Ariane (fusée) - Définition

Introduction

Les fusées Ariane sont une famille de lanceurs civils européens de satellites. Le programme Ariane est lancé en 1973 par l'Agence spatiale européenne afin de donner les moyens à l'Europe de mettre en orbite ses satellites sans dépendre des autres puissances spatiales. Ce projet avait été précédé d'un échec avec la fusée Europa. La première version, Ariane 1, effectue son vol inaugural depuis la base de Kourou (Guyane française) le 24 décembre 1979. Elle est rapidement remplacée par des versions plus puissantes, Ariane 2, Ariane 3 et Ariane 4 qui effectuent leur premier vol respectivement en 1984, 1987 et 1988. Pour faire face à l'augmentation de la masse des satellites, le lanceur est complètement refondu, donnant naissance à la version Ariane 5 capable de placer près de 9,5 tonnes en orbite de transfert géostationnaire. Son premier vol a eu lieu en 1996.

La fusée a rapidement pris une part de marché importante dans le domaine du lancement des satellites de télécommunications en orbite géostationnaire, secteur en plein essor dans les années 1980. En 2009, le lanceur Ariane, qui est tiré de 5 à 7 fois par an ces dernières années, détient environ 50 % de ce marché. La base de lancement des fusées Ariane, située à Kourou en Guyane française (Centre spatial guyanais), permet au lanceur de disposer d'un avantage important face à ses concurrents grâce à sa proximité de l'équateur.

Ariane est initialement issue des travaux de l'agence spatiale française, le CNES. La politique spatiale française, pour des raisons à la fois politiques et industrielles, a de tout temps été plus attachée au développement d'un lanceur européen que ses partenaires au sein de l'Agence spatiale européenne. Les industriels français conservent encore aujourd'hui une part prépondérante dans la conception et la fabrication des fusées Ariane, avec des participations significatives d'autres pays européens comme l'Allemagne (nombreuses contributions sur la propulsion, le corps des fusées), l'Italie (propulsion), la Suède, la Belgique, les Pays-Bas et la Suisse. Le lancement des satellites par la fusée Ariane est commercialisé par la société Arianespace, filiale créée en 1970 par le CNES et les principaux industriels impliqués dans le programme.

Historique

Contexte : les enjeux des débuts de la conquête spatiale

En 1960, la communauté scientifique européenne appelle de ses vœux la création d'un programme spatial scientifique européen animé par un organisme analogue au CERN. Les programmes spatiaux russe et américain font des progrès très rapides qui ouvrent de nouvelles perspectives, notamment dans les domaines de la physique et de l'astronomie. Les responsables britanniques qui viennent d'arrêter le programme du missile balistique Blue Streak proposent alors de développer un lanceur spatial reposant sur ce missile. Pour les Britanniques, l'objectif est surtout d'amortir le coût du Blue Streak (56 millions de £). En janvier 1961, le général de Gaulle, sollicité, donne finalement son accord contre l'avis de ses conseillers pour le développement d'une fusée européenne à trois étages, baptisée Europa, utilisant comme premier étage le Blue Streak, un deuxième étage de conception française et un troisième étage de conception allemande.

L'échec de la fusée européenne Europa

Le premier tir d'un élément de la fusée Europa a lieu à Woomera (Australie) en juin 1964 : c'est un succès mais il ne porte que sur le premier étage déjà rodé Blue Streak tandis que les étages français et allemands n'en sont encore qu'au stade de l'étude. Or, depuis la mise en place du programme Europa, la donne a changé. Les observateurs européens les mieux informés savent que les capacités de la fusée ne sont pas adaptées au marché des satellites de télécommunication qui est en train de se dessiner mais qui nécessite désormais des lanceurs plus puissants. En janvier 1965, la France tente de convaincre ses partenaires au sein de l'ELDO de modifier les spécifications de la fusée en intégrant un deuxième étage cryogénique (technique que la France a commencé à explorer) permettant de placer un satellite en orbite géostationnaire. Mais la maîtrise d'une telle technologie est un pari audacieux et elle nécessite de repousser les premiers lancements en 1970. Un compromis est trouvé : un quatrième étage est inclus dans les développements pour permettre l'atteinte de l'orbite géostationnaire. Le Royaume-Uni irrité, entre autres, par les dépassements budgétaires et la volonté française de substituer Kourou à Woomera comme base de lancement réduisent en juin 1966 leur participation de 38,79 % à 27 % après avoir menacé de se retirer.

