01 Ariane 6

Chaque booster, appelé ESR (Equipped Solid Rocket), mesure 22 mètres de longueur pour 3,4 mètres de diamètre. Il est composé d’un moteur P120C chargé de 142 tonnes de propergol solide qui fournit une poussée moyenne de 357 tonnes (3 500 kN). Le moteur est équipé en partie basse d’une jupe cylindrique arrière qui s’adapte aux palettes de la table de lancement et permet au booster de reposer sur celle-ci. Une jupe conique située à l’avant du booster permet la jonction avec la structure inter-étage du corps central d’Ariane 6. Cette liaison supporte le poids du corps central et lui transmet la poussée du booster.

Les deux boosters sont allumés quelques secondes après le Vulcain® 2.1 du corps central, ce qui fait décoller le lanceur. Les boosters fournissent la plus grande partie de la poussée du lanceur au décollage et fonctionnent pendant 130 secondes, avant d’être largués à la fin de combustion du propergol solide, à une altitude de 60 kilomètres. 

Le cœur des boosters est constitué du moteur à propergol solide P120C de 13,5 mètres de hauteur et 3.4 mètres de diamètre, qui est également le moteur du premier étage de Vega-C. Réalisé sous maîtrise d’œuvre d’Europropulsion, coentreprise à 50-50 entre ArianeGroup et Avio, le P120C comprend deux sous-ensembles principaux : un corps structural bobiné en fibres de carbone fabriqué par Avio et une tuyère fabriquée par ArianeGroup. Cette dernière permet d’éjecter à très grande vitesse les gaz extrêmement chauds générés par le moteur. Elle est constituée de divers matériaux composites, dont du carbone/carbone thermo-structural tissé pour le col de la tuyère qui doit résister à des gaz à 3 000°C circulant à grande vitesse.

Le chargement de 142 tonnes de propergol solide du moteur P120C est réalisé au Centre Spatial Guyanais (CSG) par Regulus, une joint-venture d’Avio et ArianeGroup. 

Évolution

Europropulsion développe une version évoluée P160C du moteur à propergol solide P120C, dans le cadre d’un contrat de l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Plus long d’un mètre, le P160C verra sa charge de propergol portée à 156 tonnes, ce qui rallonge à 135 secondes le temps de fonctionnement du booster. Ceci permettra d’accroitre l’étendue des missions d’Ariane 6 en augmentant les performances du lanceur en orbite basse de plus de deux tonnes de charge utile, et en offrant des gains de performance significatifs pour les missions géostationnaires, scientifiques et d’exploration.

Cette modification ne change ni les dimensions extérieures du booster, ni les interfaces avec le corps central. Ainsi, Ariane 6 pourra utiliser indifféremment des boosters équipés de P120C ou de P160C.

L’étage principal appelé LLPM (Lower Liquid Propulsion Module) mesure 32 mètres de longueur et 5,4 mètres de diamètre. Son assemblage final est réalisé sur le site ArianeGroup des Mureaux, en région parisienne. Il est propulsé par le moteur cryotechnique Vulcain® 2.1 d’environ 140 tonnes de poussée (1 370 kN).

L’étage est composé de deux réservoirs d’ergols structuraux en alliage d’aluminium reliés entre eux par une structure métallique inter-réservoirs. Le réservoir supérieur contient 25 tonnes d’hydrogène liquide (LH2) à -253°C et le réservoir inférieur 125 tonnes d’oxygène liquide (LOx) à -183°C. Des modules d’avitaillement de nouvelle génération (MANG) sont situés de part de d’autre de l’étage afin de permettre le remplissage en ergols des réservoirs depuis les ombilicaux au sol. Ces modules se déconnectent au décollage. L’étage est recouvert d’une protection thermique projetée qui permet de maintenir les ergols cryogéniques liquides à très basse température dans les réservoirs tout en isolant de la température ambiante de la Guyane française, qui dépasse souvent les 30°C.

