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Stations-services dans l’espace : Pourquoi ? Comment ?

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La dernière fois nous avons parlé du Delta-V, la “distance” pour aller à d’autres endroits dans l’espace. Nous avons également parlé de l’équation pour calculer la charge utile, de l’impulsion spécifique… Essayons de jouer avec ces notions pour en avoir une meilleure intuition, et comprendre l’utilité du ravitaillement.

Mais d’abord, qu’est-ce que le ravitaillement ? Je n’ai pas trouvé de traduction vraiment chouette, mais en anglais ça s’appelle le “refueling” ou “refilling”. Du coup avec les copains on parle de “reufiouling”. En gros ça consiste à faire le plein d’essence comme pour une voiture, mais avec une fusée et ses propergols (le truc qu’on jette en arrière pour avancer).

On peut faire ça de 3 façons :

1) Avec un dépôt en orbite : une station spatiale qui stocke des propergols, et qui attend notre fusée pour la re-remplir. Il faut évidemment qu’il soit sur notre chemin, sinon ça ne sert à rien 😅

La start-up américaine Orbit Fab a pour projet de construire un dépôt de carburant en orbite Terrestre. Ils ont développé une interface mécanique compatible avec de nombreux systèmes, et ont déjà fait voler des prototypes sur l’ISS. Les grands industriels et politiques Américains sont d’ailleurs en train d’étudier la nécessité de mettre en place une “réserve spatiale stratégique de propergols“.

2) Par un transfert direct de véhicule à véhicule, comme proposé par SpaceX pour le Starship. Il faut pour ça arriver à faire plusieurs lancements en quelques jours, un sacré défi.

SpaceX compte connecter plusieurs Starship entre eux pour transférer le carburant d’un véhicule à un autre. La NASA a décidé de travailler avec eux pour développer cette technologie, critique pour la réalisation de missions allant au-delà de l’orbite terrestre avec ce véhicule. SpaceX laissera peut-être un Starship en orbite pour faire office de dépôt, alors les deux concepts ne sont pas vraiment si différents.

3) Tout simplement avec “une station essence” à la surface d’un corps céleste comme la Lune, Mars… ou la Terre. Bah oui, à côté des pas de tirs il y a de quoi remplir la fusée, juste avant qu’elle décolle. 😛

Illustration par James Vaughan d’une base lunaire minant de l’eau dans les régions d’ombre permanentes du pôle sud de la Lune, comme celle proposée par l’étude Commercial Lunar Propellant Architecture de 2018 (une référence en la matière, sur laquelle on aura l’occasion de revenir !). L’eau minée est ensuite séparée en oxygène et en hydrogène pour produire des ergols et ravitailler des fusées.

Maintenant qu’on sait ce qu’est le ravitaillement et où on peut le faire : à quoi ça sert ?

L’équation des fusées nous dit que plus on veut aller “loin”* (le Delta-V augmente), plus il faut une grosse masse initiale pour avoir la même masse finale… et ça croit exponentiellement ! 😟

* c’est une différence en terme d’énergie (accélération), pas vraiment une distance.

Intuitivement, le côté exponentiel se comprend : le carburant qu’on utilise à la fin doit être accéléré lui aussi, car on l’a avec nous dès le début. Et du coup il faut plus de carburant, pour accélérer à la fois la charge utile mais aussi le carburant qu’on utilisera à la fin. C’est un effet boule de neige.

Rapport entre la masse initiale et finale d’une fusée à l’impulsion spécifique de 330 sec.

Comme ce n’est pas pratique de construire des fusées énormes, ce rapport entre la masse initiale et finale limite soit le Delta-V qu’on peut faire, soit la masse utile qu’on peut emporter.

C’est aussi pour ça que les fusées ont parfois plusieurs étages (enfin, chaque étage est une fusée qui est la charge utile de la fusée d’en-dessous) : plutôt que de transporter la masse sèche de toute la fusée jusqu’au bout, une fois que le carburant qui est dans le premier étage est utilisé, on s’en débarrasse et on continue avec seulement les étages suivants.

Ce qui nous intéresse, c’est évidemment la charge utile qu’on peut emporter à destination. Du coup il faudrait regarder l’équation dans l’autre sens. Une fusée, une fois conçue et construite, a une certaine masse sèche (sa structure), et peut contenir une quantité maximum de carburant (ses réservoirs). Pour une fusée donnée, la masse initiale est donc fixée. Plus on veut aller loin, plus la masse finale – et donc la charge utile – décroit.

Pas d’échelle, pas de titre… C’est juste pour comprendre la forme de la courbe.

Pour une fusée de 1500 tonnes (faut rêver grand), une impulsion spécifique de 380 secondes, un rapport entre la masse sèche et la masse de carburant de 12,5% (1 tonne de structure pour chaque 8 tonnes de carburant), et une mission nominale avec un Delta-V de 6000 m/s (assez pour aller simple depuis l’orbite basse terrestre vers Mars ou la surface de la Lune)…

Cela donne 1200 tonnes de carburant, 150 tonnes de structure, et 150 tonnes de charge utile. C’est bizarre comme ça tombe pile poil sur les premiers chiffres qu’avaient divulgués SpaceX pour le Starship. 😉

La courbe ressemble du coup à ça :

Charge utile vs. Delta-V pour une fusée de 150 tonnes capable de contenir 1200 tonnes de carburant.