Les premiers essais de l'étage français Coralie seul puis de la fusée Europa assemblée ne contribuent pas à faire renaître la confiance : l'étage français lancé avec uniquement un troisième étage inerte (ensemble CORA) connaît 2 échecs sur 3 tentatives (1966-1967) ; les deux lancements de la fusée Europa complète qui ont lieu en 1967 (avec un troisième étage inerte) se soldent également par des échecs car l'étage Coralie refuse de s'allumer. Après 10 lancements non concluants, le programme Europa-1 est arrêté, car les Européens se rendent compte que les performances de la fusée sont trop en retrait par rapport aux besoins. Le Royaume-Uni et l'Italie quittent le projet en 1969. Une deuxième version du lanceur, la fusée Europa-2, capable de placer sur orbite géostationnaire des satellites de 150 kg, est mise en chantier. Cette version est financée majoritairement par la France et l'Allemagne. Malheureusement, son premier et seul lancement, depuis la base de Kourou, en novembre 1971, est un échec. Le programme Europa II est arrêté. Une troisième version de la fusée Europa est étudiée au début des années 1970 mais après plus de trois ans de recherche, le projet est abandonné. Toutefois, les travaux effectués sur le premier étage serviront de point de départ pour l'élaboration du lanceur européen Ariane. Le programme Europa est un échec total car, pour satisfaire chaque participant, il s'est élaboré sans maîtrise d'œuvre et d'ouvrage centrale donc sans véritable coordination. La conclusion du programme Europa va fortement influencer les orientations du programme spatial européen.

Le lancement du programme Ariane

Malgré l'échec de la fusée Europa II en novembre 1971 et l'abandon des études d'une version plus puissante, l'Europa III, le gouvernement français de l'époque propose la création d'un lanceur dans le prolongement de l'expérience réussie de la fusée française Diamant, le L3S (Lanceur de 3^e génération de substitution). Le lancement du projet ne put avoir lieu fin 1973 qu'après de délicates négociations entre les gouvernements de la France, de l'Allemagne et du Royaume-Uni : les Britanniques préféraient financer leur satellite maritime MAROTS, les Allemands leur module Spacelab emporté par la navette spatiale. Les États-Unis tentèrent de détourner les pays européens de leur intention de développer leur propre lanceur mais les restrictions imposées en échange de l'utilisation de leurs lanceurs, en particulier pour le lancement du satellite Symphonie apportèrent des arguments à l'appui de la position du gouvernement français qui souhaitait que l'Europe devienne autonome pour le lancement de ses satellites. Le 31 juillet 1973 à Bruxelles, les pays européens parvinrent à un accord qui permettait de financer simultanément les projets préconisés par les principaux participantsdont le projet Ariane.

Pour parvenir à un accord, les responsables français acceptent de prendre en charge 60 % du budget et s'engagent à payer tout dépassement de plus de 120 % du programme. En contrepartie, les établissements responsables du développement sont français : l'agence spatiale du CNES est maîtresse d'œuvre et l'Aérospatiale est l'architecte industriel. Le choix d'un responsable unique doit permettre d'éviter les errements du projet Europa. Le programme Ariane coûtera 2,063 milliards de francs. Pour baptiser le lanceur, le CNES lance un appel à idées. Parmi les propositions retenues : Phénix, Véga, la Lyre, le Cygne. Le directeur général du CNES Michel Bignier propose sa liste au ministre Jean Charbonnel, qui décide finalement de nommer le lanceur Ariane (du nom de l’héroïne mythologique grecque Ariane).

Ariane 1

La première fusée Ariane, Ariane I, comporte trois étages, mesure 47 mètres de haut, pèse 210 tonnes et, grâce à sa poussée de 240 tonnes, peut placer en orbite géostationnaire des satellites de 1 700 kg. Pour rester dans une enveloppe budgétaire acceptable, les caractéristiques du lanceur sont en retrait par rapport au projet Europa III. Pour cette fusée, il était envisagé de développer un deuxième étage cryogénique qui est remplacé sur Ariane 1 par un étage utilisant des ergols plus conventionnels. Le type de moteur-fusée, un Viking, propulse à la fois le premier étage (4 moteurs) et le second étage (1 moteur). Le troisième étage a, par contre, recours à un moteur HM-7 qui brûle un mélange oxygène/hydrogène très performant. La base de lancement de Kourou, déjà utilisée pour le dernier tir de la fusée Europa, est retenue comme centre de lancement de la nouvelle fusée ; on y aménage l'ensemble ELA-1, premier complexe de lancement dédié à la nouvelle fusée.

