Le nouveau lanceur européen Ariane 6 devrait décoller en 2024. Mais avant ça, ce sont une multitude d’essais qui ont eu lieu avant le vol inaugural et les moyens du Centre Spatial Guyanais (CSG) qui ont dû s’adapter. En 2022 et 2023, plusieurs essais décisifs ont eu lieu. Voici mon résumé.

Un modèle de test Ariane 6 pour les essais de qualification

Au centre spatial guyanais, les tests se succèdent sur un modèle d’essai du lanceur européen Ariane 6 [détails sur le lanceur dans un article dédié à venir en 2024].

Ainsi en juillet 2022, un premier corps central a rejoint des maquettes de boosters à poudre sur la zone de lancement.

La coiffe Ariane 6 arrive sur le lanceur le 11 juillet 2022. Elle emporte une maquette de satellite (MaqSat) qui permet de qualifier les communications avec la station de télémesure Galliot et les liaisons fibres optiques/électriques en zone de lancement.

Le 15 décembre 2022, les installations sol d’Ariane 6 [voir ci-après] sont entrées dans la phase de Qualification Technique qui marque la fin de 10 ans de développement.

Les premiers essais combinés [voir plus bas] peuvent alors commencer.

Le centre spatial guyanais se prépare

Ariane 6 décollera de l’Ensemble de Lancement Ariane n°4 pour ELA4 (Ariane 5 décolle d’ELA3) [G sur le schéma ci-dessous], une zone de 170 hectares dont 18 aménagés pour les installations Ariane 6, sur les 670 000 hectares au total du CSG.

Dans le Bâtiment d’Assemblage Lanceur ou BAL [9 sur le schéma ci-dessous], une structure de 20 m de haut, 112 m de long et 41 m de large, située à 1 km de la zone de lancement, il y a l’intégration et la préparation horizontales de l’étage central d’Ariane 6 avant le déploiement dans la zone de lancement. Il y a la possibilité d’avoir 2 lanceurs en même temps dans le BAL.

C’est dans cette zone que le corps central (LLPM + ULPM) sera assemblé, contrairement à Ariane 5 qui était intégrée dans le Bâtiment d’Intégration Lanceur (BIL) puis réceptionnait les charges utiles dans le Bâtiment d’Assemblage Final (BAF), pour être finalement amenée en Zone de Lancement (ZL) à environ 3 kilomètres des bâtiments d’assemblage.

Sur l’ELA-4, on retrouve toutes les infrastructures nécessaires au lancement : table de lancement, mât pour les connexions au lanceur, portique de protection, carneaux, mâts contre la foudre, château d’eau, mais aussi toutes les servitudes ; énergies, alarmes, moyens vidéos, moyens d’accès, etc…

Les carneaux et le déflecteur servent à diriger les gaz d’échappement du lanceur loin de la zone de lancement pour réduire les perturbations au décollage. Le système de déluge d’eau alimenté par le château d’eau permet d’atténuer les vibrations du décollage en envoyant jusqu’à 1 000 litres d’eau par seconde.

La table de lancement d’Ariane 6 est fixe. C’est le portique mobile, de 90 mètres de haut, qui protège le lanceur pendant l’assemblage final et qui est retiré lors du début de la chronologie du lancement, comme sur Soyouz en Guyane.

Les bras cryotechniques, longs de 13 m et d’un poids de 20 tonnes, et les caissons MANG (Moyen d’Avitaillement Nouvelle Génération), hauts de 10 m et d’un poids de 100 tonnes, assurent le remplissage du lanceur en ergols liquides à très basse température (oxygène à -180°C et hydrogène à -250°C) jusqu’aux dernières secondes avant le décollage, respectivement pour les réservoirs de l’étage supérieur ULPM et pour les réservoirs de l’étage inférieur LLPM. Au tout dernier moment, pilotés par le banc de contrôle, ils se déconnectent pour libérer le lanceur grâce à un système de contrepoids : en haut du mât, les bras s’ouvrent [comme dans la vidéo ci-dessus], et au sol, les caissons se rétractent et se ferment hermétiquement en moins de 2 secondes pour protéger les tuyaux d’alimentation du feu du lanceur.

De nombreux essais ont été réalisés en 2021 et 2022 pour vérifier le fonctionnement mécanique de ces équipements et pour vérifier la bonne circulation des ergols dans l’ensemble des canalisations qui parcourent la zone de lancement et le mât, la tenue des canalisations au froid, et la liaison avec le banc de contrôle.

Un nouvel essai est prévu fin janvier 2024 lors d’une répétition générale qui ira jusqu’à la déconnexion du système de bras cryogéniques et des caissons MANG sur le modèle d’essai du lanceur.

