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Le prochain grand saut de l'aviation
Malgré son aura d'industrie de pointe, l'aérospatiale stagne depuis des décennies. Les mêmes types d'avions à réaction qui sont entrés en service dans les années 1960 prévalent toujours dans les vols commerciaux et militaires. Aux États-Unis, il n'y a pas eu de nouveau programme important de moteurs-fusées depuis que le moteur principal de la navette spatiale a été développé il y a 20 ans. Rien dans le Boeing 777 ne laisserait perplexe les concepteurs d'avions de l'ère Eisenhower.
Aujourd'hui, cependant, la disponibilité de moteurs de fusée fiables et réutilisables pourrait rendre possible la prochaine étape majeure du transport aérospatial : l'avion-fusée. Les avions-fusées combinent la propulsion des fusées avec l'aviation, permettant aux avions qui décollent et atterrissent des aéroports conventionnels de s'envoler et de sortir de l'atmosphère. Les avions-fusées réduiront le coût de lancement des satellites, accéléreront la livraison des colis et, en fin de compte, permettront aux gens de passer d'un bout du monde à l'autre en une heure environ. Aussi farfelue que cette vision puisse paraître, la technologie est à portée de main.
L'idée d'un avion-fusée n'est pas nouvelle. Le premier de ces appareils, le Heinkel He-176 allemand, a volé en 1939. C'est à bord du X-1 propulsé par fusée que Chuck Yeager a franchi pour la première fois le mur du son, il y a 50 ans en octobre dernier. Au cours des années 1980 et au début des années 1990, la NASA et le département américain de la Défense ont coopéré au projet d'avion aérospatial national - un effort, depuis annulé, pour développer des technologies qui permettraient à un véhicule qui décollerait comme un avion ordinaire, d'accélérer en orbite autour de terre, puis retour dans l'atmosphère pour un atterrissage sur piste.
Mais les récents progrès technologiques - des fusées plus efficaces aux boucliers thermiques plus fiables et plus robustes - ont rapproché l'avion-fusée de la réalité pratique. Dans le même temps, le marché des services qu'un tel véhicule pourrait offrir se développe. La nécessité de lancer des satellites de manière économique peut fournir le premier stimulus pour le développement d'un avion-fusée. À l'avenir, cependant, la principale utilisation quotidienne de ces véhicules hypersoniques pourrait bien résider dans la livraison de passagers et de colis de valeur dans le monde entier.
Ce n'est pas un mystère pourquoi les concepteurs d'avions ont mis si longtemps à adopter la technologie des moteurs de fusée. Premièrement, les fusées sont inefficaces, consommant du carburant sept fois plus vite qu'un turboréacteur à pleine puissance. Et tandis qu'un moteur à réaction respire l'air de l'atmosphère pour brûler son carburant, les fusées sont conçues pour fonctionner dans le vide de l'espace et doivent donc transporter non seulement du carburant, mais aussi un oxydant, généralement sous forme d'oxygène liquide. Cette exigence impose un poids plus lourd à une fusée qu'à un jet.
Deuxièmement, les fusées ne se sont généralement pas avérées aussi fiables que les moteurs à turbine à gaz. Ce manque de fiabilité provient en partie du fait que ces moteurs fonctionnent à des températures extrêmement élevées. De plus, les concepteurs et ingénieurs d'avions ont relativement peu d'expérience avec les fusées, par rapport à leurs milliards d'heures d'expérience avec les moteurs à réaction.
Mais les fusées ont un avantage compensateur. Bien qu'elles soient gourmandes en carburant, elles ne pèsent qu'une fraction de ce que font les turbines à gaz. Les meilleurs moteurs à réaction actuellement en développement génèrent environ 9 fois plus de poussée que le poids du moteur. En revanche, même un moteur de fusée très lourd produit un rapport poussée/poids de 50. De plus, avec la technologie actuelle, seule une fusée peut atteindre la vitesse de Mach 25 nécessaire pour surmonter la force de la gravité et entrer en orbite terrestre. (Mach 1 est la vitesse du son dans l'air à environ 740 mph, ou 1 200 kilomètres par heure.) Même le moteur à réaction à respiration aérienne le plus rapide ne tourne qu'à environ Mach 4.
Se lever pour le noir sauvage là-bas
Le succès commercial des avions-fusées dépendra des développements de deux technologies clés : un moteur-fusée fiable et réutilisable et un système de protection thermique robuste pour éviter les dommages lors de la rentrée. Dans les deux cas, des solutions avancées sont à portée de main.
