffisait de monter sur un tonneau pour être acclamé, je ferais un ministre très populaire » ;
• 1984-1986 : H. Curien est ministre de la Recherche et de la Technologie ;
• 1987 : décision Ariane 5 ;
• 1988 : premier vol d'Ariane 4 ;
• 1988-1993 : H. Curien est ministre de la Recherche et de l'Espace.

Au cours de sa brillante carrière, Hubert Curien a accompagné et soutenu des travaux importants de recherche sur une meilleure connaissance de nombreuses technologies qui étaient déjà connues quand il est entré dans les activités spatiales... mais insuffisamment.
Sous son égide ont été réalisés :

• le premier moteur cryotechnique opérationnel en Europe ;
• le premier développement réussi d'un lanceur à l'échelle européenne ;
• la conduite d'un développement avec des spécifications de management. Cela n'existait pas avant et la division des lanceurs s'est appuyée sur l'expérience de la NASA dans ce domaine pour créer l'environnement de management au sein de l'Europe. L'ESA a suivi bien plus tard, ou le CNES à Toulouse avec le programme SPOT ;
• la conduite de développement avec la notion de Systèmes complexes, pour mettre en exergue la démarche système dont l'absence est à l'origine de l'échec d'Europa ;
• le premier remplissage d'un lanceur en automatique (dès L01 mais non sans peine), dont le troisième étage cryotechnique. Les Américains ne l'ont fait que bien plus tard ;
• au travers des échecs L02 puis L5, V15 et V18 ;

- la caractérisation des instabilités de combustion dans les chambres propulsives ; notamment des moteurs Viking ;
- l'amélioration du fonctionnement des turbopompes par la résolution de plusieurs problèmes technologiques concernant les engrenages, les roulements et la lubrification ;
- l'étude fine des conditions d'allumage du moteur cryotechnique et le retour sur la conception de l'allumeur (c'est à cette époque que la notion de programme ARTA¹ est apparue, la production d'un engin aussi complexe nécessitant une veille permanente) ;

• première apparition sur un lanceur du pilotage numérique (sur Ariane 4). Auparavant le pilotage était analogique et à partir d'Ariane 4 les commandes à destination des vérins déplaçant les tuyères des moteurs sont déterminées par le calculateur de bord ;
• création d'Arianespace en 1981 sous l'impulsion de la Direction des lanceurs pour disposer d'une souplesse commerciale et première négociation avec un client privé (Intelsat)

^{1   Programme ARTA: Programme d'accompagnement technologique de la production Ariane permettant d'analyser et de traiter les anomalies en vol, de traiter les obsolescences et d'effectuer des essais de prélèvement pour assurer la fiabilité des productions.}

La problématique des technologies lanceurs

J'en viens maintenant à la problématique des technologies lanceurs dans notre pays, de ses forces et ses faiblesses, des perspectives pour l'avenir dans le contexte de l'Europe et du monde, et de la préparation du futur.