3 nouveaux moyens de transfert entre bâtiments

Le fardier AIT 400 (Automatique Interne Transfert) 400 destiné au transport des ESR d’Ariane 6 (et des boosters P120 de Vega C) est l’un de ces nouveaux moyens.

L’intégration des satellites dans la coiffe d’Ariane 6 se déroulera dans le hall d’encapsulation du bâtiment d’assemblage final (BAF). L’Upper Composite Trailer (UCT, pour Remorque composite supérieur) transportera la coiffe et ses passagers vers la zone de lancement, distante de 8,5 km, 2 jours avant le lancement. La masse transportée peut atteindre 20 m de haut et 25 tonnes, l’UTC est donc taillé en conséquence : 6 m de large, 26 m de long et 160 tonnes à vide, soit environ 4 fois la masse des poids lourds les plus imposants. Le camion et la remorque ne font qu’un et présentent 2 cabines de pilotage, l’une à l’avant, l’autre à l’arrière. S’il faut changer de direction, le pilote change de cabine et fait une marche avant dans l’autre sens. Alimenté par trois groupes électrogènes, il’UTC se déplace à une vitesse maximale de 9,5 km/h et réalise le parcours en 1h30.

Le Transporteur du Corps Central (TCC) permet quant à lui de déplacer le corps central d’Ariane 6 entre le BAL et la zone de lancement.

Le pont roulant du portique attrape ensuite le corps central et le dépose ici entre les ESR en position d’attente. Dans le scénario opérationnel nominal, le corps central arrive avant les ESR en zone de lancement.

Une partie du bâtiment d’assemblage final, le BAF-HE, d’Ariane 5 va être réutilisée pour Ariane 6. L’ouverture principale du hall d’encapsulation (HE) a été modifiée de 5 m de haut en plus alors qu’elle mesurait déjà 12 m de large sur 21 m de hauteur, soit à peu près la taille d’un immeuble de 6 étages. Mais la version la plus grande du composite supérieur, l’ensemble coiffe/charge utile/adaptateur lanceur, d’Ariane 6 pourra atteindre 24 m de haut.

Une longue Qualification Technique

Le CNES, en tant qu’autorité de conception de la base de lancement ELA4, est responsable du développement et de la qualification technique des moyens sol Ariane 6. Cette qualification doit démontrer que les interfaces bord-sol sont conformes aux exigences de l’ESA, système par système, soit à travers d’essais des équipements sols seulement ou ensuite lors d’essais combinés avec un lanceur. L’acceptation par l’ESA des systèmes de lancement Ariane 6 ne sera promulguée qu’à l’issue du premier lancement réussi du lanceur, là où les derniers systèmes seront évalués : l’écoulement des gaz dans les carneaux, l’ambiance acoustique et les vibrations.

ArianeGroup est l’autorité de conception du système de lancement et est maître d’œuvre du lanceur [je reviendrai sur l’organisation dans l’article à venir en 2024 sur Ariane 6].

L’ESA, dans son rôle de Launch System Architect (LSA), est chargée d’assurer la cohérence entre le lanceur et la base de lancement, de valider et de vérifier les exigences et les performances du système de lancement.

Pour les essais combinés de l’ensemble lanceur/zone de lancement, le lanceur utilisé pour les tests combinés (CTM – Combined Test Model) est un spécimen fonctionnel en configuration Ariane 64. Un modèle de test d’un corps central, 3 ESR remplis d’eau et 1 SR inerté par du sucre, et un composite supérieur ont été assemblés sur plusieurs semaines au second semestre 2022.

Le 15 juin 2023, le comité directeur de la qualification sol, composé d’experts du CNES, de l’ESA et d’ArianeGroup, a prononcé la qualification des moyens sol de l’ELA-4. Les installations sol sont conformes aux exigences définies par l’ESA à la fois pour les interfaces avec le lanceur et pour la sûreté de fonctionnement des systèmes. Maître d’œuvre de la construction des installations de lancement d’Ariane 6 depuis 2015, le CNES en a officiellement transféré la propriété à l’ESA le 23 juillet.

En juin 2023, les tests de qualification du logiciel de vol du lanceur avant le premier vol ont été effectués en conditions nominales et dégradées.

Dans le cadre des essais combinés, le portique mobile d’Ariane 6 a été retiré le 22 juin 2023, dévoilant ainsi le lanceur sur son pas de tir pour la première fois.

