SpaceX et Blue Origin peuvent-ils surpasser une conception de moteur de fusée russe vieille de plusieurs décennies ?

Photo d'une fusée qui décolle Bill INgalls/NASA

Une heure avant le coucher du soleil le 24 mai 2000, une fusée inhabituelle a décollé du Launch Complex 36 à Cape Canaveral Air Force Station. Comme la plupart des fusées, l'Atlas 3 avait hérité sa conception d'un missile balistique intercontinental - dans ce cas, du premier missile américain de ce type, conçu pour menacer l'Union soviétique d'anéantissement nucléaire. Ce n'était pas inhabituel. Mais la fusée avait un nouveau premier étage, considérablement plus puissant que ceux qu'elle remplaçait. Le RD-180, comme on appelle le moteur, a été construit par NPO Energomash dans une usine à l'extérieur de Moscou. Dans un mariage qui aurait été inimaginable au plus fort de la course à l'espace, un moteur russe propulsait une fusée américaine.

Au cours des deux décennies qui ont suivi, 83 autres fusées de ce type ont décollé de Floride.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2019

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Sur l'Atlas 3 et son successeur, l'Atlas 5, le RD-180 emportait au moins 16 satellites espions américains en orbite, ainsi que 13 satellites de communications militaires, une demi-douzaine de satellites GPS, deux satellites météorologiques militaires et trois satellites d'avertissement de missiles. , conçu pour détecter les lancements de fusées depuis, entre autres, celui où il a été construit. Il a lancé quatre missions américaines sur Mars. Le lancement par la NASA de New Horizons vers Pluton en 2006 et de Juno vers Jupiter en 2011 ont tous deux été effectués à l'arrière du RD-180.

Le RD-180 est remarquable non seulement pour les particularités géopolitiques de sa montée en puissance, mais parce qu'il était à bien des égards simplement mieux que tout autre moteur-fusée de son époque. Quand, en février 2019, Elon Musk a annoncé un test réussi du moteur Raptor de SpaceX, destiné à propulser la fusée de nouvelle génération Starship de la société, il s'est vanté des hautes pressions atteintes dans la chambre de poussée du Raptor : plus de 265 fois la pression atmosphérique en mer. niveau. Raptor, a-t-il déclaré sur Twitter, avait dépassé le record détenu depuis plusieurs décennies par le redoutable RD-180 russe.

Après l'annexion de la Crimée par la Russie en 2014, les jours du RD-180 en tant qu'élément de base des fusées américaines étaient comptés. Les faucons de la défense étaient depuis longtemps mal à l'aise avec l'arrangement, mais le moteur était à la fois très bon et, compte tenu de ses capacités, bon marché - et il est resté. Mais alors que les relations avec la Russie s'effilochaient, les opposants au moteur du Congrès, dirigés par le sénateur John McCain, ont réussi à faire adopter une interdiction de l'utilisation du moteur dans les fusées américaines après la fin de 2022. Cela a obligé l'armée de l'air à trouver une nouvelle fusée pour réussir. l'Atlas 5 alimenté par RD-180.

Tout cela soulève une question : comment un moteur russe vieux de plusieurs décennies est-il devenu la barre contre laquelle se mesurent les meilleurs spécialistes américains des fusées ?

Si vous voulez comprendre ce qui a fait du RD-180 un si bon moteur, il est utile de comprendre qu'il y a beaucoup d'embarcations impliquées. Bien que des centaines de personnes collaborent sur des moteurs de fusée, il est essentiel d'avoir quelqu'un avec un instinct pour une bonne conception en charge : les compromis sont trop complexes pour être compris par la force brute ou par un comité. Dans le cas du RD-180, ce quelqu'un s'appelait Valentin Glushko.

Après la défaite de l'URSS face à l'Amérique dans la course à la lune, la conception du meilleur moteur de fusée possible est devenue une priorité nationale, selon Vadim Lukashevich, ingénieur en aérospatiale et historien de l'espace russe. Les dirigeants soviétiques voulaient construire la fusée la plus puissante du monde, l'Energia, pour maintenir leurs stations spatiales en orbite terrestre et soulever Bourane, une future navette spatiale russe. Glushko a reçu des ressources pour construire le meilleur moteur possible, et il était doué pour la construction de moteurs. Le résultat fut le RD-170, le frère aîné du RD-180.

