Ariane 5

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Maquette d’Ariane 5
Maquette d’Ariane 5

Ariane 5 est un lanceur européen, conçu pour placer des satellites sur orbite géostationnaire et des charges en orbite basse. Successeur d’Ariane 4, il était notamment destiné à l’origine comme lanceur de la navette européenne Hermès. Il est maintenant capable de placer jusqu’à 10 tonnes de charges utiles en orbite de transfert géostationnaire.

Sommaire

[modifier] Histoire

Le programme Ariane 5 a été initié en 1987 par les ministres européens des affaires spatiales réunis à La Haye. Il est dirigé par l’ESA, mais sa réalisation est assurée par le CNES.

Aujourd’hui c’est le lanceur n°1 dans le monde sur le plan de la fiabilité et disponibilité, il permet à Arianespace d’avoir plus de 60 % du marché mondial des satellites commerciaux.

Environ 1 100 industriels participent au projet.

Par rapport à Ariane 4 et à ses concurrents, Ariane 5 est capable d’emporter des charges particulièrement lourdes en orbite basse (jusqu’à 20 tonnes) et en orbite de transfert géostationnaire (jusqu’à 10 tonnes pour la version ECA).

En fait, Ariane 5 a été développée pour franchir un saut qualitatif. C’est un lanceur complètement nouveau dans sa conception à l’architecture simplifiée et conçu pour constituer la base d’une famille évolutive, dont les performances pourront être augmentées progressivement de façon à rester pleinement opérationnelle au moins jusqu’en 2020[1] :

  • Ariane 5 G (générique, jusqu’à 6 tonnes de charge), un des lanceurs les plus puissants au monde : entre le moteur d’Ariane 4 et le moteur Vulcain, développé par la Snecma (actuellement Safran) pour Ariane 5, on est passé de 6 à 100 tonnes de poussée dans le vide.
  • Ariane 5 ECA (10 tonnes en orbite de transfert), avec le moteur Vulcain2, et un nouvel "Etage supérieur Cryotechnique A"
  • Ariane 5 G+
  • Ariane 5 ES : Ariane 5 Générique équipée d’un étage supérieur réallumable à propergol stockable (EPS).

Suivant les modèles, la capacité d’emport d’Ariane 5 se décide entre Arianespace et ses clients (en général des grands opérateurs satellites).

[modifier] Caractéristiques chiffrées et comparatif

  • Hauteur : environ 50 mètres, soit un immeuble de 15 étages
  • Diamètre : environ 5,40 m, soit une voiture
  • Poids : environ 750 tonnes au moment du décollage, soit un dixième de la Tour Eiffel
  • Carburant :
    • Propulseurs d’appoint : 480 tonnes de poudre (propergol solide) répartis dans les deux étages d'accélération à poudre, mis en place dans le bâtiment d’intégration lanceur.
    • Étage principal (cryo) 220 tonnes d’ergols liquides (hydrogène et oxygène) rempli juste avant le décollage
  • Vitesse : supérieure à 8 000 km/h deux minutes après le décollage
  • Vitesse à la séparation de la charge utile OTG (finale) : 10 km/s
  • Poussée au décollage : l’équivalent de celle de 9 Airbus A380 au décollage
  • La turbopompe Hydrogène du moteur cryogénique Vulcain possède la puissance de deux TGV. Elle tourne à 30 000 tours/minute, en comparaison, le moteur de F1 Ferrari Tipo 053 a un régime moteur de 18 800 tours/minute[2].

La charge utile varie suivant les modèles :

  • Ariane 5 Generic : 6 tonnes en orbite OTG ou 9,5 tonnes en orbite SSO.
  • Ariane 5 ES ATV : jusqu’à 21 tonnes maximum en orbite SSO.
  • Ariane 5 ECA : jusqu’à 10 tonnes en orbite OTG.

Le prix moyen demandé est de 130 millions d’euros pour 10 tonnes de matériel mis en orbite (en 2007).

[modifier] Structure

[modifier] Composite inférieur

Moteur Vulcain ; exemplaire du musée des Sciences et des Techniques de la Villette (Paris)
Moteur Vulcain ; exemplaire du musée des Sciences et des Techniques de la Villette (Paris)

[modifier] EAP

Les Étages d’Accélérations à Poudre (EAP ou P230) sont composés d’un tube métallique contenant le propergol solide (la poudre) et d’une tuyère. Les deux EAP sont identiques, ils entourent l’EPC (étage principal cryotechnique).