Le développement du lanceur ne rencontre aucun problème et se réalise dans les délais. Le 24 décembre 1979, après plusieurs tentatives avortées, Ariane 1 effectue un vol parfait à la surprise de tous les participants traumatisés par l'expérience du lanceur Europa. Mais le deuxième vol, le 23 mai 1980, est un échec : une instabilité dans la chambre de combustion d'un des 4 moteurs Viking du premier étage entraîne la destruction du lanceur après 104 secondes de vol. Après avoir modifié les caractéristiques des injecteurs, les vols reprennent un an plus tard. Le 5^e vol est de nouveau un échec : cette fois c'est la turbopompe du moteur du troisième étage qui est en cause. Les modifications et les tests durent près de 9 mois. Les 6 derniers vols du lanceur Ariane 1, qui ont lieu entre 1983 et 1986, se déroulent normalement.

Ariane 2 et 3

Pour que le lanceur Ariane reste concurrentiel, il fallait qu'il puisse à chaque vol placer deux satellites en orbite de transfert géostationnaire. Or à la fin des années 1970, les principaux concurrents d'Ariane, les lanceurs américaines Delta et Atlas, accroissent fortement leur capacité, permettant ainsi aux opérateurs de satellites géostationnaires de commander des engins plus lourds. Les responsables du programme Ariane décident donc le développement d'une version améliorée d'Ariane, capable de mettre en orbite de transfert géostationnaire 2,4 tonnes soit 600 kg de plus.

Les modifications sont peu coûteuses (environ 144 millions d'euros), car le lanceur dispose d'une certaine réserve de puissance : la pression dans la chambre de combustion de tous les moteurs est légèrement augmentée. Le surplus de poussée obtenu permet l'allongement du troisième étage de 1,2 mètre et l'emport de 2 tonnes d'ergols de plus. Deux propulseurs d'appoint à poudre de 9,7 tonnes, fournissant chacun pendant une durée de 29 secondes une poussée supplémentaire de 66 tonnes, sont accolés à la version Ariane 3 (la version Ariane 2 en est dépourvue). Un des deux ergols du premier étage, l'UDMH, est remplacé par l'UH 25, plus énergétique. Le résultat final dépassera les prévisions avec une charge utile de 2,2 tonnes pour la version Ariane 2 et de 2,7 tonnes pour Ariane 3.

Ariane 3 effectue son premier vol le 4 août 1984. Ariane 3 volera 10 fois jusqu'en 1988 avec un échec en 1985. Elle emmènera 2 satellites géostationnaires à chaque fois. La fusée Ariane 2, moins puissante, est moins utilisée : son premier vol a lieu le premier le 31 mai 1986 et est un échec. Il y aura quatre autres vols entre 1987 et 1989.

Ariane 4

L'agence spatiale européenne décide en octobre 1981, sur proposition de la France, de développer une version plus puissante permettant de placer 4,17 tonnes en orbite géostationnaire : l'objectif est de mettre en service cette nouvelle version en 1986 de manière à pouvoir répondre aux besoins de la nouvelle génération de satellites de télécommunications. L'Ariane 4 comporte un premier étage allongé qui lui permet d'emporter 226 tonnes d'ergols. Les moteurs Viking voient une nouvelle fois leur puissance augmenter légèrement. Des propulseurs d'appoint liquide peuvent être associés au premier étage : ces propulseurs utilisent un moteur Viking consommant les mêmes carburants que les premier et deuxième étage. Le lanceur est commercialisé dans 6 configurations différentes qui se différencient par le nombre de propulseurs d'appoint (0 ou 2 ou 4) et le type de propulseur (à poudre ou liquide). Selon la version Ariane 4 peut placer de 2 à 4,3 tonnes en orbite de transfert géostationnaire.

Les installations de lancement à Kourou sont agrandies : en effet, d'une part le premier complexe de lancement ne permet d'effectuer que 6 tirs par an, alors qu'il est prévu dans le futur une moyenne de 10 tirs par an ; d'autre part les propulseurs d'appoint liquide ne peuvent être montés dans les installations existantes. L'ESA autorise en aout 1981 l'édification d'un deuxième complexe de lancement, ELA 2, pour un cout de 153 millions d'euros. Avec ELA 2 le déroulement du montage de la fusée et son lancement sont profondément modifiés pour limiter les conséquences d'une explosion au décollage et surtout réduire le délai entre deux tirs : un bâtiment d'assemblage est construit à près d'1 km de l'aire de lancement et la fusée est amenée sur le lieu de décollage posée sur une table de lancement qui se déplace sur des rails. Grâce à ces nouvelles installations, le délai entre deux tirs peut être réduit théoriquement de 28 à 18 jours.

Le premier lancement de Ariane 4 a lieu le 15 juin 1988. Ariane 4 est tiré 116 fois entre 1988 et 2003 et ne connait que 3 échecs. Le lanceur qui enlève en moyenne une charge utile 3 585 kg a lancé 186 satellites.

