IXV : la « mini navette spatiale » européenne prête au lancement

Le principal objectif du programme IXV est de permettre à l'Europe d'acquérir la capacité de ramener sur Terre des étages de futurs lanceurs, du fret ou des échantillons après une mission en orbite ou d'exploration lointaine. Il doit aussi ouvrir la porteporte au retour d'astronautes. Pour tester cette technologie, l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne a développé le démonstrateur de rentrée atmosphérique IXV, mis au point par Thales Alenia Space. En effet, nous explique Stéphane Dussy, ingénieur du Système avionique de l'IXV, « la phase de rentrée atmosphérique est impossible à simuler en laboratoire tellement les incertitudes sont grandes et difficiles à modéliser ».

En 1998, la capsule ARD (Atmospheric Reentry Demonstrator), de type ApolloApollo, avait testé la rentrée guidée. « À l'époque, on maîtrisait seulement la rentrée balistique dans le cadre de programmes militaires ». L'IXV reprend le principe de la simplicité de la capsule mais avec une forme aérodynamique qui donne une bien meilleure manœuvrabilité. L'ARD utilisait en effet un système hybridé entre navigation par GPSGPS et navigation inertielle, « ce qui a permis d'atteindre une grande précision du point d'amerrissage mais demeurait limité par sa faible manœuvrabilité ». Avec un corps portant comme l'IXV, l'idée est de permettre des « manœuvres de guidage et de contrôle plus élaborées afin d'avoir un point d'impact encore plus précis », précise Stéphane Dussy.

Les différentes phases de la mission d'une heure et quarante minutes du véhicule de rentrée IXV de l'Esa et les stations au sol utilisées pour le suivre. © Esa, J. Huart

Le véhicule de rentrée sera injecté sur une orbite quasi équatoriale, inclinée de seulement 5 ° par rapport à l'équateuréquateur, et suivra une trajectoire suborbitale. C'est-à-dire que l'engin retombera naturellement sur Terre. Il n'y a donc pas de propulsion de type deltadelta V. « Le véhicule suivra la trajectoire définie par le lanceur VegaVega. »

Une fois séparé du lanceur, il atteindra une altitude maximale d'environ 450 kilomètres. Le point le plus critique, « et le plus intéressant », sera la rentrée atmosphérique qui va démarrer aux environs de 120 km au-dessus de l'océan Pacifique. Cette phase durera une vingtaine de minutes « et c'est vraiment là que l'on cherche à recueillir le plus d'informations possible ».

L'IXV rentrera dans l'atmosphèreatmosphère à la vitesse de 7,5 kilomètres par seconde avec un angle de 1,2 ° entre la trajectoire et l'atmosphère. « Ces deux paramètres sont représentatifs d'un retour d'orbite basse, donnant les mêmes conditions de pression dynamique, de flux thermique et de température. (1.600 °C). » Ensuite, l'engin sera freiné par un jeu de parachutesparachutes qui s'ouvriront successivement. Le premier se déclenche à une altitude de 26 kilomètres à Mach 1,5 et juste avant l'amerrissage, quatre ballonsballons vont se gonfler pour assurer la flottaison de l'IXV à la surface de l'océan. « Du lancement à l'amerrissage, la mission doit durer 1 h 40 mn. »

Le pari de la protection thermique

Les objectifs principaux de cette démonstration sont au nombre de trois. Le premier objectif est de « maîtriser toutes les technologies nécessaires pour survivre lors de la phase de rentrée atmosphérique, notamment la protection thermique ». L'IXV dispose de deux types de protection thermique. La partie noire, qui recouvre le neznez monolithique et l'intrados du véhicule (sous la surface portante), correspond à une protection thermique de type radiative. Elle est « constituée de tuilestuiles en composite à matrice céramiquecomposite à matrice céramique (CMC) à base de fibres de carbonefibres de carbone avec une matrice en carbure de siliciumcarbure de silicium ». Lors de la récupération du véhicule, une inspection minutieuse de cette protection thermique montrera comment elle s'est comportée. « On s'attend à ce que les tuiles ne soient pas trop dégradées et soient même potentiellement réutilisables ! »