Ces propulseurs mesurent chacun 31 mètres de haut pour trois mètres de diamètre. Embarquant 237 tonnes de poudre, ils délivrent 92 % de la poussée totale du lanceur au décollage. Après épuisement de la poudre, environ 132 secondes après leur allumage, ils sont séparés du lanceur à environ 70 kilomètres d’altitude pour retomber dans l’océan Atlantique.

[modifier] EPC

L’Étage Principal Cryotechnique (EPC) est composé principalement de deux réservoirs (hydrogène liquide(LH2) et oxygène liquide(LOX)) et du moteur Vulcain (Vulcain II pour Ariane 5 évolution (ECA)). Ce moteur cryogénique (le Vulcain), utilise 160 tonnes d’hydrogène et d’oxygène liquides refroidis à -253 °C. Cet étage assure la propulsion du lanceur durant la deuxième phase de vol du lanceur (une dizaine de minutes).

[modifier] Composite supérieur

Le composite supérieur est composé de la case à équipement et, suivant le cas, d’un étage supérieur à moteur à ergols stockables (dans le cas d’une Ariane 5 avec étage supérieur EPS) ou à ergols cryotechniques (dans le cas d’une Ariane 5 avec étage supérieur ESC). Cet étage assure la propulsion du lanceur durant la troisième phase de vol (celle-ci dure environ 25 minutes). Ce troisième étage est donc modulable selon la performance demandée.

[modifier] Case à équipement

La case à équipement accueille le système de contrôle et de guidage du lanceur. Elle est située directement au dessus de l’EPC dans le cas d’une Ariane 5 Generic ou en version A5E/S et entoure alors le moteur Aestus de l’EPS. Dans le cas d’une Ariane 5E/CA, la case à équipement est située au-dessus de l’ESC. La case à équipement est le véritable poste de pilotage du lanceur. Il orchestre l’ensemble des contrôles et des commandes de vol, les ordres de pilotage étant donnés par les calculateurs de bord via des équipements électroniques, à partir des informations fournies par les centrales de guidage. Ces calculateurs envoient également au lanceur tous les ordres nécessaires à son fonctionnement, tels que l’allumage des moteurs, la séparation des étages et le largage des satellites embarqués. Tous les équipements sont doublés (redondance), pour qu’en cas de défaillance de l’un des deux systèmes, la mission puisse se poursuivre.

Un des principaux systèmes de la case à équipement est le correcteur d’attitude. L’architecture du Système de Contrôle d’Attitude (SCA) comprend deux réservoirs sphériques en titane contenant chacun 38 litres d’hydrazine (un composé organique azoté) et de petits propulseurs assurant la réalisation des corrections.

Voici quelques uns des autres instruments que contient la case à équipement :

  • Les Systèmes de Référence Inertielle (SRI) qui sont des pièces maîtresses du contrôle du vol d’Ariane 5. Elles intègrent 2 centrales inertielles qui donnent la position du lanceur dans l’espace ainsi que 4 accéléromètres qui donnent l’accélération que subit le lanceur ;
  • Les calculateurs OBC (On Board Computer) qui, en utilisant les informations des SRI, commandent les moteurs du lanceur pour qu’il atteigne son objectif. Ils calculent la trajectoire de vol ;
  • L’antenne émettrice et réceptrice de télémesure avec les radars au sol ;
  • Le boîtier de commande de sauvegarde qui commande la destruction du lanceur.

[modifier] EPS

L’Étage à Propergols Stockables (EPS) est composé du moteur Aestus et de ses réservoirs d’ergols (monométhyl Hydrazine (MMH) et tétra-oxyde d’azote (N2O4).

[modifier] ESC

L’Étage Supérieur Cryogénique (ESC) utilise, comme son nom l’indique, un moteur cryotechnique le HM7-B ou, dans le futur, Vinci.