Le 13 juillet, une première tentative d’essai combiné CTLO1a (Combined Test LOading-1) est stoppée à cause d’une fuite d’hydrogène sur le lieu de stockage au début de la mise en froid des lignes de transfert.

Le 18 juillet 2023, une séquence de préparation du lanceur ainsi qu’une chronologie de lancement ont été réalisées (essai CTLO1b) lors d’un exercice d’une durée de 26 heures. Cette simulation d’un lancement incluait le retrait du portique mobile [ci-dessus], le refroidissement des systèmes fluidiques du lanceur et du pas de tir, le remplissage des réservoirs de l’étage supérieur et de l’étage principal en hydrogène liquide (-253°C) et oxygène liquide (-183°C). Le test a été mené jusqu’à l’allumage de la chambre de combustion du moteur Vulcain 2.1 par le système sol. Les équipes impliquées de l’ESA, d’ArianeGroup et du CNES ont pu tester avec succès plusieurs situations de fonctionnements, dont des modes dégradés. Mais le test n’est pas tout à fait complet : malgré 6 tentatives d’allumage du moteur pendant 4 secondes, la séquence finale automatique mesure des critères dépassant les spécifications entraînant plusieurs arrêts de chronologie et au final, l’arrêt de l’essai.

Un essai de mise à feu courte prévu le 29 août est reporté à cause d’un problème technique sur le banc de contrôle (ou CBLP, Control Bench Launch Pad) régissant les opérations fluidiques critiques (remplissage du lanceur et compte à rebours automatisé), les systèmes électriques. C’est le CBLP qui passe “la main” à l’ordinateur de vol du lanceur quelques minutes avant le décollage.

Finalement c’est le 5 septembre 2023 qu’un nouveau test, CTLO1c, est effectué avec un essai à feu de l’étage principal du lanceur. Après les étapes similaires à la simulation précédent, se sont rajoutés l’allumage, puis le démarrage du moteur Vulcain 2.1 de l’étage principal, suivis de 4 secondes de fonctionnement stabilisé. Ce test a permis de valider la séquence de vérifications effectuées avant l’allumage des propulseurs à poudre et un décollage d’Ariane 6.

Après ces beaux succès, une anomalie a été détectée courant septembre au cours des opérations préparatoires pour l’essai qui devait suivre : l’essai de mise à feu de longue durée. L’anomalie portait sur un équipement du système de contrôle vectoriel de poussée (TVC) de l’étage principal qui devait être activé pendant l’essai. Le rôle du système TVC est de maintenir le comportement adéquat du lanceur en contrôlant le moteur Vulcain 2.1 pendant son fonctionnement.

Du coup, l’essai de mise à feu de longue durée a été reprogrammé et c’est finalement une nouvelle chronologie de lancement d’une durée de 30 heures qui a été réalisée avant. Le 23 octobre, l’essai CTLO 2.1 a permis de tester la robustesse du système complet et la manière dont Ariane 6 et les équipes s’adaptent à plusieurs cas de panne, avec des opérations effectuées de nuit, dans des conditions thermiques plus froides que d’habitude, où le risque de dégradations des performances ou d’endommagements matériels est plus important. L’essai aura aussi permis de réaliser une vidange de secours des réservoirs, dont celle du réservoir d’hydrogène du 1er étage qui dure à lelle seule 7 heures.

Le 23 novembre, un essai à feu long (CTHF, Combined Test Hot Fire) a été effectué avec succès : une chronologie complète de lancement, soit environ 24 heures, suivie de plus de 7 minutes (420 secondes au total) de fonctionnement stabilisé couvrant l’ensemble de la phase de vol de l’étage principal du lanceur. Le test a pu permettre la vérification de l’orientation de la poussée du moteur avec différentes oscillations de la tuyère. Il a aussi permis de caractériser la vibration des structures (pour le diagnostic de l’effet POGO). Côté étage supérieur (ULPM), l’essai a permis à nouveau de mettre en œuvre (remplissage, pressurisation, vidange…) les réservoirs principaux, en nominal et sur cas de panne, et de tester le bon remplissage oxygène de l’allumeur du moteur Vinci.

Le moteur Vulcain 2.1 s’est arrêté un peu plus tôt qu’annoncé en raison d’un capteur de niveau dans les réservoirs qui n’a pas répondu nominalement et donc l’ordinateur de vol a stoppé le moteur pour des raisons de sécurité. Mais pour l’ESA, la séquence d’essai est un succès complet : tous les aspects fonctionnels ont été testés et ont marché comme prévu pendant la durée de ce qui correspond au vol du premier étage LLPM. Le test a couvert tous les éléments nécessaires à la qualification.