Le contexte

Je vais commencer par rappeler la situation actuelle, structurante pour l'avenir, du lanceur européen Ariane 5. À la suite de l'échec du vol inaugural de la nouvelle version lourde, Ariane 5 EGA, en décembre 2002, un rigoureux plan de retour en vol a été mis en œuvre et a conduit à la réussite du deuxième vol en février 2005. En août dernier, c'est la version de secours, dite Ariane 5 GS, qui a été lancée pour la première fois avec succès. Ce plan de retour en vol a nécessité des ressources financières importantes qui n'ont donc pas pu être consacrées à la préparation du futur. Malgré ces succès, le lanceur Ariane 5 n'en reste pas moins dans une situation fragile: situation industrielle, car la production de la version A5 EGA n'est pas encore dans une phase stabilisée, situation économique aussi, compte tenu de la concurrence plus vive que jamais sur le marché mondial des services de lancement. Dans ce contexte, il n'est pas envisageable ni nécessaire d'ailleurs, de prévoir à court terme un nouveau développement important. La priorité doit être donnée à la consolidation technique, économique et industrielle de la filière Ariane 5, ce qui ne veut pas dire que le futur est abandonné. Bien au contraire, car nous avons besoin des prochaines années pour mûrir les technologies et les concepts de véhicules, avant de reprendre un grand développement d'un nouveau lanceur européen ou même international. Le CNES a décidé de mettre ces années à profit en investissant de manière importante dans les activités de recherche et d'avant-projet, dites de phase 0/A et de démonstrateurs, pour les lanceurs futurs.
Quelles sont justement les grandes orientations de la préparation des lanceurs futurs? On se doit tout d'abord de constater que la technologie des lanceurs a en réalité peu évolué depuis leurs origines, c'est-à-dire depuis les missiles balistiques dont ils sont dérivés. Le mode de propulsion unique reste la propulsion chimique, avec une utilisation de plus en plus fréquente de la propulsion cryotechnique, plus difficile à maîtriser, mais plus performante. Les concepts des lanceurs américains ou russes les plus récents, Delta 4, Atlas 5, et Angara sont peu différents de celui du lanceur russe R7 dont est dérivé Soyouz, qui va d'ailleurs entamer une deuxième jeunesse lorsqu'il sera lancé depuis le Centre spatial guyanais. Le seul système de lancement révolutionnaire, reste la navette spatiale, dont on connaît aussi la fragilité. Par exemple, la NASA envisage de revenir à des concepts anciens (capsules) pour les futures missions d'exploration. Les développements de lanceurs ont donc principalement consisté dans les vingt dernières années, à augmenter leur taille, donc leur performance, pour satisfaire les besoins des missions et réduire les coûts dans un marché déprimé. Ces augmentations ont nécessité la maîtrise de modes de propulsion de plus en plus performants, donc des développements technologiques importants, mais sans révolution des concepts. Ces augmentations de performance ne se sont pas accompagnées d'une maîtrise accrue des technologies, puisque l'on constate que statistiquement, la probabilité de succès d'un premier lancement, partout dans le monde, est sensiblement la même aujourd'hui qu'il y a trente ans! On assiste donc à des évolutions technologiques, pas à des révolutions.

L'importance de la modélisation

C'est pourquoi le premier axe de progrès doit être la maîtrise complète des phénomènes physiques, qui contribuera à l'augmentation de la robustesse de nos lanceurs: comprendre pour mieux maîtriser; c'est banal, mais nous avons du travail devant nous. Cette maîtrise ne pourra se faire que par un effort très important de modélisation. Cette modélisation a bien sûr pour but de mieux connaître et comprendre, pour mieux décrire les phénomènes physiques intervenant pendant le vol d'un lanceur, mais surtout les interactions et couplages entre ces phénomènes ou entres différents éléments d'un lanceur, car un lanceur est avant tout un système complexe qui met en jeu des énergies considérables et qu'on ne peut pas tester en grandeur réelle au sol. Les recherches fondamentales jointes à l'application des méthodes les plus modernes de calcul scientifique permettront de franchir une étape décisive vers une plus grande fiabilité des systèmes de lancement. Les résultats attendus sont nécessaires à la fois pour l'exploitation des lanceurs actuels et pour les développements futurs, car les concepts nouveaux, en particulier ceux des lanceurs réutilisables, devront faire l'objet de simulations poussées pour en étudier la faisabilité et limiter les risques avant de s'engager dans des développements coûteux.