Au cours d‘un lancement d’Ariane 6, le moteur Vulcain® 2.1 est allumé au sol, puis l’ensemble de l’étage principal fonctionne pendant environ 470 secondes jusqu’à une altitude de 270 kilomètres, où il est séparé de l’étage supérieur. Un système de vérins permet d’orienter la poussée du moteur Vulcain® 2.1 afin d’assurer le pilotage du lanceur pendant la seconde partie du vol, c’est-à-dire après le largage des boosters.

La structure inter-étage réalise la jonction entre l’étage principal et l’étage supérieur du lanceur, afin de former le corps central. Elle est composée de deux parties identiques en matériau composite à base de fibres de carbone, une partie haute (IFS-U – InterFace Structure – Upper) et une partie basse (IFS-L – InterFace Structure -Lower), reliées par des brides métalliques. Au sommet de la structure inter-étage, est fixé un anneau pyrotechnique qui assure la séparation entre les deux étages au moment du largage de l’étage principal. La partie basse contient des éléments de l’avionique du lanceur.

L’étage supérieur appelé ULPM (Upper Liquid Propulsion Module) mesure 12 mètres de longueur et 5,4 mètres de diamètre. Son assemblage final est réalisé sur le site ArianeGroup de Brème, en Allemagne. Il est équipé du moteur cryotechnique ré-allumable en vol Vinci® de 18 tonnes de poussée (180 kN) et d’une unité de propulsion auxiliaire APU (Auxiliary Propulsion Unit). 

L’APU est un dispositif innovant essentiel pour les performances et la polyvalence d’Ariane 6. Il permet de pressuriser les réservoirs de l’étage supérieur et de préparer les rallumages du moteur Vinci® en tassant les ergols en impesanteur dans les réservoirs. L’APU peut également fournir sur demande une poussée additionnelle en orbite. Enfin, il peut servir à désorbiter l’étage supérieur en fin de mission. 

L’étage supérieur est composé de deux réservoirs en alliage d’aluminium reliés entre eux par une structure métallique inter-réservoirs, qui contient une partie des équipements avioniques du lanceur. Le réservoir supérieur est structural et contient 25 tonnes d’oxygène liquide (LOx) à -183°C. Le réservoir inférieur suspendu contient 5 tonnes d’hydrogène liquide à -253°C. Des modules d’avitaillement de nouvelle génération (MANG) sont situés de part de d’autre de l’étage afin de permettre l’avitaillement en ergols des réservoirs depuis les bras rétractables de la tour de lancement. Ces interfaces se déconnectent au retrait des bras, au décollage. L’étage est recouvert d’une protection thermique projetée qui permet de maintenir les ergols cryogéniques liquides à très basse température dans les réservoirs tout en isolant de la température ambiante de la Guyane française, qui dépasse souvent les 30°C. 

L’étage supérieur apporte le complément de vitesse nécessaire à la satellisation des charges utiles. Son fonctionnement démarre après la séparation avec l’étage principal, à une altitude de 270 kilomètres. Le moteur Vinci® est allumé dans le vide et peut fonctionner plusieurs fois jusqu’à un total de 900 secondes. En fonction du profil de mission, le moteur Vinci® peut être éteint et rallumé en vol jusqu’à quatre fois, et il fonctionne en parallèle de l’APU. 

À l’issue du vol, en fonction du besoin de la mission, l’étage est soit placé sur une orbite parking écartée, soit désorbité à l’aide, suivant les missions, d’un dernier allumage du moteur Vinci® ou d’une poussée fournie par l’APU, pour revenir se désintégrer dans l’atmosphère. 

Évolution

ArianeGroup est en train de développer, dans le cadre d’un contrat de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), une version du moteur Vinci® dont la poussée est portée à 200 kN permettant d’augmenter les performances du lanceur. 

Par ailleurs, dans le cadre du programme de préparation des lanceurs futurs (FLPP – Future Launchers Preparatory Programme), l’ESA a confié à ArianeGroup le pilotage du programme de démonstration Phoebus qui vise à développer et produire des structures et des réservoirs en matériau composite à base de fibres de carbone compatibles avec les ergols cryogéniques. L’objectif est de développer des technologies permettant de réduire de manière significative la masse des étages supérieurs de lanceurs, qui soient applicables dans le futur à une version allégée de l’étage supérieur d’Ariane 6.