Le moteur russe RD-180 a propulsé des dizaines de lancements d'Atlas V, certains embarquant des satellites destinés à espionner, entre autres, celui où il a été construit. Craig F.Walker

Le RD-170 a été parmi les premiers moteurs de fusée à utiliser une technique appelée combustion étagée. Le moteur principal de la navette spatiale américaine, également développé dans les années 1970, en était un autre. En revanche, les moteurs F-1 du premier étage de la fusée Saturn V, qui a lancé Apollo sur la Lune, étaient d'une conception plus ancienne et plus simple appelée moteur à générateur de gaz. La principale différence : les moteurs à combustion étagée peuvent être plus efficaces, mais ils risquent davantage d'exploser. Comme l'explique William Anderson, qui étudie les moteurs de fusée à carburant liquide à l'Université Purdue, « Les taux de libération d'énergie sont tout simplement extrêmes. Il faut quelqu'un avec une imagination vraiment astucieuse, dit Anderson, pour comprendre les choses folles qui se passent à l'intérieur des chambres de combustion des moteurs de fusée. En Russie, cette personne astucieuse était Glushko.

'Il y avait tellement d'investissements dans la navette que personne à la NASA ne voulait parler de développement d'un moteur à combustion étagée riche en oxygène … L'oxygène brûlera la plupart des choses si vous fournissez une étincelle.'

Pour comprendre pourquoi les moteurs de Glushko étaient une telle réussite technique, nous devons être un peu techniques.

Il existe deux mesures clés des performances d'une fusée : la poussée, ou la quantité de force exercée par une fusée, et l'impulsion spécifique, une mesure de l'efficacité avec laquelle elle utilise ses propulseurs. Une fusée avec une poussée élevée mais une faible impulsion spécifique n'atteindra pas l'orbite - elle devrait transporter tellement de carburant que le poids du carburant nécessiterait plus de carburant, et ainsi de suite. À l'inverse, une fusée à forte impulsion spécifique mais à faible poussée ne quitterait jamais le sol. (De telles fusées fonctionnent bien dans l'espace, cependant, où une poussée régulière suffit.)

Un moteur de fusée, un peu comme un moteur à réaction d'avion, brûle du carburant avec un comburant - souvent de l'oxygène - pour créer du gaz chaud qui se dilate vers le bas et hors de la tuyère du moteur, accélérant le moteur dans l'autre sens. Contrairement aux moteurs à réaction, qui obtiennent de l'oxygène de l'air qui les entoure, les fusées doivent transporter leur propre oxygène (ou un autre oxydant), car dans l'espace, bien sûr, il n'y en a pas. Comme les jets, les fusées ont besoin d'un moyen de forcer le carburant et l'oxygène dans la chambre de combustion à haute pression ; toutes choses étant égales par ailleurs, une pression plus élevée signifie de meilleures performances. Pour ce faire, les fusées utilisent des turbopompes qui tournent à des centaines de rotations par seconde. Les turbopompes sont entraînées par des turbines, elles-mêmes alimentées par des pré-brûleurs, qui brûlent également du carburant et de l'oxygène.

La différence cruciale entre les moteurs à combustion étagée comme le RD-180 et les moteurs à générateur de gaz comme le F-1 de Saturn réside dans ce qui arrive à l'échappement de ces pré-brûleurs. Alors que les moteurs à gaz le rejettent par-dessus bord, les moteurs à combustion étagée le réinjectent dans la chambre de combustion principale. L'une des raisons de cela est que l'échappement contient du carburant et de l'oxygène inutilisés - les pré-brûleurs ne peuvent pas tout brûler. Le jeter est un gaspillage, ce qui compte dans une fusée qui doit également soulever chaque livre de carburant et d'oxygène qu'elle va utiliser. Mais réinjecter les gaz d'échappement nécessite d'équilibrer délicatement les pressions et les débits correspondants afin que les moteurs n'explosent pas. Il faut toute une série de turbopompes pour le faire fonctionner. Les équipes d'experts ont généralement besoin d'une décennie ou plus de simulation et de tests pour comprendre comment faire les choses correctement.

Les RD-170 et RD-180 ont un autre avantage. Ils sont riches en oxygène, ce qui signifie exactement ce que cela ressemble : ils injectent de l'oxygène supplémentaire dans le système. (Le moteur principal de la navette spatiale, en revanche, est un moteur riche en carburant.) Les moteurs riches en oxygène ont tendance à brûler plus proprement et à s'enflammer plus facilement. Ils permettent également une combustion plus élevée - des pressions de chambre, et donc de meilleures performances - mais ils sont plus enclins à exploser, donc pendant des décennies, il n'y a pas eu d'efforts majeurs pour les faire fonctionner aux États-Unis. Il y avait tellement d'investissements dans la navette que personne à la NASA ne voulait parler de développement d'un moteur à combustion étagée riche en oxygène, dit Anderson. L'oxygène brûlera la plupart des choses si vous fournissez une étincelle. Cela nécessite un grand soin dans les matériaux utilisés pour construire le moteur, et encore plus de soin pour s'assurer qu'aucun matériau étranger, tel que des particules de débris métalliques, n'y pénètre jamais. Plus nous en apprenons sur la physique de ce qui se passe à l'intérieur d'une chambre de combustion, plus nous réalisons à quel point elle est vraiment instable, dit Anderson.

