Et le Starship SN8 s’envola

Avez-vous, comme moi, pris une grosse claque en voyant ces images du Starship SN8 décollant et effectuant un vol en altitude le 9 décembre ?

Le prototype a décollé de la base de Boca Chica au Texas. Il est monté en altitude jusqu’à 12,5 km (20 km avait été annoncé au départ puis réduit à 15 km) et a effectué une manœuvre de retournement pour atteindre son point d’atterrissage. Cette manœuvre est la première pour un véhicule de cette taille !

Malheureusement la descente ne fut pas maîtrisée jusqu’au bout et le Starship SN8 (Serial Number 8, numéro de série) s’est crashé au sol environ 6 minutes, 40 secondes après le décollage.

Selon SpaceX, les raisons du crash à l’atterrissage sont dues à « la basse pression dans le réservoir du collecteur de carburant pendant l’allumage des moteurs à l’atterrissage a conduit à une vitesse élevée résultant en un atterrissage dur (et excitant!)« 

Pendant le vol, SpaceX a surtout effectué plusieurs tests et récolté des données : poussée avec 3 moteurs, puis 2 (à 0’26 » de la vidéo) et enfin avec 1 seul (à 0’29 »), afin de tester les performances des 3 moteurs Raptor, puis retour sans propulsion pour la vérification des capacités globales de rentrée aérodynamiques du lanceur, avec ses ailerons orientables.

La continuité de tests évolutifs

Comme depuis le début de la Falcon 9 qui en est à sa 5e évolution, ou Block 5, SpaceX fonctionne de manière itérative : évolution du design en fonction des résultats de nombreux tests évolutifs.

Au cours de 2020, l’entreprise a effectué de nombreux tests au sol et deux tests en vol à basse altitude :

  • Le 6 février 2020, un test de réservoir a été testé jusqu’à la destruction mais avait passé ses exigences de pressurisation.
  • Le prototype Starship Mark 3, renommé SN1, a été détruit lors d’un test de pressurisation avec de l’azote liquide cryogénique le 28 février 2020. La cause da défaillance était une «rondelle» mal conçue, à l’endroit où les trois moteurs sont montés à la base du réservoir de méthane liquide.  Une correction a été apportée sur le SN2 et le 8 mars, il passe avec succès le test de pressurisation.
  • Le SN3 est détruit à son tour le 3 avril lors d’un nouveau test de pressurisation. Mais cette fois, l’échec n’est pas dû à un problème de fabrication mais de configuration de test comme cause.
  • Le 29 mai, le prototype SN4 est détruit lors d’une mise à feu statique d’un moteur Raptor. C’était son cinquième test moteur. Le problème était dû à une défaillance du système de déconnexion rapide de l’équipement sol plutôt qu’à un problème de conception du prototype.
  • SpaceX a effectué des tests de pression d’azote liquide avec le SN5 le 30 juin 2020. Il a réussi un premier « saut » de 150 m le 4 août 2020. 
  • Cela a été suivi d’un saut du prototype SN6 le 3 septembre 2020.
  • Le prototype de réservoir d’essai SN7 a été testé sous pression jusqu’à la défaillance le 23 juin 2020. 

Le Starship, un prototype en acier

Le Starship, c’est 50 mètres de haut (aussi qu’une Ariane 5) et un diamètre de 9 mètres (aussi large que le corps central et les 2 boosters d’une Ariane 5).

Le prototype Starship MK1 (à gauche) à côté de l’un des premiers étages de la fusée Falcon 1, et des hommes pour comparaison (Crédit : SpaceX via Twitter)

Le design du Starship comprend une structure en alliage d’acier inoxydable à base de chrome et de nickel (2 aciers référencés 301 et 304L sur le Starship SN8), moins cher que le composite de carbone précédemment prévu pour le lanceur. Cet alliage est notamment plus résistant à des chaleurs extrêmes.

Pour la fabrication de la structure, SpaceX n’a nul besoin d’équipements complexes, mais des installations assez standards pour des opérations de soudure, de réparations et de modifications.

A terme, le Starship devrait être recouvert de tuiles en céramiques hexagonales réutilisables pour faire face aux hautes températures (jusqu’à 2000°C) pour la rentrée atmosphérique.

Dans cette animation, vous pouvez voir les étapes de l’assemblage du Starship SN8 :

Le moteur Raptor

SpaceX développe pour le Starship (et la Super Heavy) un nouveau moteur : le Raptor.

À la différence du moteur Merlin qu’utilisent les Falcon 9 et les Falcon Heavy et qui fonctionne avec un mélange de kérosène et d’oxygène liquides, le Raptor utilise de l’oxygène et du méthane liquides, un mélange d’ergols dont la combustion n’est pas complètement maîtrisée à ce jour.

Le méthane liquide est le carburant envisagé par de nombreux moteurs en cours de développement (BE-4 de Blue Origin ou Promotheus d’ArianeGroup par exemple). Même s’il est moins puissant que l’hydrogène, il est beaucoup moins coûteux et facile à manipuler ; il est liquide à -161°C contre -253°C pour l’hydrogène. Cette température, proche de l’oxygène liquide (183°C), permet des simplifications dans l’architecture du moteur pour le stockage des deux ergols. En effet, il peut par exemple être utilisé pour pressuriser les réservoirs d’ergols, ce qui élimine le besoin de systèmes de pressurisation complexes et coûteux à base d’hélium par exemple. En outre, le méthane est six fois plus dense que l’hydrogène, il prend donc six fois moins de place.

Plus de détails sur l’architecture du moteur sur Wikipédia.