[modifier] Charge(s) utile(s)

Le composite supérieur du lanceur peut être équipé des modules SPELTRA (Structure Porteuse Externe pour Lancements Multiples) ou SYLDA (SYstème de Lancement Double Ariane), utilisés en cas de lancement double. Ils permettent de placer en orbite 2 satellites distincts, l’un après l’autre : un des satellites est positionné sur le module SPELTRA/SYLDA, l’autre à l’intérieur. Les charges utiles et le séparateur sont largués durant la quatrième phase de vol : la phase balistique. Selon les caractéristiques de la mission les largages peuvent être fait immédiatement ou plusieurs dizaines de minutes après le début de cette phase. Les actions effectuées sont des mises en rotation, des éloignements, etc.

[modifier] Coiffe

La coiffe protège les charges utiles durant le vol dans l’atmosphère. Elle est larguée dès qu’il n’y a plus de frottements. Ce largage est effectué peu après le largage des EAP, à une altitude d'environ 100kms.

[modifier] Essais

Les débuts d’Ariane 5 furent difficiles :

[modifier] Premier vol (vol 88 / 501)

Le premier tir eut lieu le 4 juin 1996 à Kourou, mais le lanceur fut détruit après approximativement 40 secondes de vol. L’échec était dû à une erreur informatique (bogue), un programme d’un composant (un gyroscope) provenant d’Ariane 4 n’ayant pas été re-testé[3].

L’erreur

La conversion d’un nombre à virgule flottante de 64 bits vers un nombre entier de 16 bits dans un logiciel en Ada provoqua un dépassement de mantisse. La routine de gestion de cette erreur avait également été supprimée pour des raisons de temps d’exécution ; sur Ariane 4 on pouvait prouver que l’occurrence d’un tel dépassement était impossible compte tenu des trajectoires de vol possibles. Toutefois les trajectoires de vol envisageables avec Ariane 5, notamment en phase de décollage, diffèrent notablement de celles d’Ariane 4. Le programme du composant concerné, pourtant lui-même redondant (deux gyroscopes sont présents dans la cellule de la fusée), déclencha donc successivement deux dépassements pour finir par signaler sur les sorties du système la défaillance des systèmes gyroscopiques. De toute façon, le gyroscope étant un système critique, le calculateur de pilotage de la fusée (lui conçu spécifiquement pour Ariane 5) ne tenait pas compte de ce signal d’erreur ! Il interpréta donc les valeurs d’erreurs (probablement négatives) du deuxième gyroscope comme une information d’altitude (indiquant probablement que, brutalement, la fusée s’était mise à pointer vers le bas). La réaction du calculateur de pilotage (braquer les tuyères au maximum pour « redresser ») augmenta considérablement l’incidence du lanceur (angle entre le vecteur vitesse et l’axe du lanceur), ce qui provoqua des efforts aérodynamiques suffisants pour détruire le lanceur[4]. Il s’agit certainement là d’une des erreurs informatiques les plus coûteuses de l’histoire[5].

Le programme en question était destiné à recalibrer les gyroscopes dans le cas d’un court retard de tir (quelques minutes) pour permettre une reprise rapide du compte à rebours - par exemple en raison de variations rapides des conditions météo du site de lancement à Kourou. Ce cas de figure, envisagé initialement pour Ariane 3, était depuis longtemps exclu des procédures de tir. L’erreur en question a donc aussi été provoquée par un programme qui ne servait à rien.

[modifier] Deuxième vol (vol 101 / 502)

Le second vol eut lieu le 30 octobre 1997.

La mission parvint à son terme, mais malheureusement, l’orbite désirée ne fut pas atteinte, par suite d’un mouvement de rotation du lanceur sur lui-même (mouvement de roulis, comme une toupie) qui a conduit à un arrêt prématuré de la propulsion du premier étage EPC. Après cette fin de propulsion du premier étage, et malgré la mise en route correcte de l’étage supérieur EPS, celui-ci n’a pas pu rattraper l’intégralité du déficit de poussée de la première phase du vol, conduisant donc la mission sur une orbite légèrement dégradée.

