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Une navette spatiale pour l’Europe

Une navette spatiale pour l’Europe

10.02.2015, par
Le véhicule IXV en vol suborbital
Vue d'artiste de l'IXV en vol suborbital lors de l'allumage de ses propulseurs
Le 11 février, l’Agence spatiale européenne a lancé avec succès l’IXV, la première navette sans pilote européenne. Sa rentrée dans l'atmosphère a permis de vérifier la résistance de son bouclier thermique, testé jusqu'ici dans le four solaire du CNRS à Odeillo.

C’est un drôle d’engin qui s'est élancé le 11 février de la base spatiale de Kourou en Guyane. Baptisé IXV (pour Véhicule expérimental intermédiaire), cet appareil sans pilote, sans ailes et de la taille d’une voiture, développé par l’Agence spatiale européenne (ESA), a été mis sur orbite par une fusée avant de redescendre seul en vol plané. Ce prototype pourrait ouvrir la voie à la première navette spatiale européenne capable de ramener des charges utiles de l’espace, voire des astronautes dans un futur plus lointain.

Depuis l’arrêt des navettes spatiales américaines en 2011, aucun véhicule spatial n’est aujourd’hui en mesure de ramener sur Terre autre chose que les astronautes qui travaillent dans la Station spatiale internationale (ISS). Ce sont actuellement les capsules russes Soyouz qui font le va-et-vient entre le sol et la Station. Quant aux vaisseaux automatiques tel l’ATV européen, ils apportent bien de la nourriture, de l’eau et du matériel à l’ISS, mais ils se consument dans l’atmosphère à l’issue de leur mission.

Vue d'artiste de l'IXV (Intermediate eXperimental Vehicle)
Vue d'artiste de l'IXV (Intermediate eXperimental Vehicle).
Vue d'artiste de l'IXV (Intermediate eXperimental Vehicle)
Vue d'artiste de l'IXV (Intermediate eXperimental Vehicle).
 

Le premier vaisseau européen de transport spatial réutilisable

C’est ce manque que pourrait venir combler l’IXV. Parce qu’il sera capable de revenir intact sur Terre, il pourrait en effet préfigurer le premier vaisseau européen de transport spatial réutilisable. Ses successeurs pourraient non seulement ravitailler l’ISS mais aussi prendre du fret – des expériences scientifiques notamment – pour le ramener sur Terre. Mais pas seulement : on envisage aussi qu’ils aillent réparer ou désorbiter des satellites en fin de vie, ou encore qu’ils récupèrent des échantillons provenant de Mars ou d’un astéroïde.

L’objectif numéro 1
de cette mission
sera donc
d’acquérir la
capacité de revenir
sur Terre depuis l’espace.

Dans un avenir plus lointain encore, l’IXV pourrait même servir de modèle à un engin capable de transporter des astronautes. Aujourd’hui, l’Europe a fait le choix de s’appuyer sur la Russie et les États-Unis pour envoyer ses hommes dans l’espace. Mais elle pourrait bien décider un jour de devenir indépendante. « Dans le cas où cette décision politique serait prise, l’ESA devrait être prête technologiquement, explique Isabelle Sourbès-Verger, du Centre Alexandre-Koyré1, à Paris. L’objectif numéro 1 de cette mission sera donc d’acquérir la capacité de revenir sur Terre depuis l’espace, l’aptitude à atteindre la Station avec un vaisseau ayant déjà été démontrée par le Vieux continent. »

Un vol test suborbital de 100 minutes

Mais avant d’en arriver là, l’IXV devra d’abord réussir son baptême de l’air, un vol test suborbitalFermerVol d’un engin spatial se déplaçant à une vitesse inférieure à la vitesse requise pour que celui-ci se maintienne en orbite. de 100 minutes. Après avoir atteint une altitude de 410 kilomètres, l’engin de 5 mètres de long et de 2 mètres de large rentrera dans l’atmosphère terrestre à une vitesse de 7,5 kilomètres par seconde. En frottant sur l’air, il sera alors ralenti. Et, pour contrôler sa trajectoire, il utilisera des propulseurs et des volets inclinables situés à l’arrière. Une approche totalement différente de celle déployée par les capsules comme Soyouz, qui ne sont pas manœuvrables et se contentent de tomber comme une pierre. Après quoi, le véhicule se posera en douceur dans l’océan Pacifique grâce à des parachutes.

