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DCPS - Conception et évaluation des performances des systèmes

L3AR, Système de lancement aéroporté innovant pour petits satellites

Dans le cadre du projet PERSEUS sous maîtrise d’œuvre du CNES, l’ONERA étudie un concept innovant de système de lancement aéroporté pour la mise à poste de petits satellites de 10 à 50 kg en orbite basse.

Le lancement aéroporté peut être décrit comme une solution particulière d’architecture de système de lancement spatial dans laquelle le premier étage est un véhicule réutilisable de conception aéronautique, chargé d’acheminer puis de larguer en altitude (et dans des conditions adéquates de pente et de vitesse) un lanceur à propulsion fusée.
 

Système de largage avec parachute
Exemple de technique de largage évaluée dans le cadre des travaux L3AR
(système de largage avec parachute)


architecture bi-poutres et largage pendulaire du lanceur
Exemple de concept de véhicule évalué dans le cadre des travaux L3AR
(architecture bi-poutres et largage pendulaire du lanceur) - ©ONERA



L’intérêt de ce choix d’architecture, comparé à un lanceur classique partant du sol, est multiple :

  • Tout d’abord : un gain en performances pour le lanceur. En effet, le fait de démarrer en altitude le vol propulsé du lanceur conduit à une diminution des effets perturbateurs de l’atmosphère (traînée atmosphérique et perte de performances de la propulsion fusée). De ce fait, ce système permet d’obtenir un lanceur plus petit que son équivalent partant du sol ayant la même performance. D’autre part, le porteur est réutilisé, alors que tous les étages sont consommables dans un lanceur classique.
  • Un mode opératoire en principe plus simple et des infrastructures au sol plus légères, car les opérations au sol se rapprochent dans une certaine mesure de celles d’un aéronef, en particulier grâce au décollage horizontal sur piste. En outre, ce système rend plus facilement envisageable l’exploitation du système de lancement depuis des sites différents, ainsi que des applications de type « lancement à la demande ».
  • Une plus grande souplesse d’utilisation en terme de missions. En effet, ce système offre la possibilité de démarrer le vol du lanceur dans la zone géographique souhaitée, en particulier en mer. L’intérêt est notamment d’élargir les possibilités en terme d’azimut de tir (et donc d’inclinaison orbitale visée) par rapport aux contraintes de sécurité que peut connaître un site de lancement terrestre.

Ces avantages font du lancement aéroporté une piste prometteuse pour le développement à moindre coût d’un système de lancement dédié aux petits satellites, notamment les très petits satellites de 50 kg ou moins. Pour cette gamme de masse, il n’existe en effet aucun moyen de lancement réellement adapté. Actuellement, les satellites de ce type doivent être lancés en tant que passagers secondaires, donc avec des contraintes très fortes sur l’orbite visée et la date de lancement, imposées par la charge utile principale.

L’ONERA travaille depuis plusieurs années en collaboration avec le CNES sur cette thématique du lancement aéroporté, au travers de divers projets et études de systèmes de lancement futurs, dont les études DEDALUS.

Dans le cadre du projet PERSEUS du CNES sur la thématique des nano-lanceurs, les travaux sur le lancement aéroporté se concentrent maintenant sur un concept innovant : le concept L3AR, ou système de Lancement Assisté par Aéroporteur Automatique Réutilisable.

L’idée originale développée dans ces travaux est de concevoir un système de lancement aéroporté dont le porteur est automatique et conçu exclusivement et de façon « minimale » pour la mission de lancement. Ce concept constitue une alternative potentiellement moins complexe et moins coûteuse que les solutions habituellement envisagées pour le porteur, à savoir le recours à un avion piloté ou bien à un système de drone classique.

L’objectif des travaux en cours est de consolider le concept L3AR (architecture lanceur et porteur, mode de largage, etc.) afin d’aboutir à un dossier de spécification, en vue de la réalisation d’un avant-projet détaillé du concept.

Egalement dans le cadre du projet PERSEUS du CNES, l’ONERA travaille sur le démonstrateur à petite échelle EOLE [2], conçu pour approfondir l’étude du lancement aéroporté avec des expérimentations en vol au profit du concept L3AR. EOLE est une plateforme expérimentale destinée à tester différents systèmes de largage, et différentes conditions et manoeuvres de séparation, ainsi qu’à étudier le comportement relatif porteur / lanceur durant la séparation. D'une envergure de 6.7 m et d'une masse au décollage de 150 kg, EOLE sera capable grâce à ses deux turboréacteurs de 40 daN de poussée unitaire, de larguer en conditions variées de vitesse, altitude et manœuvre, des maquettes de fusées elles-mêmes instrumentées, propulsées et même potentiellement pilotées. Il pourra également servir de banc d'essais volant pour tester en conditions réelles différents sous-systèmes ou équipements étudiés dans le cadre de PERSEUS.

Lanceur Eole et Ares
Le démonstrateur EOLE équipé de son lanceur ARES


La conception mécanique, la fabrication, l’équipement, l'instrumentation et à terme la mise en œuvre du porteur EOLE sont confiés à la PME Aviation Design, spécialisée dans la réalisation de véhicules expérimentaux. L’Université Evry Val d'Essonne (UEVE) réalise la conception et la fabrication d'un dispositif de séparation et de largage de référence. Enfin, l'association Planète Sciences, l'Institut Polytechnique des Sciences Avancées (IPSA) et l'association CLC de l'Ecole Centrale Lyon sont en charge de la définition, de la fabrication et de l'équipement du lanceur de référence. Le système expérimental EOLE a fait l'objet du dépôt d'un brevet commun au CNES, à l'ONERA et à Aviation Design [3].

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