Ce mouvement en roulis était dû à un couple généré par l’écoulement des gaz dans la tuyère du moteur Vulcain 1, couple dont l’intensité avait été sous-estimée. Dès lors, et malgré la mise en œuvre du système de pilotage en roulis SCA, le lanceur a subi durant tout le vol du premier étage une mise en rotation excessive. Cette mise en rotation aurait pu n’avoir que peu de conséquences, les algorithmes de vol — relativement robustes — contrôlant malgré tout la trajectoire. Cependant, en fin de propulsion, et sous l’effet de la vitesse en roulis atteinte, la surface des ergols (oxygène et hydrogène liquides) dans les réservoirs s’est incurvée en son centre (à la manière d’un siphon). Ce phénomène a été interprété par les capteurs de niveau (« jauges » des réservoirs) comme l’indication de l’imminence d’une « panne sèche », ce qui a conduit l’ordinateur de bord à commander l’arrêt de propulsion de l’EPC prématurément.

Par la suite, le couple en roulis généré par le moteur Vulcain 1 fut maîtrisé dès le vol suivant par la mise en place en extrémité de divergent d’échappements légèrement inclinés, corrigeant le roulis naturel engendré par le moteur.

Il est à noter que ce problème a touché d’autres lanceurs, dont le H-IIA japonais.

[modifier] Troisième vol (vol 112 / 503)

Maquette d’Ariane 5 à la Cité de l’espace à Toulouse
Maquette d’Ariane 5 à la Cité de l’espace à Toulouse

Le troisième essai eut lieu le 21 octobre 1998. Ce fut une réussite totale.

La mission emportait la capsule de démonstration de rentrée atmosphérique ARD (capsule européenne de type Apollo), qui effectua une rentrée atmosphérique parfaite, et la maquette technologique MAQSAT.

[modifier] Utilisation commerciale

Le premier vol commercial eut lieu le 10 décembre 1999, avec la mise en orbite du satellite d’observation en rayons X XMM-Newton.

Un échec partiel eut lieu le 12 juillet 2001 : à nouveau, deux satellites ne purent être placés sur l’orbite désirée. Artémis, le satellite de communication de l’ESA, atteignit son orbite définitive par ses propres moyens, en utilisant son combustible destiné aux corrections d’orbite, ainsi qu’une unité de propulsion ionique qui n’avait pas été conçue à cet effet. Ceci nécessita une reprogrammation complète du programme de bord depuis le sol.

Le vol suivant n’eut lieu que le 1er mars 2002, avec la mise en orbite réussie du satellite environnemental de 8,5 tonnes Envisat, à une altitude de 800 kilomètres.

À l’issue de son 38e lancement, le 18 avril 2008 (Vol 182), Ariane 5 affiche un bilan de 34 vols commerciaux réussis et 4 échecs (V501, V502, V510, V514).

[modifier] Modèles

Une des contraintes des lanceurs modernes est qu’ils peuvent avoir à lancer aussi bien des petits satellites que des gros. C’est pour cette raison qu’Arianespace a dès le début conçu Ariane 5 pour être un lanceur modulable. Il existe ainsi en plusieurs modèles :

[modifier] Ariane 5 G

[modifier] Ariane 5 G+

Cette version d'Ariane 5 G a un second étage amélioré, avec une charge possible de 6 950 kg.

[modifier] Ariane 5 GS

Le lancement du 5 octobre 2007
Le lancement du 5 octobre 2007

Cette version a les mêmes EAP que l'Ariane 5 ECA et un premier étage modifié avec un moteur Vulcain 1B. Charge possible de 6 100 kg en orbite OTG.

  • 11 août 2005 : Vol 166, THAICOM-4 IPSTAR, le plus gros satellite de télécommunications du monde ;
  • 13 octobre 2005 : Vol 168, Syracuse 3A (satellite militaire français) et Galaxy 15 (satellite de télécommunications américain) ;
  • 21 décembre 2005 : Vol 169, INSAT-4A (satellite indien de télécommunications) et MSG-2 (seconde génération de Meteosat).
  • 5 octobre 2007 : Vol 178[pdf], INTELSAT 11 et OPTUS D2.
  • 21 décembre 2007 : Vol 180, Horizons-2 et Rascom 1.
  • 14 avril 2008 : Vol 182 , EADS Astrium

[modifier] Ariane 5 ES ATV

Cette version est conçue pour placer en orbite basse le vaisseau cargo automatique ATV ravitaillant la Station spatiale internationale. Elle peut lancer jusqu'à 21 t sur cette orbite.