Comment la lire, concrètement ?

➡️ Si on veut aller jusqu’à la Lune (6000 m/s), on peut emporter 150 tonnes de charge utile (l’axe vertical est gradué toutes les 100 tonnes).

➡️ Avec une réserve pleine de carburant (les 1200 tonnes), si on ne veut faire que 4000 m/s, on peut emporter 400 tonnes de charge utile.

En vrai le volume de la coiffe ne permettra sûrement pas d’amener 400 tonnes (à moins d’assembler la charge utile en orbite… sans coiffe), alors ça veut dire qu’on a pas besoin de remplir toutes les 1200 tonnes de carburant si on ne prend “que” 150 tonnes de charge utile car c’est le maximum qu’on arrive à charger dedans.

Pour savoir combien de carburant il faut pour transporter 150 tonnes à 2000 m/s, il suffit d’utiliser l’équation des fusées :

  • m0/mf = 1/exp(-DeltaV/(9,81 * ISP)) = 1,71
  • mf = 150 (charge utile) + 150 (masse sèche) = 300 tonnes
  • m0 = 1,71 * 300 = 513 tonnes
  • m0 – mf = masse de carburant = 213 tonnes

m0 = masse initiale, mf = masse finale, DeltaV = 2000, ISP = 380 🤓

Pour reprendre le code couleur de la dernière fois, voici comment évoluent la masse sèche (constante car c’est une fusée à 1 seul étage), la charge utile (max. 150 tonnes), et la masse de carburant (max. 1200 tonnes), contre le Delta-V.

Au-delà de 6000 m/s de Delta-V, la fusée ne peut pas stocker assez de carburant pour continuer à envoyer 150 tonnes de charge utile à destination. Si on veut aller plus loin, il faut emporter moins de charge utile. Au-delà de 8200 m/s, la charge utile est négative : c’est une mission impossible à réaliser avec cette fusée. Il faudrait la séparer en plusieurs étages ou optimiser sa masse sèche.

La partie plus claire de la masse de carburant représente la part de carburant utilisée pour accélérer la charge utile, la plus foncée représente la masse de carburant utilisée pour accélérer la masse sèche.


Quel rapport avec le ravitaillement ? Et bien à la vue de ces graphiques, on comprend un truc : si jamais on pouvait couper le trajet de 6000 m/s en 3 morceaux de 2000 m/s, en faisant un plein de 213 tonnes à chaque fois, on n’aurait besoin que de 213 * 3 = 639 tonnes de carburant pour amener nos 150 tonnes de charge utile à destination (au lieu des 1200 tonnes). On pourrais aussi faire une fusée plus petite, car elle n’aurait pas besoin de gros réservoirs capables de contenir 1200 tonnes. Elle serait plus légère (moins de masse sèche), et ce serait d’autant plus de charge utile qu’on pourrais emporter à chaque fois !

Pour des missions vers la surface de la Lune, 6000 m/s de Delta-V depuis l’orbite basse terrestre (LEO), il y a un endroit tout trouvé pour s’arrêter en chemin : le point de Lagrange n°1 du système Terre-Lune (EML1).

Les points de lagrange entre deux corps. Dans notre exemple, M1 représente la Terre et M2 représente la Lune.

Il existe un point à mi-chemin entre la Terre et la Lune où leurs gravités s’équilibrent. Cette région d’équilibre permet de se mettre en orbite autour d’un point de l’espace où il n’y a rien. 🤯

Depuis cet endroit, il est facile d’aller soit vers la Lune, soit vers la Terre. Le Delta-V pour y aller est à peu près comme l’orbite géostationnaire terrestre (GEO), pour laquelle il existe de nombreux lanceurs. Des lanceurs existants pourraient donc envoyer des charges utiles en EML1 moyennant de modestes modifications.

Si notre vaisseau pouvait faire le plein en EML1 sur le chemin de la Lune, cela couperais le trajet de 6000 m/s en deux tronçons de 3800 m/s et 2500 m/s. Le total est un peu plus grand (6300 m/s au lieu de 6000 m/s) car il y a des manœuvres supplémentaires comparé à un trajet direct, mais cela a l’avantage de “réinitialiser l’exponentielle” de l’équation des fusées. 👍

Un total de 531 + 287 = 818 tonnes de carburant sont nécessaires pour faire le trajet et amener 150 tonnes à destination, au lieu de 1200 tonnes.

C’est pour ça qu’il est intéressant de faire du transfert de carburant de véhicule à véhicule, ou de construire des dépôts de carburant en LEO, en orbite lunaire, ou ailleurs comme en EML1.

Les stations de production de carburant à partir de ressources locales sur la Lune et sur Mars suivent la même logique, car elles permettent de “réinitialiser l’exponentielle” entre le voyage aller et le voyage retour.