Les chercheurs américains se sont concentrés sur l'amélioration des technologies des composants et des matériaux avancés, et non sur la fabrication de véritables moteurs de fusée. Dans l'ex-Union soviétique, cependant, les chercheurs ont continué à faire progresser le développement de familles de moteurs de fusée. En particulier, le programme de navette spatiale soviétique a conduit à une nouvelle génération de moteurs de fusée réutilisables avancés alimentés au kérosène (c'est-à-dire au carburéacteur conventionnel), à l'hydrogène ou à une combinaison des deux. Par exemple, le RD-120 réutilisable, un moteur au kérosène développé comme moteur d'étage supérieur pour le booster Zenit, a été certifié par son importateur américain Pratt and Whitney comme bon pour 10 vols plus 10 autres après une révision majeure.
Les ingénieurs aérospatiaux reconnaissent également que le système de protection thermique de la navette spatiale n'est pas adapté à un véhicule vraiment robuste. Bien que la navette soit réutilisable, son bouclier thermique est facilement endommagé. De plus, les conditions météorologiques ordinaires telles que la pluie et la poussière entraînée par le vent endommagent le bouclier thermique. Après chaque atterrissage, la navette doit subir une remise à neuf coûteuse et longue impliquant des produits chimiques toxiques et des procédures spéciales, pour remplacer les tuiles perdues et endommagées afin que le vaisseau spatial puisse remonter en orbite en toute sécurité.
Les efforts de la NASA pour corriger ces problèmes ont donné des résultats impressionnants. Les concepteurs disposent d'un choix beaucoup plus large de carreaux, de couvertures, de surfaces métalliques et de composites et céramiques avancés, qui peuvent tous fabriquer des fusées de nouvelle génération capables de résister au vent et aux intempéries qui enlèveraient le bouclier thermique de la navette en quelques minutes. L'un des nouveaux matériaux - la tuile de protection thermique AETB-TUFI-C développée par le centre de recherche Ames de la NASA - a survécu sans dommage à un vol d'essai sur un F-15. Ce résultat était d'autant plus remarquable que le chasseur a traversé une tempête de pluie qui a décapé la peinture de sa surface.
De telles avancées ont renforcé les perspectives de construction d'un avion-fusée réutilisable. Mais d'autres questions de conception demeurent avant qu'un tel métier ne devienne pratique. Premièrement, pour tirer parti des milliers de milliards de dollars d'infrastructures aéroportuaires existantes, un avion-fusée doit être capable de décoller et d'atterrir de manière conventionnelle et horizontale.
De plus, un moteur de fusée fonctionne mieux dans le vide de l'espace ; plus l'air est dense, plus la fusée doit brûler de carburant pour développer la même quantité de poussée. L'épaisse soupe d'air de l'atmosphère impose également une pénalité de traînée, forçant la fusée à gaspiller d'énormes quantités de carburant. Ainsi, un avion propulsé par fusée a besoin d'un autre moyen de propulsion pour le soulever du sol jusqu'aux couches supérieures de l'atmosphère ; une fois arrivée aux confins de l'atmosphère, la fusée pourrait s'enflammer et propulser l'engin dans l'espace.
Les ingénieurs aéronautiques ont développé trois schémas principaux pour y parvenir. Dans l'un, l'avion-fusée est attaché au ventre d'un avion à réaction, qui décolle et vole à haute altitude. Ensuite, l'avion-fusée se dépose pour terminer son vol. Chuck Yeager a utilisé cette technique en 1947 pour réaliser le premier voyage humain à vitesse supersonique.
Dans une variante moderne de cette approche, un avion à réaction remorque un avion-fusée à haute altitude avec une attache, un peu comme les avions conventionnels lancent des planeurs. Ce schéma est en cours de développement chez Kelly Space and Technology à San Bernardino, en Californie. L'avion Eclipse de Kelly est remorqué par un Boeing 747 à une altitude d'environ 14 kilomètres. Là, l'Eclipse allume son moteur-fusée, se déconnecte du câble de remorquage et grimpe à environ 150 kilomètres. L'Eclipse glisse ensuite vers un atterrissage sans moteur.
Un avantage de ces deux techniques est que l'avion-fusée lui-même n'a besoin que d'un seul moteur, la fusée. D'un autre côté, tout véhicule qui dépend d'un autre aéronef pour le lancer présente un sérieux inconvénient. Si l'avion-fusée atterrit au mauvais endroit, par exemple, il devra attendre l'arrivée d'un avion porteur ou remorqueur avant de pouvoir reprendre son envol. De plus, le décollage dans une telle configuration en tandem nécessiterait des pistes plus longues et plus larges que celles des aéroports existants. De plus, si le moteur-fusée ne s'allume pas après avoir été déconnecté de l'avion porteur, l'avion-fusée serait probablement perdu.
