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Le prototype du vaisseau spatial SpaceX a explosé, mais c’est toujours un pas de géant vers Mars

Cet article a été initialement publié sur La conversation. La publication a contribué à l’article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: Op-Ed & Insights.

La société privée SpaceX a lancé SN8, un prototype de son vaisseau spatial Starship, conçu pour aller sur la Lune et sur Mars, le 10 décembre. Son vol court a attiré beaucoup d’attention pendant les dernières secondes avant l’atterrissage – quand il a explosé.

Mais considérez la totalité presque parfaite de son vol de six minutes et demie. Regardez la technologie révolutionnaire et les manœuvres impliquées. Il est raisonnable de considérer cela comme un test extrêmement réussi.

Les vaisseaux spatiaux ordinaires reviennent sur Terre en utilisant la «traînée aérodynamique» dans l’atmosphère pour ralentir leur rentrée. La décélération à partir de 20 000 mph dissipe beaucoup de chaleur, c’est pourquoi ils portent des boucliers thermiques, et le toucher final est contrôlé par des parachutes. Les moteurs de fusée ne font pas un atterrissage en toute sécurité – ils brûlent et s’écrasent dans la mer.

C’est un vrai gaspillage de ressources. Le fondateur et PDG de SpaceX, Elon Musk, essaie plutôt de réutiliser autant de vaisseau spatial que possible. Si votre destination ultime est la Lune et en direction de Mars, cela a beaucoup de sens car vous pouvez beaucoup plus facilement faire le plein à des endroits judicieux en cours de route que de construire une nouvelle fusée.

Starship est un système de fusée entièrement réutilisable conçu pour transporter 100 tonnes de fret en orbite terrestre et au-delà. Il dispose d’un premier étage «booster» qui le propulse en orbite et se sépare. L’étage d’appoint est conçu pour atterrir en toute sécurité et pour être réutilisé. SpaceX a compris comment faire cela avec la fusée Falcon, mais ce n’est que les deux tiers du système. Avec Starship, le troisième du système qui aide à propulser l’engin spatial plus loin que l’orbite terrestre n’est jamais éjecté.

Atterrir le propulseur du premier étage est «facile» car il est éjecté deux minutes après le lancement et revient donc sur Terre depuis une altitude relativement basse – sans jamais atteindre des vitesses très élevées. La NASA définit la vitesse hypersonique «élevée» comme un «nombre de Mach» de 10 à 25. Le booster atteint seulement environ Mach 6.

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Le vaisseau lui-même reviendra d’orbite, atteignant Mach 25. À cette vitesse, la chaleur de la rentrée fera fondre les moteurs. Vous avez donc besoin d’un bouclier thermique substantiel qui dissipe 99% de l’énergie – protégeant la cargaison et les fusées essentielles dont vous avez besoin pour atterrir. La navette spatiale partiellement réutilisable de la NASA avait d’énormes ailes utilisées pour faire glisser le véhicule sur une piste. Mais les ailes sont lourdes et réduisent la capacité de charge utile potentielle. De plus, ils ne fonctionneront pas sur Mars ou sur la Lune parce qu’il y a un manque d’atmosphère – et de pistes.

Dynamique du ventre-flop

L’ingéniosité de Starship est qu’il ne fait que «belly-flops» tout en bas – un type de chute libre dans laquelle l’atmosphère ralentit progressivement sa vitesse. À l’approche du sol, il devrait être suffisamment lent pour qu’une brève brûlure de retournement et d’atterrissage se pose doucement sur le coussin.

Inspiration d’ingénierie: le flop épique du ventre. (Crédit d’image: Stacey Lynn Payne / Shuttestock)

Aucun autre véhicule ne vole comme ça exprès. Les avions sont conçus pour maintenir le flux d’air attaché aux ailes pour assurer la portance. Si vous perdez ce flux d’air, vous tombez du ciel – une condition appelée décrochage. Starship pénètre dans l’atmosphère à un angle de 90 degrés. Cela signifie qu’il est complètement bloqué. Tout comme une feuille flotte au sol, il s’agit d’une configuration intrinsèquement instable et l’aérodynamique est impossible à prévoir.

C’est là que le contrôle actif entre en jeu. Le vaisseau spatial a quatre volets et ils sont utilisés comme un parachutiste utilise ses quatre bras pour contrôler la chute libre. Avec le vol d’essai SN8, Space X a montré qu’il était possible de contrôler un ventre-flop. La baisse de 12,5 km a donné à SpaceX les conditions de la dernière moitié d’un retour d’orbite.

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SpaceX aura rassemblé des données de vol qui lui permettent de savoir comment fonctionne l’aérodynamique d’un ventre-flop. En particulier, il saura dans quelle mesure les volets fonctionnent et avec quelle précision maintenir l’engin stable et l’atterrir sur la cible. On peut voir sur les vidéos publiées par SpaceX que les volets sont bien contrôlés. Cela semble être une excellente nouvelle pour SpaceX.

Équation de fusée

Étant entièrement réutilisable, Starship devrait fonctionner beaucoup moins cher que les embarcations à usage unique conventionnelles. Mais c’est une entreprise délicate de déterminer exactement la quantité de carburant à transporter. Les avions conventionnels décollent toujours avec un peu de carburant en réserve, mais ils peuvent toujours effectuer un atterrissage d’urgence s’ils font un mauvais calcul.

Les fusées doivent être lancées avec une énorme quantité de carburant juste pour être sûr que vous en avez assez pour l’atterrissage. C’est comme faire un voyage de camping de 14 jours et passer 13 jours à porter l’eau pour votre dernier jour. Il est probable que le réservoir du SN8 était presque complètement vide lorsqu’il est arrivé à terre.

La quantité de carburant dont vous avez besoin est donnée par «l’équation de la fusée». Cela montre que si vous voulez lancer 100 tonnes de charge utile sur la Lune à une vitesse de 12 000 mètres par seconde, vous avez besoin de 2 000 tonnes de carburant.

En ce qui concerne le type de carburant, il est intéressant de noter que le kérosène et l’hydrogène (tels qu’utilisés par Apollo 11) sont toujours les carburants pour fusées les plus populaires. Les lois de la physique et de la chimie n’ont pas beaucoup changé en cinquante ans. Mais Starship est en fait le pionnier de l’utilisation du méthane comme carburant. Bien qu’il soit plus difficile à travailler, cela donne un peu plus de poussée. Et peut-être plus important encore, il y a beaucoup de méthane sur Mars, qui est évidemment la destination ultime pour SpaceX.

Alors pourquoi SN8 s’est-il écrasé? Vous pouvez voir dans la vidéo des clignotements verts juste avant l’atterrissage. Les moteurs sont en cuivre, qui brûle avec une flamme verte caractéristique. SpaceX dit qu’il y avait un problème avec pression de carburant juste au dernier moment, ce qui signifie que la fusée ne pouvait pas ralentir. L’excès d’oxygène résultant a commencé à brûler les moteurs eux-mêmes. S’il n’y avait pas eu ces dernières secondes, l’atterrissage aurait pu être parfait. Les ingénieurs chercheront maintenant à résoudre ce problème pour SN9.

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Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.

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