Le composite supérieur est un ensemble d’un diamètre de 5,4 mètres contenant les charges utiles à mettre en orbite. Il comprend les deux demi-coiffes, l’adaptateur LVA (Launch Vehicle Adapter) qui fait la liaison entre le lanceur et le composite supérieur, et sur lequel sont fixés les deux demi-coiffes, la charge utile ou différents dispositifs portant les charges utiles.

Ariane 6 dispose de deux longueurs de coiffe en fonction des missions, une courte de 14 mètres, et une longue de 20 mètres destinée à la version Ariane 64. Selon les charges utiles le composite supérieur peut accueillir différents dispositifs. La structure de lancement double DLS (Dual Launch System) en matériau composite permet le lancement simultané de deux satellites. Elle contient et protège un premier satellite en position basse, tout en supportant un second satellite en position haute. Celle-ci existe en différentes dimensions, en fonction de la taille des satellites à lancer. Pour les lancements multiples, des structures porteuses en composite peuvent maintenir puis éjecter en orbite plusieurs satellites. Ceux-ci peuvent être par deux, par quatre, comme pour les satellites de navigation Galileo, ou jusqu’à plusieurs dizaines de satellites pour les grandes constellations.

Enfin, le MLS (Multi-Launch System) offrira une capacité de transport partagé (dite « ride-share ») pour lancer des groupes de petits et micro satellites, en complément des charges utiles principales.

D’une poussée de 180 kN, Vinci® est le moteur cryogénique de l’étage supérieur d’Ariane 6. Sa capacité de rallumages multiples est essentielle pour la polyvalence du lanceur, en permettant d’injecter plusieurs charges utiles sur différentes orbites cibles.

Fonctionnant à l’oxygène et l’hydrogène liquides (LOx/LH2), ce moteur à cycle expander se caractérise par des turbopompes oxygène et hydrogène haute performance, un circuit de refroidissement régénératif de la chambre de combustion optimisé, une conception et l’emploi de procédés de fabrication choisis via une méthode de conception à coûts optimisés. Il a été développé par ArianeGroup en coopération avec des partenaires européens dans le cadre d’un programme de l’Agence Spatiale Européenne (ESA).

Pour compléter le système propulsif Vinci®, ArianeGroup a développé un système totalement innovant : un groupe auxiliaire de puissance, ou APU (Auxiliary Propulsion Unit), qui pressurise les réservoirs d’ergols de l’étage supérieur et délivre une poussée additionnelle pour l’injection séquencée de grappes de satellites.

La mission commerciale achevée, Vinci® peut s’allumer une dernière fois pour désorbiter l’étage supérieur afin de minimiser les débris spatiaux.

Vulcain®2.1 est le moteur de l’étage principal d’Ariane 6, fournissant une puissante accélération au cours des huit premières minutes de vol jusqu’à 275 km d’altitude environ.

Ce moteur cryogénique a été développé par ArianeGroup en coopération avec des partenaires européens dans le cadre d’un programme de l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Il fonctionne en brûlant de l’oxygène liquide et de l’hydrogène liquide (LOx/LH2) dans une chambre de combustion, via un générateur de gaz et deux turbopompes, délivrant une poussée de 1 370 kN dans le vide.

Haut de 3,6 mètres, Vulcain®2.1 est une version optimisée du moteur Vulcain 2 grâce à plusieurs innovations technologiques majeures, telles que la production par impression 3D du générateur de gaz, un divergent de tuyère simplifié et une nouvelle vanne de gaz chaud à commande électrique en essai de réception. Dans le même objectif de simplification opératoire d’ArianeGroup, une nouvelle ligne d’assemblage ultramoderne du moteur a été mise en place.

Autre innovation du Vulcain 2.1 permettant d’améliorer la performance : le système d’allumage de la chambre propulsive a été déplacé du moteur vers le pas de tir.