Ariane 5 : un lanceur complètement nouveau

La décision de construire le lanceur Ariane 5 est prise le 31 janvier 1985. À l'époque, Ariane 4 n'a pas encore volé et le lanceur est loin d'avoir acquis sa position dominante sur le marché des satellites commerciaux. Alors que Ariane 1 avait été conçue pour le lancement des satellites géostationnaires, Ariane 5 doit selon les plans initiaux lancer des charges lourdes en orbite basse, en particulier la future navette spatiale européenne Hermès qui sera abandonnée par la suite. Cette orientation initiale se retrouve en partie dans l'architecture du lanceur. Mais l'analyse des tendances du marché effectuées peu après montrèrent que le poids moyen des satellites de télécommunications géostationnaires allait dépasser les 2 tonnes vers 1995 excédant les capacités de lancement double d'Ariane 4. Il fut donc décidé qu'à cette date le lanceur Ariane 5 prendrait le relais d'Ariane 4. L'investissement est initialement chiffré à 4,1 milliards d'ECUS (la même somme en euros). Les principaux pays contributeurs sont la France (46,2 %), l'Allemagne (22 %), l'Italie (15 %) et la Belgique (6 %). L'Espagne, les Pays-Bas, la Suède et la Suisse prennent une participation comprise entre 1 et 2 %. L'investissement réel calculé en 2009 s'élève à 8 milliards €..

Sur le plan technique, le lanceur Ariane 5 n'a rien en commun avec ses prédécesseurs. La poussée de 1 200 tonnes au lancement est obtenue à hauteur de 90 % par deux gros propulseurs d'appoint à poudre (EAP). Le premier étage proprement dit (EPC) est propulsé par un nouveau moteur-fusée, le Vulcain consommant un mélange hydrogène/oxygène très performant mais qui ne fournit initialement que 10 % de la poussée. Cet ensemble est surmonté, au choix, d'un étage utilisant des propergols hypergoliques réallumables (EPC) ou d'un étage cryogénique plus puissant mais non réallumable (ESC). Le corps central du lanceur a un diamètre important de 5,4 mètres qui permet d'adapter facilement à son sommet des charges utiles volumineuses. Plusieurs jeux de coiffes sont disponible en fonction de l'encombrement et du nombre des satellites.

Pour lancer Ariane 5, des installations particulièrement importantes sont édifiées à Kourou. Les installations existantes, ELA-1 et ELA-2, ne sont en effet pas adaptées au nouveau lanceur plus trapu et de composition radicalement différente. La rationalisation d'une campagne de tir est poussée plus loin. Plusieurs bâtiments permettant l'assemblage des propulseurs d'appoint, du lanceur et de sa charge utile sont édifiés : ils sont tous reliés entre eux par une double voie ferrée sur laquelle la fusée et ses composants circulent. Un bâtiment permettant de préparer plusieurs satellites en parallèle est également construit. Enfin une nouvelle aire de lancement est édifiée. Le complexe baptisé ELA-3 remplace les installations existantes qui doivent être désaffectées après le tir de la dernière fusée Ariane 4. Par ailleurs une usine est construite près de la zone de lancement pour couler les blocs de poudre des propulseurs d'appoint (EAP) qui sont ensuite assemblés dans un bâtiment dédié.

Les échecs du lanceur Ariane 5

Le premier lancement prévu en 1995 n'a lieu qu'en juin 1996. Le vol V-87 est un échec dû à une erreur du logiciel en charge du pilotage du lanceur. Le deuxième vol est un demi-échec : l'orbite visée n'est pas atteinte car le premier étage EPC s'est arrêté avant d'avoir épuisé ses ergols. Pour pouvoir répondre aux besoins en attendant la fiabilisation du lanceur, la société Arianespace doit passer commande de lanceurs Ariane 4 supplémentaires. Le problème se reproduira au 11^e lancement.

Le premier lancement de la version ECA en 2002 est également un échec. Il faudra attendre 2005 pour que cette version vole à nouveau. Depuis le lanceur a effectué 20 lancements sans connaitre de défaillance (situation fin 2009).

Principaux jalons

• Ariane 5 : premier lancement réussi le 30 octobre 1997, après un échec lors du premier vol le 4 juin 1996 :
  • Ariane 5 G : première réussite totale le 21 octobre 1998
  • Ariane 5 G+ : premier lancement réussi le 2 mars 2004
  • Ariane 5 ECA : premier lancement réussi le 12 février 2005 avec une capacité de mise en orbite géostationnaire de 10 tonnes.
  • Ariane 5 GS : premier lancement réussi le 11 août 2005
  • Ariane 5 ES ATV : premier lancement réussi le 9 mars 2008