La technologie clef : la propulsion

La technologie clef des lanceurs reste la propulsion. Sur les huit échecs des lanceurs Ariane, six avaient pour cause une défaillance d'un moteur. C'est l'augmentation de la fiabilité qui est recherchée dans les travaux de recherche actuels, ce qui n'est pas antinomique de la réduction des coûts au contraire. De nombreuses technologies sont identifiées pour augmenter la fiabilité des moteurs: meilleure maîtrise de la combustion et de la détente des gaz, remplacement des roulements des pièces tournantes par des paliers fluides, mise au point de nouvelle technologie de réalisation de chambre de combustion, systèmes d'allumage « doux » etc. Chaque technologie sera validée par des travaux de base, puis par des démonstrateurs en recherchant une validation la plus globale possible. Cette étape des démonstrateurs technologiques permettra de réduire les risques pour les développements futurs et de maintenir les compétences dans l'industrie dans une phase où aucun développement majeur n'est conduit. Augmentation de la robustesse, de la fiabilité, de la durée de vie, réduction des ambiances générées par les moteurs, diminution des coûts grâce à des conceptions plus simples, sont autant de caractéristiques pour les moteurs nécessaires pour les lanceurs consommables ou réutilisables.
Mais peut-on imaginer de nouveaux types de propulsion pour nos lanceurs ? Pour les premiers étages de lanceurs, on voit mal comment la propulsion chimique classique pourrait être remplacée à moyen terme car elle est seule capable de générer les poussées considérables nécessaires pour extraire un véhicule de l'atmosphère terrestre. Par contre, le jeu est beaucoup plus ouvert pour les étages supérieurs ou de transfert d'orbite, et de nombreux modes de propulsion sont à l'étude: héliothermique, nucléaire pour les missions lointaines vers Mars, électrique, cryotechnique à basse poussée, propulsion à détonation etc. Il faut aussi citer les résultats déjà obtenus pour le moteur VINCI²  qui a passé avec succès des premiers essais au banc. La mise au point du cycle de moteur Expander³, largement répandu dans le monde mais qui n'était pas encore maîtrisé en Europe, sera très utile pour les futurs étages supérieurs de lanceurs.

^{2 Moteur VINCI : moteur cryotechnique réallumable pour étage supérieur de nouvelle génération, en cours de développement. Ce moteur est à cycle Expander}

^{3 Cycle Expander: par rapport au cycle classique utilisant un générateur de gaz pour entraîner les turbopompes, le cycle Expander réutilise en les réchauffant les gaz nécessaires pour refroidir la chambre de combustion. Ce cycle d'une grande novation technologique en Europe permet d'alléger considérablement la conception du moteur.}

Réutilisables ou consommables ?

On ne peut esquisser l'avenir des lanceurs sans aborder le thème des lanceurs réutilisables, thème récurrent considéré comme le saint graal des concepteurs de lanceurs, souvent recherché, jamais atteint ! Certains disent que les lanceurs réutilisables sont des lanceurs d'avenir, mais qu'ils le resteront encore longtemps! Le problème des lanceurs réutilisables ou partiellement réutilisables, n'est pas que les technologies pour les réaliser ne sont pas disponibles, mais que leur intérêt économique est loin d'être démontré à ce jour. Car ils sont plus chers à développer, mais malheureusement compte tenu des faibles cadences, probablement les plus chers aussi à opérer. Cependant, ils peuvent présenter un intérêt majeur dans le domaine de la fiabilité. En effet, avec les lanceurs actuels, il est quasi-impossible, compte tenu des faibles cadences, de produire les lanceurs identiques pour chaque vol, et chaque lancement recèle donc une part de surprise donc de "défiabilité". Avec un lanceur réutilisable, il serait théoriquement possible de supprimer cette part de défiabilité.
S'il était nécessaire de développer aujourd'hui un nouveau lanceur, il est presque exclu qu'il soit totalement ou partiellement réutilisable. Mais qui peut dire ce qu'il en sera dans dix ans? Quoi qu'il en soit, nous avons souligné que les axes de progrès et les technologies associées, sont, dans bien des cas, les mêmes pour les deux types de lanceur. Il convient donc de développer ces technologies et sur la base des résultats obtenus et du modèle de mission du remplaçant d'Ariane 5, en 2020, de prendre la décision de choix du concept lorsque cela sera nécessaire.

Conclusion

On le voit, de nombreuses perspectives existent pour le secteur des lanceurs où règnent toujours l'enthousiasme et la passion des pionniers, ce dont certainement Hubert Curien se serait réjoui, lui qui s'est toujours mobilisé pour construire l'avenir de la filière qu'il a si brillamment contribué à créer. Suivant les pas d'Hubert Curien, le CNES contribuera à cette préparation du futur, au travers d'un plan ambitieux de recherche et de démonstrateurs technologiques dans un cadre européen et de coopération internationale, qui permettront d'engager d'ici quelques années le développement du nouveau système de lancement, qui je l'espère, sera digne de l'œuvre d'Hubert Curien.