Si le RD-170 était sans doute le meilleur moteur de fusée de sa génération, le moteur principal de la navette spatiale était sans doute le deuxième meilleur (et était nettement plus cher à fabriquer). Ni l'un ni l'autre n'a été à la hauteur de son potentiel. Le moteur de la navette spatiale était coincé avec un citron d'un véhicule, qui était beaucoup plus encombrant que ses concepteurs ne l'avaient espéré. Le RD-170, en revanche, n'a volé que deux fois : une fois en 1987 et une fois en 1988. Bien que son développement ait été une priorité nationale, au moment où Glushko a prouvé qu'il fonctionnait, l'Union soviétique était sur le point de s'effondrer.

Les années 1990 ont été une période mouvementée en Russie, en particulier pour le programme spatial. Pour survivre sans financement public, les entreprises aérospatiales nouvellement privatisées se sont tournées vers le marché commercial.

C'est alors que Jim Sackett, un ingénieur qui travaillait pour Lockheed au Johnson Space Center de la NASA à Houston, a déménagé à Moscou. Lockheed s'est intéressé à l'utilisation de la combustion étagée riche en oxygène pour alimenter la prochaine génération de fusées Atlas, avec laquelle il prévoyait de concourir pour les contrats de l'Air Force et de la NASA.

Sackett, qui a été chargé du bureau de Lockheed à Moscou, a été sollicité pour approcher Energomash, une entreprise post-soviétique de l'industrie spatiale qui est devenue propriétaire du RD-170 et de la technologie de moteur associée. Energomash a accueilli avec enthousiasme l'intérêt de Lockheed. Mais le RD-170 était trop puissant : les fusées Atlas que Lockheed cherchait à envoyer dans l'espace étaient considérablement plus petites que l'Energia, pour laquelle le RD-170 avait été conçu. Ainsi, Energomash a essentiellement réduit le moteur de moitié - la société a élaboré une proposition pour un dérivé à deux chambres du RD-170 à quatre chambres qui pourrait être utilisé dans l'Atlas. Ce fut la naissance du RD-180.

La relation nécessitait une intégration remarquable entre les entrepreneurs militaires et industriels russes et américains. Lockheed a installé un bureau à Energomash, dans la banlieue de Moscou. C'était une énorme opération, se souvient Sackett. Ils ont une usine de métallurgie là-bas, alors ils forgent leurs propres métaux, dit-il. Ils ont tous leurs propres ateliers d'usinage, toutes leurs propres installations d'essai. C'est beaucoup de choses, tout cela sous un même toit. Et finalement, tout cela se transforme en un moteur de fusée.

Il a fallu environ un an de réunions techniques approfondies quotidiennes entre l'équipe de Sackett et les dirigeants et ingénieurs d'Energomash pour comprendre si les achats proposés de moteurs RD-180 fonctionneraient ou non. Lockheed voulait un petit accord sans engagement. Energomash a tenu bon pour un arrangement à long terme. Le contrat a été signé à la fin d'une session marathon de six heures en 1996, dit Sackett. Le résultat : un contrat de 101 moteurs d'un milliard de dollars.

L'US Air Force, le principal client de Lockheed, a exigé l'accès à 10 technologies clés nécessaires à la production du RD-180, au cas où les relations avec la Russie s'effondreraient et que l'Amérique devrait fabriquer elle-même les moteurs. C'était une grosse demande. Les États-Unis recherchaient un joyau de la couronne de la technologie spatiale soviétique, et le gouvernement russe n'était pas ravi. Mais ils n'ont vu aucune alternative, dit Sackett, parce que le pays n'a pas seulement changé d'avis, ils ont fait faillite. Ils ont juste fait faillite. C'est ainsi qu'ils ont sauvé l'entreprise.

Bien que plus d'attention ait été accordée à la coopération américano-russe sur la Station spatiale internationale, à bien des égards, la collaboration RD-180 s'est approfondie. Après tout, la station spatiale n'est pas cruciale pour la sécurité nationale de l'un ou l'autre pays, contrairement aux satellites de reconnaissance et de communication.

Maintenant que les relations entre les deux pays se sont effilochées, soutient Sackett, les États-Unis pourraient simplement fabriquer le RD-180 au niveau national. Les détracteurs du moteur disent que cela coûterait astronomiquement cher. Mais le coût ne devrait pas être astronomique ! dit Sackett. Nous avons des gens intelligents ici, et nous avons la recette ! C'est exactement pourquoi nous avons identifié et négocié ces 10 technologies de fabrication clés, afin que nous puissions prendre les dessins et les notes, puis aller les construire.

Il est peu probable que cela se produise, en partie parce qu'après des décennies de stagnation, les entreprises américaines travaillent enfin sur des moteurs qui pourraient bien être meilleurs que le RD-180.

