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Pre-X prépare l’avenir des lanceurs spatiaux

Début 2006, et ce pour une durée de neuf mois, plusieurs départements de l'Onera, en collaboration avec le Cnes, qui est le maître d'ouvrage, Dassault-Aviation, Snecma Propulsion Solide, Astrium, Man Technologies Aerospace et le DLR vont travailler au développement de la phase B du programme Pre-X dont EADS-ST est le maître d'oeuvre. Rappelons que ce programme vise à concevoir un démonstrateur de rentrée hypersonique pour le développement des futurs lanceurs réutilisables ou RLV. Il devrait voler d'ici 2010.

Vue d'artiste de l'échauffement sur le Pre-X lors de la rentrée

Des problèmes de coût, mais également d'environnement, font que tôt ou tard les grandes nations spatiales devront utiliser d'autres types de lanceurs que ceux d'aujourd'hui pour mettre en orbite des satellites. Beaucoup de travaux exploratoires ont été menés dans ce domaine, aux Etats-Unis, au Japon et en Europe. A long terme, le lanceur réutilisable est une voie envisageable qui nécessite l'acquisition des technologies propres à la rentrée atmosphérique au cours de laquelle est dissipée l'énergie orbitale du véhicule. "Les projets dans le domaine de la rentrée atmosphérique sont un peu des monstres du Loch Ness. Ils émergent à intervalles réguliers avant d'immerger à nouveau", constate avec humour Jean-Luc Vérant, ingénieur de recherche au sein du Département des modèles pour l'aérodynamique et l'énergétique (DMAE), dans l'unité C2A (Couplage aéroacoustique et aérothermique) où il est responsable du pôle Aérothermodynamique de la rentrée atmosphérique. Les technologies de la rentrée s'appliquent néanmoins également à l'exploration planétaire, en particulier pour la planète Mars qui est aujourd'hui l'objectif poursuivi par les Etats-Unis et par l'Europe dans le cadre du programme Aurora. C'est dans ce contexte qu'a été initié le programme Pre-X, dont la phase B doit être lancée début 2006.

Des dispositifs très innovants à bord du démonstrateur

L'objectif du programme est de concevoir un véhicule expérimental de rentrée atmosphérique. "Ce prototype va nous permettre d'acquérir un maximum de données en vol et, plus généralement, d'évaluer l'ensemble des problèmes posés par la rentrée atmosphérique depuis l'orbite, ceci pour préparer un futur X-RLV qui serait le démonstrateur expérimental des futurs lanceurs réutilisables", résume-t-il. Le décollage et la rentrée sont les deux phases les plus dangereuses pour un lanceur réutilisable. Nous l'avons vu avec les accidents dramatiques des navettes spatiales américaines, Columbia et Discovery. L'évaluation précise des marges lors de la rentrée est par conséquent cruciale pour la fiabilité et la viabilité du véhicule. "Par conséquent, le démonstrateur Pre-X sera équipé d'un maximum de moyens de mesures, certains classiques, d'autres innovants, qui vont permettre de collecter de multiples informations, entre Mach 25 et Mach 10 et grosso modo entre 120 et 40 km d'altitude", indique Jean-Luc Verant.

Quand il décollera, en principe courant 2010, pour effectuer un vol très court, sur une trajectoire planante, contrairement à l'ARD (Atmospheric Re-entry Demonstrator) qui, lors de son vol réussi en octobre 1998, était sur une trajectoire semi-balistique, le démonstrateur Pre-X embarquera à son bord un certain nombre d'expériences en vol. Certaines d'entre elles permettront d'évaluer plusieurs solutions de protections thermiques. D'autres expériences concerneront l'aérodynamique qui s'avère essentielle pour le contrôle de la rentrée du véhicule dans l'atmosphère. Baptisée FADS (Flush AirData Sensing), l'une de ces expériences permettra pendant toute la phase de rentrée du vol de mesurer la vitesse, l'incidence et la densité de l'air autour du véhicule, mais aussi son dérapage, c'est-à-dire ce que les spécialistes appellent son "attitude". Un lidar, développé à l'Onera, sera installé sur le véhicule. "Nous disposerons ainsi de valeurs de la densité de l'air sur la trajectoire qui soient les plus proches de la réalité, ce qui est tout à fait nouveau", note-t-il.