L'autre protection thermique qui recouvre le reste de l'engin est de type ablative. C'est-à-dire qu'elle va se « dégrader pendant la rentrée en perdant de la matièrematière à mesure qu'elle chauffe », à la différence de la protection radiative qui, elle, renvoie une grande partie de la chaleurchaleur reçue. Elle est de deux sortes. Une partie blanche mate réalisée en « P50 », un matériaumatériau qui ne laisse pas passer les ondes radio. Or, l'IXV embarque un certain nombre de capteurscapteurs et systèmes de communication, dont des antennes nécessaires au GPS et à la télémétrietélémétrie. Au-dessus de ces antennes, « on utilise une résine de siliconesilicone SV2A qui permet aux ondes de passer », explique Stéphane Dussy. Car même si l'IXV stocke toutes les données dans des mémoires, en parallèle, elles sont également transmises au sol au cas où le véhicule ne puisse être récupéré.

Jouer sur la portance du véhicule

Le deuxième objectif vise la maîtrise de « toutes les techniques de guidage et contrôle à l'intérieur de l'atmosphère ». Sont donc prévues des manœuvres qui permettent de guider l'engin vers le point d'impact à l'intérieur d'un corridorcorridor défini. « L'idée est de faire varier l'angle de Bank ». C'est une manière de modifier la trajectoire sans changer les éléments aérodynamiques du moment (incidenceincidence et angle de rentrée). En fait, on incline le nez du planeurplaneur vers un azimutazimut différent à gauche ou à droite de la trajectoire idéale, « ceci permet d'augmenter la distance à parcourir (on fait des S) et donc de subir plus de temps de freinage », subterfuge qui se solde par un rapprochement du point d'aboutissement au sol.

Mise sous coiffe du IXV. Les dimensions et la masse de ce véhicule tiennent compte des capacités du lanceur Vega. Cela explique pourquoi ce démonstrateur n’est pas un véhicule ailé. © Esa, Cnes, Arianespace, Service optique du CSG.

Enfin, pour étudier le comportement de l'engin pendant la rentrée, « surtout les phénomènes aérothermodynamiques complexes d'un véhicule en régime hypersonique », l'IXV embarque plus de 300 capteurs de toutes sortes, « pour des mesures de pression, de températures, d'efforts sur la structure ou de déplacement à l'intérieur par exemple ». Il embarque une caméra infrarougeinfrarouge pour observer comment les « flux de températures se répartissent sur et autour des deux volets de gouverne, une des spécificités de ce véhicule ».

Une version évoluée du IXV à l'étude

Pour succéder à l'IXV, « l'étape suivante sera sans doute la définition d'un véhicule capable de se poser sur une piste en dur », comme l'X37-B par exemple. Ce sera le véhicule pré-opérationnel ISV (Innovative Space Vehicle), à développer dans le cadre de Pride (Program for Reusable In-Orbit Demonstrator in Europe) approuvé en 2012 et récemment conforté lors du dernier Conseil ministériel de l'Esa. Il devrait voir le jour à l'horizon 2020. « Ce projet a reçu les financements nécessaires à la poursuite de son développement pour la période 2013-2016. »

Sa forme et sa massemasse sont définies pour être compatibles avec un lancement Vega et donc tenir dans la coiffe du lanceur, ce qui le privera d'ailes. « C'est une contrainte forte qui s'imposera aussi aux projets futurs opérationnels », souligne Stéphane Dussy. Par rapport à l'IXV, l'ISV ne sera guère plus grand. Toutefois, vu que « l'on aura moins d'instruments et de capteurs », il sera en capacité à transporter un ensemble d'instruments scientifiques ou de démonstration technologique. Enfin, il sera vraisemblablement réutilisable (alors que l'IXV ne volera qu'une fois). Cela explique pourquoi il est plus judicieux de le « faire atterrir sur une piste en dur plutôt qu'amerrir, ce qui nécessite une infrastructure lourde pour le récupérer et nuit à la réutilisation ».

À terme, l'idée est d'amener l'Europe à concevoir un véhicule de retour d'orbitevéhicule de retour d'orbite non habité et réutilisable pour le transport de fret mais également pour le retour d'échantillons ou de débris. Il devrait également avoir une capacité à réaliser des missions ponctuelles d'observation de la Terreobservation de la Terre et être utilisé comme une plateforme d'expérimentation en orbite, « un besoin identifié en Europe mais non satisfait aujourd'hui. »