Dans l’usine SpaceX d’Hawthorne en Californie, voici 2 moteurs Raptor identiques qui seront utilisés sur le Starship. Seule la tuyère diffère. À gauche, un Raptor de base, à droite le Raptor utilisé pour l’étage supérieur pour un fonctionnement dans le vide. (crédit SpaceX)

Les réservoirs du Starship

Mise à jour 28/12/2020 : suite à une question sur la page Facebook, sur les réservoirs du Starship, je complète l’article.

Comme pour le reste de la structure, SpaceX est passé de réservoirs en composite à des tanks en acier. Les 2 zones de stockage principales du méthane et du LOX (oxygène liquide) ont une partie partagée appelée « Dome commun » [la partie basse en jaune sur le schéma ci-dessous].

Les différentes parties du Starship SN8 : la partie basse en jaune, le réservoir d’oxygène liquide, la partie haute en jaune + en vert, le réservoir de méthane (crédit Brendan Lewis)

Les petits réservoirs sphériques ou « header tank » [la boule blanche et la sphère en violet dans le schéma ci-dessus] permettent de stocker les carburants pour l’atterrissage retour sans avoir à pressuriser l’ensemble des ergols au décollage. Ils sont séparés afin d’avoir une meilleure isolation et de minimiser l’ébullition et éviter les ballottements à l’entrée des moteurs. 

Cette animation explique clairement comment cela fonctionne :

Boca Chica, le futur grand port spatial privé ?

Après avoir longtemps prévu de s’installer au Port de Los Angeles, SpaceX s’est finalement implanté en 2014 près du village de Boca Chica au Texas pour le développement de son nouveau gros lanceur. Une zone à la pointe sud-est du Texas avec un accès à la mer nécessaire pour les plans d’Elon Musk : décoller et atterrir depuis une plateforme off-shore.

Image 1 sur 2 du 10 décembre par le satellite WorldView-3 des installations de production et de lancement de SpaceX à Boca Chica, au Texas (crédit Maxar Technologies)

Mais cette installation n’est pas du goût des résidents historiques du village. Beaucoup de propriétaires ont vendu depuis quelques temps leur maison à SpaceX, mais les derniers réfractaires voient d’un mauvais œil les nouvelles constructions de SpaceX, les risques inhérents aux lancements, et les nuisances sonores continuelles en raison de l’activité 24h/24 sur le site [lire cet article en anglais].

Image 2 sur 2 du 10 décembre par le satellite WorldView-3 des installations de production et de lancement de SpaceX à Boca Chica, au Texas (crédit Maxar Technologies)

10 prototypes sont actuellement en cours de fabrication

Statut de construction des différents modèles de Starship au 27/12/2020 (crédit Bredan Lewis)

SN9 est désormais sur le second pas de tir. Un décollage avant la fin de l’année ?

Mars en ligne de mire

Sur le site web de SpaceX on peut y lire :

Le test en vol de SN8 est une prochaine étape passionnante dans le développement d’un système de transport entièrement réutilisable capable de transporter à la fois l’équipage et le fret sur l’orbite terrestre, la Lune, Mars et au-delà.

Le Starship, c’est en fait le second étage de l’ITS, Interplanetary Transport System (système de transport interplanétaire), présenté par Elon Musk, le fondateur de SpaceX lors du congrès de l’IAC en 2016, puis renommé en 2017 en BFR, Big Falcon Rocket. « Le chemin le plus rapide pour établir une ville pérenne sur Mars » selon Elon Musk lui-même qui n’a jamais caché son ambition d’atterrir sur Mars et d’y établir une colonie.

Starship sur Mars selon les rêves d’Elon Musk en 2017 (crédit SpaceX)

La BFR, un engin qui se veut réutilisable dans sa globalité, est constituée d’un premier étage, la Super Heavy, et d’un Starship configurable en version cargo ou équipage : 120 mètres de haut et 9 mètres de diamètre.

La BFR (crédit SpaceX)

La Super Heavy, c’est 70 mètres de haut et une masse de 4 400 tonnes. Equipée de 20 à 31 moteurs Raptor, la poussé délivrée serait de 5 400 tonnes. Ses réservoirs peuvent contenir 3 400 tonnes de carburant. Quatre « grid fins » (ailettes en treillis), en haut, permettent le contrôle aérodynamique lors du retour vers le sol pour un atterrissage contrôlé à la manière des Falcon 9 actuelles. Six jambes d’atterrissage enrobées et déjà dépliées complètent le lanceur.

La Super Heavy (crédit SpaceX)

Le Starship final devrait embarquer 7 Raptor au total. Il aurait une capacité d’emport de 100 tonnes. SpaceX le propose dans une version « équipage » et une version « cargo » ou lanceur de satellite, voire d’un télescope plus grand que le James Webb Telescope…

Starship version cargo selon SpaceX

La Lune d’abord ?

En attendant les vols orbitaux, très certainement d’ici 2021 ou 2022, SpaceX a déjà été sélectionné parmi les 3 candidats retenus par la NASA pour une proposition d’atterrisseur lunaire avec équipage pour la mission Artemis 3.

Pour cet atterrissage, 2 Starship seraient mis en oeuvre : une version ravitailleur de carburant lancée sur orbite terrestre basse, en utilisant le propulseur Super Heavy, et une version « équipage » qui effectuerait un rendez-vous avec le ravitailleur pour faire le plein, puis effectuerait une injection trans-lunaire sur l’orbite lunaire.

Le Starship lunaire selon SpaceX

La proposition finale de SpaceX sera examinée en février 2021 par la NASA, qui ne retiendra au final que 2 des 3 candidats présélectionnés. A suivre !

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