La NASA veut catapulter du matériel en orbite avec une “fronde spatiale”

En novembre dernier, nous vous parlions de SpinLaunch, une entreprise qui veut utiliser la force centrifuge pour faciliter la mise en orbite de petites charges. Apparemment, le concept a beaucoup intrigué la NASA; l’agence spatiale américaine a donc signé un partenariat avec la firme. Ils vont désormais tester ensemble la viabilité d’un tel système dans le cadre de certaines opérations de routine, en particulier celles qui visent l’orbite basse.

Conceptuellement, l’idée de SpinLaunch est étonnamment simple. Il s’agit d’abord d’enfermer la charge à satelliser dans le Suborbital Accelerator Launch System (SALS). C’est une énorme chambre à vide circulaire qui fonctionne comme une enclave d’accélération.

Une véritable fronde spatiale

Une fois à l’intérieur, l’ensemble est mis en rotation autour d’un axe. Grâce au vide qui règne dans la chambre, l’engin peut ainsi accélérer jusqu’à des vitesses phénoménales en toute tranquillité, sans devoir lutter contre la friction générée par les molécules de gaz de l’atmosphère.

Quand une vitesse suffisante est finalement atteinte, la charge est désolidarisée de l’axe; à cause de toute l’énergie cinétique accumulée lors de la première phase, l’engin se retrouve catapulté à une vitesse prodigieuse à travers la cheminée – exactement comme un caillou projeté par une fronde. La seule différence, c’est que cet objet partira beaucoup plus haut et plus vite. D’après SpinLaunch, le projectile pourrait théoriquement dépasser les 8000 km/h sans problème.

Le concept pourrait sembler farfelu, mais il ne s’agit pourtant pas d’une lubie tout droit sortie de la science-fiction. SpinLaunch l’a d’ailleurs démontré lors d’une preuve de concept assez impressionnante en octobre 2021. Avec son prototype A-33, elle était parvenue à expédier un projectile de 3 mètres de long à plusieurs kilomètres d’altitude en l’accélérant à plus de 1600 km/h grâce à la seule force centrifuge. Et l’engin n’opérait qu’à 20% de ses capacités !

Autant dire que les accélérateurs de SpinLaunch ont encore de la réserve… et il ne s’agit pourtant que d’un début. L’enclave actuelle est déjà impressionnante, avec ses 33 mètres de diamètre. Pourtant, elle est assez ridicule par rapport au monstre que prévoit d’assembler SpinLaunch. Son objectif est de produire un SALS presque trois fois plus grand, avec 90 mètres de diamètre. Elle pourrait ainsi envoyer des objets encore plus lourds encore plus haut.

Limiter les contraintes liées au décollage

En conditions réelles, ce SALS ne se suffira cependant pas à lui-même. Son rôle sera de l’accélérer un engin pour le rapprocher de la frontière de l’espace. C’est une contribution loin d’être négligeable; elle facilitera immensément la mise en orbite en permettant d’esquiver les principales contraintes logistiques liées au décollage.

En effet, pour mettre un engin en orbite, celui-ci doit répondre à deux critères; il doit suivre la bonne trajectoire, mais surtout voyager à une vitesse très élevée et bien précise. Il peut alors atteindre un équilibre quasi parfait entre les forces qui éloignent l’objet de la Terre et la gravitation qui l’en rapproche; on parle alors d’orbite.

Pour permettre à un objet atteindre cette vitesse, il faut évidemment lui transmettre une certaine quantité d’énergie qui dépend directement de sa masse (voir la notion de Delta-v pour plus de détails). Habituellement, c’est la fusée qui s’en charge elle-même à l’aide d’un moteur-fusée.

Mais les fusées sont alors confrontées à un problème que connaissent bien les randonneurs. Pour partir loin, il faut emporter un sac à dos rempli de ressources; mais celui-ci a tendance à peser très lourd, surtout au début du voyage. Et cela peut être épuisant.

C’est pareil dans une fusée; il faut pouvoir “porter” le cœur du véhicule, mais aussi tout le carburant nécessaire pour l’ascension. Et celui-ci pèse excessivement lourd; par exemple, ces combustibles représentent jusqu’à 91% du poids total d’une fusée russe Soyouz !

En pratique, cela signifie que la majorité du carburant ne sert pas à propulser la charge utile en elle-même, mais plutôt le reste du carburant qui sera consommé pendant la montée. De plus, lorsque le véhicule est proche du sol, il doit lutter encore davantage pour vaincre les forces gravitationnelles qui le tirent inexorablement vers le bas; plus on part d’un point proche du niveau de la mer, plus il faut augmenter la puissance du système.

Un système plus propre, économique, et logistiquement très intéressant

Tout l’enjeu, c’est donc de limiter la quantité d’énergie que le véhicule doit produire lui-même, et par extension la quantité de carburant qu’il doit emporter. Et c’est précisément à quoi sert ce SALS. Dans un premier temps, il n’y aurait plus besoin d’augmenter exponentiellement la quantité de carburant simplement pour… transporter le reste du réservoir.

Cela présente plusieurs intérêts évidents au niveau de la logistique, des coûts opérationnels, et (éventuellement) de l’environnement. Grâce à l’énorme accélération fournie par le SALS, SpinLaunch affirme qu’il serait possible de réduire la quantité de carburant nécessaire à la mise en orbite de plus de 70%. Le coût total du lancement pourrait même être divisé par dix.

De plus, un SALS se repose sur un moteur électrique. Il permet donc d’esquiver la phase de remplissage des réservoirs et deprocéder à de très nombreux lancements dans un intervalle de temps relativement court. SpinLaunch se positionne donc comme un système propre, économique, et particulièrement bien adapté aux opérations de routine en orbite terrestre basse.

Un futur standard des opérations en orbite basse ?

Mais ce système n’est pas exempt de contraintes pour autant. La première, et la plus évidente, c’est que l’engin va forcément être soumis à des forces absolument colossales lors de cette phase d’accélération initiale. Cela signifie qu’en l’absence d’une solution révolutionnaire, notre pauvre corps d’être humain serait rapidement réduit à l’état de vulgaire marmelade sanguinolente. Le SALS sera donc réservé à des charges utiles capables d’encaisser des dizaines de G.

Malgré ces limites, la NASA considère tout de même qu’il s’agit d’une piste très intéressante dans le contexte actuel, où l’accès à l’espace se démocratise à toute vitesse. En effet, il semble évident que ces lancements de routine vont continuer à devenir de plus en plus fréquents. Il devient donc urgent de développer des systèmes de lancements mieux adaptés que le traditionnel moteur-fusée; et la proposition de SpinLaunch constitue l’une des pistes les plus prometteuses à ce niveau.

Il sera donc très intéressant de suivre l’avancement de cette collaboration. Si elle se passe bien, nous pourrions progressivement assister à un vrai changement de paradigme du côté des lanceurs légers. RocketLab, le spécialiste actuel des lancements de charges légères, n’a qu’à bien se tenir !

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