Résultats de la phase A2. Lignes de courant issues d'un calcul Mach 25
avec braquage asymétrique des gouvernes. 3 millions de points de calcul environ.

Autre dispositif, installé cette fois-ci à l'arrière du véhicule, le Thefa (THermographie en Face Arrière). Là encore développé par l'Onera, ce système doté d'une caméra thermique permettra d'observer les volets implantés à l'arrière du Pre-X qui permettent le contrôle aérodynamique du véhicule. "L'efficacité et la tenue thermique de ces gouvernes sont essentiels au contrôle de l'attitude et de la trajectoire de rentrée. Les phénomènes d'échauffement observés sur ces volets sont quasiment du même ordre, voire plus importants, que ceux apparaissant sur le nez du véhicule", souligne Jean-Luc Verant. D'où cette solution tout à fait innovante proposée par l'Onera qui va consister à installer une caméra à l'intérieur du Pre-X et à l'orienter en direction d'un miroir, lui-même placé sur le culot du véhicule pour mesurer la température sur la face supérieure des gouvernes à partir de laquelle on déduira, par une approche mathématique, la température sur la face inférieure exposée au flux de gaz chaud. "En fait, nous observons dans une zone protégée ce qui se passe dans une autre zone qui, elle, ne l'est pas. Cela va nous permettre d'établir une carte d'échauffement pendant toute la phase d'expérience du vol, ce qui n'a jamais été fait. Nous pourrons ainsi évaluer tous les phénomènes physiques qui apparaissent alors, dont certains peuvent avoir des conséquences dramatiques".

Une douzaine de personnes de l'Onera pour la phase B

La phase B dans laquelle va entrer le programme Pre-X début 2006 a pour but de figer la définition du véhicule. Environ 6 personnes de l'Onera ont participé à la phase précédente (phase A) au cours de laquelle les principales options du véhicule et de sa mission ont été validées,. "L'Onera a travaillé sur le développement de ce que nous appelons "la base aérothermodynamique", en lien avec nos collègues allemands du DLR et ceux de Dassault-Aviation et d'EADS-ST. C'est en effet le DMAE qui est en charge des grands calculs tridimensionnels du véhicule pendant sa rentrée à grande vitesse", indique Jean-Luc Verant. Durant la phase A2, des maquettes à échelle réduite, fabriquées par l'Onera, ont été utilisées dans la soufflerie R2CH de Meudon pour établir la cartographie des flux thermique sur le véhicule et évaluer les problèmes de décollement et de réattachement de l'écoulement sur les gouvernes à grande vitesse.

Une douzaine de personnes de l'Onera seront impliquées dans cette phase B qui verra la mise en oeuvre de la soufflerie F4, "une soufflerie hyper-enthalpique dans laquelle nous allons procéder à des mesures à très grande vitesse, autour de 5 km/s, des coefficients aérodynamiques pour vérifier quelques points de la base aérodynamique de la rentrée atmosphérique du véhicule". C'est durant cette phase que seront lancés les études d'intégration des systèmes de mesure innovants à bord du véhicule. Le Département Mesures physiques (DMPH) se chargera du lidar, la réalisation de Thefa étant assuré par le DMAE, tout comme les calculs tridimensionnels hypersoniques de phase B, dont ceux de la maquette à F4. Tous ces travaux devront être réalisés au cours des neuf prochains mois. On espère voir ensuite un lancement rapide des phases C et D, au cours desquelles sera construit le démonstrateur Pre-X, probablement dans le cadre du programme européen FLPP.

Calcul Mach 17.75 en phase A1. Braquage symétique des gouvernes.
Cartographie de l'échauffement à la paroi et lignes de frottement pariétales. Enveloppe de l'onde de choc autour du véhicule. 1,5 millions de points de calcul environ.

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