Les performances d'un moteur ont une profonde influence sur la conception de la fusée qui le surplombe. Ainsi, lorsque le Congrès a ordonné à l'Air Force de cesser d'utiliser le RD-180, cela a provoqué une compétition non seulement pour un nouveau moteur, mais pour une toute nouvelle fusée. Une telle compétition était inévitable - après tout, les conceptions ne durent pas éternellement. Mais comme la conception de nouveaux moteurs et fusées coûte cher et prend du temps, le moment choisi pour effectuer un changement est toujours politiquement controversé. L'interdiction du RD-180 imposée par le Congrès a forcé le problème.

Il y a quatre prétendants sérieux pour construire cette nouvelle fusée : SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (une joint-venture Boeing-Lockheed Martin connue sous ses initiales, ULA) et Northrop Grumman. Deux d'entre eux seront choisis, sur la théorie selon laquelle le fait d'avoir deux gagnants crée une concurrence permanente, tandis que le fait d'en nommer un entraînerait un monopole qui pourrait alors se retourner et arnaquer l'Air Force. Des milliers d'emplois sont en jeu : si ULA perd, elle risque de faire faillite.

Le premier test du moteur BE-4 de Blue Origin, en octobre 2017. Début 2019, Blue Origin a inauguré une usine de l'Alabama où il prévoit de construire des centaines de moteurs. Image de courtoisie

Le New Glenn, l'entrée de Blue Origin dans la compétition, utilise le BE-4, le moteur le plus récent et le plus puissant de Blue Origin. (Tout comme la fusée d'ULA - les deux entreprises sont à la fois des concurrents et des partenaires commerciaux.) Les conceptions du BE-4 et du Raptor de SpaceX sont informées de manière cruciale par le RD-180. Le BE-4 est un moteur à combustion étagée riche en oxygène, comme les RD-170 et RD-180. Le Raptor, quant à lui, ressemble au RD-180 en ce sens qu'il alimente l'échappement du pré-brûleur dans la chambre de combustion, garantissant que presque tout le carburant et l'oxydant stockés dans les réservoirs de la fusée sont utilisés pour générer de la poussée. Cependant, le Raptor s'appuie sur une modification de l'approche de Glushko : des flux riches en carburant et riches en oxydant alimentent ses turbopompes, ce qui, en théorie, donne une efficacité maximale.

Le premier tir d'essai du moteur Raptor de SpaceX, en 2016. Plus tôt cette année, Elon Musk s'est vanté sur Twitter lorsque le Raptor a dépassé la pression de la chambre du RD-180 pour la première fois. Image de courtoisie

D'une certaine manière, le BE-4 et le Raptor sont comme une tentative de construire un meilleur violon que Stradivarius, en utilisant des méthodes modernes. Blue Origin et SpaceX ont accès à de meilleurs diagnostics et à des techniques de simulation plus sophistiquées que Glushko. Ils ont également une autre caractéristique de conception importante pour l'armée de l'air américaine : ils sont fabriqués aux États-Unis.

Le plus grand avantage technique de ces nouveaux moteurs par rapport au RD-180 est peut-être qu'ils utilisent du méthane comme carburant plutôt que du kérosène, comme le fait le RD-180. Le kérosène peut gâcher les travaux d'un moteur après une utilisation répétée. Le méthane a une impulsion spécifique plus élevée et brûle plus proprement. Il est également beaucoup plus facile (en principe) de synthétiser sur Mars, ce que Musk vise à faire.

Aucun des deux nouveaux moteurs n'a encore atteint l'orbite. SpaceX prévoit des vols d'essai de sa fusée Starhopper, qui sera éventuellement propulsée par trois Raptors, pour cet été. Ces vols seront de courts sauts, à quelques milliers de pieds dans les airs au-dessus du site de test de SpaceX au Texas. Blue Origin teste également le BE-4 au Texas et a commencé à construire une usine en Alabama où elle fabriquera les moteurs. Il a loué le complexe de lancement 36, où le RD-180 a pris son envol, à l'armée de l'air et prévoit d'y lancer le New Glenn en 2021.

Energomash, quant à lui, espère désespérément que le programme spatial russe recommencera à utiliser ses moteurs. Quelque 90% de sa production est allée aux États-Unis ces dernières années, explique Pavel Luzin, analyste de l'industrie spatiale russe. Comme ses homologues américains, Energomash risque désormais d'être rendu obsolète par Musk et Bezos - qui, avec leur liberté vis-à-vis des contraintes de conception héritées et leur volonté de dépenser de l'argent et de prendre des risques, ont finalement secoué la conception des moteurs de fusée après des décennies de stase.

Matthew Bodner est un journaliste à Moscou qui écrit sur l'aérospatiale et l'armée.

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