Ariane 5 ES assure trois allumages de l’étage supérieur, pour répondre aux besoins très spécifiques de la mission[6]. Par ailleurs, ses structures ont été renforcées pour soutenir la masse imposante de l'ATV (20 tonnes).[7]

Son premier lancement a eu lieu le 9 mars 2008.

Avec la réussite de ce lancement de "Jules Verne" (nom du premier ATV), Arianespace peut envisager d’utiliser la fusée Ariane 5 ES à d’autres fins, comme celle de lancer par grappes plusieurs satellites de la constellation Galileo.

"L'ATV constitue également une étape dans le développement des futurs systèmes de transport spatial. Capable d'exécuter des manœuvres de transfert orbital et de rendez-vous, l'ATV prolonge et complète les possibilités d'Ariane 5. Il représente les premiers pas de l'Europe dans le domaine de la technologie de la rentrée contrôlée, même si en l'occurrence il s'agit d'une rentrée atmosphérique destructive.

Avec l'expérience ARD, l'Europe dispose des compétences techniques pour concevoir un système de transport spatial habité. L'ultime évolution d'Ariane 5 serait donc de la qualifier pour le vol habité. Manque juste la volonté politique de jeter les bases d'un tel programme qui s'affichera peut-être lors de la prochaine réunion du Conseil de l'Agence spatiale au niveau ministériel qui se tiendra en fin d'année (2008), à La Haye, au regard des 2 succès européens de ce début d'année (Columbus et ATV)."[8]

[modifier] Ariane 5 ECA

En juin 2007, Arianespace a annoncé la commande de 35 fusées Ariane 5 ECA à EADS[9].

[modifier] Ariane 5 ECB

Version suspendue pour le moment. Mais les décisions prises à Berlin relancent la version 12 tonnes d'Ariane 5 (ECB).[10]

Cette dernière évolution prévoit l'utilisation d'un nouvel étage supérieur cryotechnique et réallumable qui se différenciera de l'étage ECA par le remplacement du moteur HM7B par Vinci, un moteur réallumable en cours de développement chez Snecma (Safran).

Ariane 5ECB serait capable de lancer jusqu'à 12 tonnes en orbite de transfert géostationnaire. Cette version sera lancée lorsque le besoin de lancer 2 satellite de 6 tonnes en OTG se concrétisera.[11]

Un redémarrage de ce programme n'est pas impossible à la conférence de l'Agence Spatiale Européenne de 2008.

[modifier] Records

Plus gros satellites de télécommunications du monde :

[modifier] Lancements (tableau récapitulatif)

Taux de fiabilité: 92,3% (2 échecs complets et 2 échecs partiels pour 39 tirs) au 13 juin 2008.