L’architecture mission du Starship en fait un véhicule “trop gros” pour beaucoup d’usages, ses réservoirs de carburant ne seront pas tout le temps remplis au maximum. Sa capacité de transport supérieure à 100 tonnes en fait un véhicule de colonisation et de transport de masse. C’est à la fois un “deuxième étage” réutilisable et un atterrisseur. SpaceX mise sur ses méthodes de production à la chaîne et sur la réutilisation pour atteindre des coûts de transport (très) faibles, et pouvoir faire voler son véhicule sans l’utiliser au maximum. Il sera surdimensionné pour beaucoup d’usages, mais s’il est moins cher, quelle importance ?

Cela n’a rien à voir avec la façon dont on conçoit les fusées aujourd’hui, car on optimise tout au maximum. Pourtant ce n’est pas le cas des avions ou des voitures qui voyagent souvent partiellement à vide.

En tous cas, le Starship est un véhicule qui est fait pour Mars, dimensionné pour revenir de Mars sans avoir besoin de premier étage. Donc cela laisse de la place pour des concurrents qui feraient des véhicules optimisés pour d’autres segments, par exemples des trajets LEO-Lune, ou LEO-EML1, ou EML1-Lune, … etc !

Dans sa présentation “Making life multiplanetary” de 2017, Elon Musk explique comment le ravitaillement permet d’étendre la portée du Starship et de sa charge utile depuis l’orbite basse terrestre vers Mars (27m2s).

Pour terminer cet article, un dernier point important.

Vous l’avez peut-être déjà compris, mais plus on ravitaille une fusée tôt dans son trajet, et plus on ravitaille souvent, mieux c’est.

L’orbite basse terrestre (LEO) est déjà à 9500 m/s du sol… Et ce n’est pas possible de s’arrêter avant (sans retomber) ! C’est pour ça que c’est le meilleur endroit pour faire un dépôt de carburant ou du ravitaillement de véhicule à véhicule. Si on peut en faire d’autres plus loin, c’est mieux, mais déjà en LEO ça changerait tout.

Un dépôt de carburant en orbite basse terrestre, par Bryan Versteeg.

La majorité de la masse qu’on envoie en orbite, c’est du carburant. Si nous avions un dépôt de carburant en LEO, les fusées pourraient emporter plus de charge utile, plus loin.

Un dépôt de carburant rendrait la masse de lancement en LEO fongible. Cela veut dire qu’on pourrais plus facilement échanger une tonne en LEO contre une autre. On pourrais lancer la charge utile sur un vol, et le carburant pour la propulser avec un autre. Il pourrais y avoir des missions sans charge utile, uniquement destinées à ravitailler le dépôt, et des missions avec une grosse charge utile, sans carburant mais qui prévoient de se recharger au dépôt. Cela favoriserait les prix de gros et les gros lanceurs (les grosses fusées sont plus efficientes). La concurrence ferait réduire encore plus les coûts d’accès à l’espace. Le carburant c’est du carburant, peu importe qui le lance, alors cela faciliterais aussi les coopérations internationales.

Mais surtout: on pourrais faire des missions ambitieuse avec des lanceurs de classe moyenne. Plus besoin obligatoirement de méga-fusées. Cela veut dire que des pays de taille modeste pourraient aussi en faire, et pas seulement les superpuissances.

Ariane 6 a un deuxième étage (ULPM) beaucoup plus gros que Ariane 5 (ESC-A): il peut contenir 31 tonnes de carburant, contre 14 tonnes pour celui d’Ariane 5. C’est particulièrement synergique avec un dépôt en LEO, car si on pouvais ravitailler les 31 tonnes de carburant de l’étage supérieur d’Ariane 6, on pourrais envoyer environ 27 tonnes en TLI (trajectoire d’intersection avec la Lune), contre 8,5 tonnes prévues aujourd’hui.

C’est autant que la méga-fusée SLS block 1 avec laquelle les Américains lancent leur programme Artemis. On n’a pas de lanceurs comme ça en Europe, car on n’a pas 15 Mds € à investir dedans. Avec du ravitaillement, pas besoin d’autant !

C’est aussi une porte ouverte vers la réutilisation, autre vecteur de réduction des coûts. Si on peut recharger une fusée, pourquoi s’en débarrasser à chaque fois ? Une fois vide, on la recharge, et c’est reparti pour un tour. Une fois cette technologie développée, je pense qu’on verra beaucoup plus de deuxième étages réutilisables utilisant des technologies comme IVF de ULA, voir même des deuxièmes étages convertis en atterrisseurs comme le XEUS.

Le ravitaillement aura un impact gigantesque sur la façon dont on conçoit et utilise les engins spatiaux, alors même si c’est aujourd’hui une technologie qui est encore en développement, dans une optique de développement durable dans le système solaire, c’est avec ce paradigme qu’il faut réfléchir. Prévoir aujourd’hui des systèmes qui pourrons s’adapter à ce changement, comme la fusée Ariane 6 et son gros deuxième étage, c’est bien joué !

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