Équipé de plus de 300 capteurs et autres appareils de mesure, l’IXV recueillera une multitude de données sur son aérodynamique, le fonctionnement des systèmes de contrôle de vol et, aspect majeur, sur l’échange de chaleur entre les gaz de l’atmosphère et la surface de l’engin. En effet, comme il rentrera dans l’atmosphère à une vitesse très élevée, le vaisseau comprimera fortement l’air devant lui, l’échauffant au passage à plus de 1 000 °C. C’est au niveau du nez de l’avion spatial et des volets à l’arrière que les températures seront les plus importantes.

Un bouclier thermique dernière génération

Pour y faire face, l’engin a été doté d’un bouclier thermique dernière génération. Celui-ci est constitué de fibres de carbone placées à l’intérieur d’une matrice de céramique faite en carbure de silicium. « Contrairement au matériau utilisé pour la protection thermique de la navette spatiale américaine dont on réparait certaines parties après chaque vol, le bouclier thermique de l’IXV a été conçu pour résister aux hautes températures sans s’abîmer, ou en tout cas le moins possible », explique Marianne Balat-Pichelin, directrice de recherche au laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire du CNRS, à Odeillo.

Le bouclier
thermique de l’IXV
a été conçu pour
résister aux hautes
températures
sans s’abîmer.

Pour vérifier que le bouclier thermique tiendra bien toutes ses promesses lors du vol, la chercheuse et son équipe ont soumis en laboratoire des échantillons de ce bouclier aux conditions de températures et de pressions que l’IXV rencontrera sur sa route. « En pénétrant dans l’atmosphère à grande vitesse, le véhicule créera une onde de choc devant lui, précise Marianne Balat-Pichelin2. Ce choc cassera les molécules de dioxygène en atomes d’oxygène individuels, qui auront alors tendance à oxyder la surface du bouclier, et ce d’autant plus que la température sera élevée. Est-ce que ce phénomène est susceptible d’endommager la protection thermique ? C’est à cette question que nous avons tenté de répondre au cours de notre expérience. »

Aucune altération jusqu’à 1 800 °C

Pour reproduire les hautes températures atteintes par le bouclier thermique, les chercheurs ont placé les échantillons au foyer du four solaire d’Odeillo, une grande installation qui concentre la lumière de notre étoile grâce à de multiples miroirs. « L’avantage du four solaire, c’est qu’on peut atteindre quelques milliers de degrés en quelques secondes seulement, confie la chercheuse. Ce qui reproduit bien la réalité du vol de l’IXV. » Au préalable, les scientifiques avaient mis l’échantillon dans une enceinte remplie d’air. Puis ils avaient envoyé à travers l’enceinte un faisceau de micro-ondes pour casser les molécules en atomes individuels. Restait alors à chauffer l’échantillon avec la chaleur du Soleil pour simuler parfaitement les conditions de la rentrée atmosphérique.

Moyen d'essai MESOX
Moyen d'essai MESOX au foyer du four solaire de 6 kW pour la simulation de la rentrée atmosphérique.
Moyen d'essai MESOX
Moyen d'essai MESOX au foyer du four solaire de 6 kW pour la simulation de la rentrée atmosphérique.

Résultat : avec ce dispositif, les chercheurs ont montré que le matériau du bouclier thermique ne subissait aucune altération jusqu’à 1 800 °C3. Une température à laquelle, de toute façon, l’IXV, ne devrait pas être soumis, selon les simulations de sa trajectoire. Et quand bien même cette température dépassait cette limite lors du vol, les scientifiques ont montré que l’oxydation due à l’oxygène de l’air pouvait arracher de la matière du bouclier, mais dans des proportions qui ne devraient pas mettre la mission en péril. La confiance est donc de mise du côté des scientifiques.

Notes
  • 1. Unité CNRS/EHESS/MNHN.
  • 2. unité CNRS-PROMES UPR 8521
  • 3. « Passive/active oxidation transition for CMC structural materials designed for the IXV vehicle re-entry phase », M. Balat-Pichelin et al., Journal of the European Ceramic Society, février 2015, vol. 35 (2) : 487–502.
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Auteur

Julien Bourdet

Julien Bourdet, né en 1980, est journaliste scientifique indépendant. Il a notamment travaillé pour Le Figaro et pour le magazine d’astronomie Ciel et Espace. Il collabore également régulièrement avec le magazine La Recherche.

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