Notre société, Pioneer Rocketplane, privilégie un autre programme d'aide au lancement. Dans l'approche Pioneer, l'avion Pathfinder décollerait de manière conventionnelle et monterait à neuf kilomètres sous la puissance des turboréacteurs conventionnels. Là, il rencontrerait un gros avion subsonique, comme un transport KC-135 ou un Boeing 747, qui servirait de ravitailleur volant. Pour préparer la deuxième phase de vol, l'avion-fusée s'amarrerait à ce pétrolier et en aspirerait environ 290 000 kilogrammes d'oxygène liquide. De tels transferts sont une pratique courante dans l'aviation militaire, bien que le propulseur déplacé soit du carburéacteur plutôt que de l'oxygène liquide.
Après s'être déconnecté du ravitailleur, l'avion allumerait son moteur-fusée et monterait à 150 kilomètres, atteignant une vitesse de Mach 12. L'avion-fusée se déplacerait alors au-dessus des franges les plus externes de l'atmosphère, période pendant laquelle un satellite attaché à une petite fusée supérieure étage pourrait être libéré pour le transfert en orbite. L'avion redescendrait alors dans l'atmosphère. Après avoir ralenti à une vitesse subsonique, les turboréacteurs redémarraient, propulsant l'avion vers un terrain d'atterrissage. Parce qu'il pouvait décoller de n'importe quel aérodrome de taille moyenne, l'avion-fusée Pioneer offrirait une grande flexibilité dans le choix du site de lancement et des options d'abandon.
Conduire un Rocketplane pour le plaisir et le profit
La première chose qui vient à l'esprit de beaucoup de gens en pensant aux avions-fusées est le potentiel de voyage personnel rapide. Bien que cette possibilité existe, d'autres applications promettent un flux de revenus plus stable et se développeront probablement en premier.
lancement de satellites : malgré une activité saine grâce au lancement de satellites gouvernementaux et commerciaux, l'industrie internationale des lancements spatiaux a connu au cours des deux à trois dernières décennies une période de stagnation technologique presque complète. La plupart des systèmes de lancement actuellement utilisés - y compris le Delta, l'Atlas, le Titan, le Soyouz, le Molniya et le Proton - volaient déjà sous leur forme actuelle au milieu des années 1960. Alors que quelques systèmes supplémentaires, tels que l'Ariane européen, ont été introduits au cours des décennies qui ont suivi, les améliorations technologiques ont été si mineures que les systèmes plus anciens sont toujours compétitifs. En conséquence, les tarifs de fret de la surface de la Terre à l'orbite restent à environ 10 000 $ à 20 000 $ par kilogramme, le même que dans les années 1960. Ce coût toujours élevé freine sévèrement le développement commercial de l'espace.
Créer une nouvelle industrie spatiale
Étant donné que les avions-fusées sont une technologie à court terme avec une application commerciale étendue, il devrait être possible de financer leur développement principalement avec des investissements privés. Néanmoins, le développement de nouveaux systèmes de vol implique toujours un risque commercial important, qui pourrait être atténué par la participation du gouvernement.
La référence à notre ère actuelle comme l'ère spatiale est un terme impropre à appeler les années 1910 l'ère de l'air. À l'exception de l'armée, le monde n'a pas vraiment ressenti l'impact du transport aérien jusqu'à ce que la technologie devienne routinière et banale et abordable pour plus d'une élite. De même, si une véritable ère spatiale doit arriver, il doit y avoir un marché pour la technologie des fusées qui prend en charge la fabrication de composants d'engins spatiaux non pas par lots, mais par centaines ou par milliers.
Les producteurs de ces avions devront commencer à utiliser les méthodes de production courantes dans l'aviation commerciale plutôt que les techniques de production coûteuses en petits lots qui dominent aujourd'hui l'industrie spatiale. De plus, nous aurons besoin d'une infrastructure de lancement mondiale qui prend en charge non pas des centaines de vols par an, mais des centaines de vols par jour. Les seuls marchés suffisamment importants pour stimuler les investissements dans de telles capacités de production et infrastructures de lancement sont la livraison de colis sur de longues distances et le transport de passagers.
Pour la même raison que les avions militaires puis postaux ont précédé les avions de passagers, les lanceurs de satellites, les avions militaires et les avions-fusées à livraison rapide de colis précéderont sans aucun doute les avions-fusées de passagers. Néanmoins, le jour viendra sûrement où des milliers d'avions-fusées traverseront le globe quotidiennement, desservant les voyageurs d'affaires et de vacances de New York à Tokyo, peut-être même en orbite.