Le 15 décembre 2023, une nouvelle séquence de lancement d’Ariane 6, essai CTLO3, a été effectuée avec des modes dégradés comme l’interruption du lancement en cours de chronologie à 5 secondes après le démarrage du moteur (tir avorté réel mais prévu). Cela permet de qualifier les systèmes mis en œuvre comme ceux de la mise en sécurité du lanceur et des installations. Il s’agissait de la cinquième répétition de chronologie de lancement depuis le mois de juillet, comprenant le remplissage d’Ariane 6 en cryopropulseurs.

Bravo aux équipes de l’ESA, d’ArianeGroup et du CNES, dont cette vidéo rappelle le travail :

Des essais de l’étage supérieur faits en Allemagne en parallèle

Pour la qualification technique avant le vol inaugural, il faut aussi la réussite des essais à feu de l’étage supérieur, réalisés à Lampoldshausen, en Allemagne.

Le 5 octobre 2022, le premier essai de mise à feu du nouvel étage supérieur d’Ariane 6 est effectué sur le nouveau stand de test ESA P5.2 spécialement conçu. Cet essai a pu valider le logiciel vol et le remplissage puis la vidange de l’étage avec les propergols cryogéniques, hydrogène et oxygène liquides.

Le 1^er septembre 2023, les équipes d’ArianeGroup, de l’agence spatiale allemande DLR et de l’ESA ont réalisé avec succès un second essai à feu sur le banc de test dédié à cet étage supérieur à Lampoldshausen. La séquence de test de l’étage supérieur était représentative de l’ensemble de la phase de fonctionnement de l’étage lors du vol inaugural d’Ariane 6. Elle incluait plus de 11 minutes (680 secondes) de fonctionnement du moteur ré-allumable Vinci avec deux allumages, et deux allumages de l’APU (Auxiliary Power Unit), en parallèle du fonctionnement du moteur Vinci, et en incluant la gestion de la pression et de la température des ergols dans les réservoirs pendant la phase non propulsive. L’APU a fonctionné pendant une durée cumulée de près de 30 minutes. Les analyses ont montré un très bon fonctionnement simultané des deux moteurs.

Le 7 décembre 2023, l’essai de mise à feu (HFT4) avait pour objectif de reproduire un début de vol normal avec le moteur Vinci et le groupe auxiliaire de puissance (APU) redémarrables, puis d’introduire des conditions “dégradées” afin d’évaluer la robustesse de l’étage et son comportement dans des conditions extrêmes et inattendues. Deux minutes après l’allumage du moteur Vinci et de l’APU, l’essai a été automatiquement interrompu lorsque les capteurs ont détecté que certains paramètres avaient franchi les seuils prédéfinis. Les moteurs ont été éteints dans une séquence nominale, le modèle d’essai de l’étage supérieur et le “banc d’essai” placés en conditions de sécurité et les réservoirs vidés. Ce test HFT4 est allé au-delà du profil de vol normal d’Ariane 6.

Les équipes analysent le matériel d’essai et recherchent les causes potentielles de l’interruption : les résultats sont attendus pour la mi-janvier 2024.

Ce qu’il reste à faire avant le vol inaugural

Le 30 novembre, l’ESA a annoncé que la date du vol inaugural d’Ariane 6 visée est comprise entre mi-juin et fin juillet 2024.

Fin janvier 2024, il est prévu des tests de déconnexion du système de bras cryogéniques inférieurs et supérieurs [voir plus haut]. Ensuite il faudra démonter l’exemplaire de test d’Ariane 6 pour faire place au lanceur du vol inaugural.

En Europe, l’assemblage des éléments du premier modèle de vol (FM1 – Flight Model 1) est bien avancé. Les étages du vol inaugural d’Ariane 6 arriveront par le navire Canopée au port de Kourou à partir de mi-février 2024.

En Guyane, les deux boosters à propulsion solide P120C ont été chargés en propergol (FM1 est en configuration Ariane 62).

Dans les mois à venir, c’est la commission de qualification n°1 (CQ1) constituée par des experts indépendants qui donnera le feu vert pour le vol inaugural. Ces experts vont étudier un ensemble de dossiers et les résultats des différents essais de qualification, des essais combinés ensemble de lancement / lanceur. Ils vont revoir notamment les vibrations relevées, le comportement des ergols, les logiciels, ou encore les systèmes électriques.

Après le vol inaugural, la CQ2 analysera les données post-lancement afin de donner le feu vert à la mise en exploitation d’Ariane 6.

Sources principales de l’article : site CNES, ArianeGroup, ESA et les tweets de Paul Montagne @astropolo