Date & Heure (UTC) Vol 5G, 5G+,
5GS
ECA ES N° de
série
Charge Résultat
04.06.1996 12:34:06 V-88 5G 501 Cluster Échec
30.10.1997 13:43:00 V-101 5G 502 MaqSat H & TEAMSAT, MaqSat B, YES Échec partiel
21.10.1998 16:37:21 V-112 5G 503 MaqSat 3, ARD Succès
10.12.1999 14:32:07 V-119 5G 504 XMM-Newton Succès
21.03.2000 23:28:19 V-128 5G 505 INSAT 3B, AsiaStar Succès
14.09.2000 22:54:07 V-130 5G 506 Astra 2B, GE 7 Succès
16.11.2000 01:07:07 V-135 5G 507 PAS 1R, Amsat P3D, STRV 1C, STRV 1D Succès
20.12.2000 00:26:00 V-138 5G 508 Astra 2D, GE 8 (Aurora 3), LDREX Succès
08.03.2001 22:51:00 V-140 5G 509 Eurobird 1, BSat 2a Succès
12.07.2001 22:58:00 V-142 5G 510 Artemis, BSat 2b Échec partiel
01.03.2002 01:07:59 V-145 5G 511 Envisat Succès
05.07.2002 23:22:00 V-153 5G 512 Stellat 5, N-Star c Succès
28.08.2002 22:45:00 V-155 5G 513 Atlantic Bird 1, MSG-1, MFD Succès
11.12.2002 22:22:00 V-157 5ECA 517 Hot Bird 7, Stentor, MFD A, MFD B Échec
09.04.2003 22:52:19 V-160 5G 514 Insat 3A, Galaxy 12 Succès
11.06.2003 22:38:15 V-161 5G 515 Optus C1, BSat 2c Succès
27.09.2003 23:14:46 V-162 5G 516 Insat 3E, eBird 1, SMART-1 Succès
02.03.2004 07:17:44 V-158 5G+ 518 Rosetta Succès
18.07.2004 00:44:00 V-163 5G+ 519 Anik-F2 Succès
18.12.2004 16:26:00 V-165 5G+ 520 Helios 2A, Essaim 1, 2, 3 et 4, PARASOL, Nanosat 01 Succès
12.02.2005 21:03:00 V-164 5ECA 521 XTAR-EUR, Maqsat B2, Sloshsat Succès
11.08.2005 08:20:00 V-166 5GS 523 Thaïcom 4-iPStar 1 Succès
13.10.2005 22:32:00 V-168 5GS 524 Syracuse 3-A, Galaxy 15 Succès
16.11.2005 23:46:00 V-167 5ECA 522 Spaceway F2, Telkom 2 Succès
21.12.2005 22:33:00 V-169 5GS 525 Insat 4A, MSG-2, MFD C Succès
11.03.2006 22:32:50 V-170 5ECA 527 Spainsat, MFD C, MFD C, Hot Bird 7A Succès
26.05.2006 21:08:50 V-171 5ECA 529 Satmex 6, Thaicom 5 Succès
11.08.2006 22:15:00 V-172 5ECA 531 JCSat 10, Syracuse 3-B Succès
13.10.2006 20:56:00 V-173 5ECA 533 DirecTV-9S, Optus D1, LDREX-2 Succès
08.12.2006 22:08:00 V-174 5ECA 534 WildBlue 1, AMC 18 Succès
11.03.2007 22:03 V-175 5ECA 535 Skynet-5A, Insat-4B Succès
04.05.2007 22:29 V-176 5ECA 536 Astra 1L, (en)Galaxy 17 Succès
14.08.2007 23:44 V-177 5ECA 537 SPACEWAY 3, BSAT-3A Succès
05.10.2007 21:28 V-178 5GS 526 INTELSAT 11, OPTUS D2 Succès
14.11.2007 22:06 V-179 5ECA 538 STAR ONE C1 et Skynet 5B Succès
21.12.2007 21:42 V-180 5GS 530 Horizons-2 et (en)Rascom-QAF1 Succès
09.03.2008 04:23 V-181 ES (fr)ATV Succès
18.04.2008 22:17 V-182 5ECA 539 Star One C2 & VINASAT-1 Succès
12.06.2008 21:54 V-183 5ECA 540 Skynet 5C (EADS Astrium) & Turksat 3A (Thales Alenia Space) Succès

[modifier] Notes et références

  1. La famille de lanceurs Ariane 5
  2. Stats F1, http://www.statsf1.com/default.asp?From=/engines/fiche.asp?idMoteur=37
  3. (en) {{lang|en|Design by Contract: The Lessons of Ariane, Jean-Marc Jézéquel et Bertrand Meyer, Eiffel Software
  4. (fr) Les Vols Ariane 5 : V88 - V101 - V112 - V119 - V128, sur le site du CNES
  5. (fr) Échec du vol Ariane 501
  6. Quelques détails du lancement de l’ATV Ariane et l’ATV : le lancement de l’ATV, la famille Ariane 5, les vols habités, Galileo...
  7. Trois succès majeurs de l’Europe spatiale : Ariane 5 ES, amarrage de l’ATV et de Colombus à la station spatiale internationale (ISS)
  8. Extrait de "Les raisons d’être de l’ATV - ATV / Ariane 5"
  9. Dépêche AFP du 23 juin 16h46 sur Le Monde.fr
  10. Les décisions prises lors de la Session du Conseil de l'ESA au niveau ministériel.
  11. Flashespace L'après Ariane 5 en question

[modifier] Bibliographie

  • Shirley Compard, « De Diamant à Ariane 5 : des sables d’Hammaguir à la forêt guyanaise », dans Revue aerospatiale, N° hors série 20 ans d’Aerospatiale, janvier 1990
  • "Ariane, une épopée européenne", W.Huon, Éditions ETAI
  • "Les débuts de la recherche spatiale française", Éditions EDITE

[modifier] Voir aussi

[modifier] Lien externe