Antares (fusée)

Antares (anciennement Taurus II) est un lanceur américain capable de placer environ  en orbite basse développé par la société Orbital Sciences Corporation, L'entreprise fusionne en février 2015 avec Alliant Techsystems (ATK) et devient Orbital ATK jusqu'en juin 2018 ou elle renommée Northrop Grumman Innovation Systems, une filiale de Northrop Grumman.

Cette fusée est conçue pour lancer le cargo spatial Cygnus qui est chargé d'assurer une partie du ravitaillement de la Station spatiale internationale en pièces de rechange et consommables. La société a développé ce lanceur et le vaisseau cargo Cygnus après avoir été sélectionnée par la NASA dans le cadre de son programme Programme COTS dont l'objectif est de confier à des opérateurs privés une partie des tâches assurées par la Navette spatiale américaine jusqu'à son retrait en 2012.

Le lanceur comporte deux étages dans sa version standard. Le premier étage est pour l'essentiel construit en Ukraine et met en œuvre dans sa première version Antares-100 le moteur-fusée NK-33 développé pour le lanceur lunaire soviétique N-1. Le second étage issu du missile balistique Peacekeeper est déjà mis en œuvre sur le lanceur Taurus du même constructeur.

Le premier vol du lanceur Antares a  eu lieu le . Le , le cinquième vol du lanceur est victime d'une défaillance de la propulsion principale du premier étage, quelques secondes après le décollage. Le constructeur décide de remplacer le moteur NK-33 à l'origine de la défaillance du lanceur par un moteur également russe RD-181 plus puissant. Le premier vol du lanceur rebaptisé Antares-200 a lieu en . Une version allongée tirant pleinement partie de la nouvelle motorisation et baptisée Antares-300 est en cours de développement en 2023.

Contexte 

Le retrait de la Navette spatiale américaine décidé en 2004 et effectif en 2011 crée un problème de logistique pour la Station spatiale internationale. La NASA ne dispose plus à court et moyen terme de système de transport capable de ravitailler la station spatiale en consommables et en pièces de rechange. En 2006, la NASA lance un appel d'offres dans le cadre du programme COTS pour le transport de  de fret en soute pressurisée et non pressurisée jusqu'à la station spatiale. Deux sociétés sont retenues : SpaceX qui propose son vaisseau Dragon associé à son lanceur Falcon 9 et  qui propose son vaisseau Kistler K-1. Selon les termes de l'appel d'offres, la NASA finance une partie du développement tout en vérifiant que des jalons déterminés à l'avance sont bien franchis. Kistler Aerospace ne parvient pas  à réunir des capitaux suffisants et la NASA doit lancer un nouvel appel d'offres en 2008 au terme duquel la proposition de la société Orbital Sciences est sélectionnée face notamment à Boeing qui n'est pas retenu en raison de son coût. Orbital propose de développer le vaisseau Cygnus et le lanceur Taurus II (baptisé par la suite Antares). En , la NASA passe un contrat de 1,9 milliard $ avec Orbital Sciences pour que celle-ci transporte  de fret d'ici 2016 en effectuant 8 lancements de son cargo spatial.

Orbital, contrairement à SpaceX l'autre opérateur privé retenu, est déjà un acteur de premier plan dans le domaine spatial : il construit des satellites légers de tous types placés en orbite basse, des satellites de télécommunications pour l'orbite géostationnaire, des sondes spatiales ainsi que les lanceurs légers Pegasus, Taurus et Minotaur. Pour répondre aux besoins de la NASA Orbital Sciences choisit d'utiliser des composants préexistants en s'adressant à la fois à des industriels américains, russes et européens. Ce choix diffère totalement de l'approche de SpaceX qui développe des composants entièrement nouveaux sans avoir recours à la sous-traitance.

Caractéristiques techniques

Antares série 100 : la version initiale (2013-2014) 

La première version du lanceur Antares, la série Antares 100, est conçu pour placer 5 à  en orbite basse. Le modèle de base qui comporte deux étages a une masse d'environ  pour une hauteur de  et un diamètre de .

Premier étage 

Le premier étage est pour l'essentiel construit en Russie et met en œuvre pour la première fois le moteur-fusée NK-33 développé à la fin des années 1960 pour le lanceur lunaire soviétique N-1. Deux exemplaires de ce moteur propulsent cet étage du lanceur. Baptisés AJ26, ils sont dotés d'une avionique moderne par leur importateur américain, le constructeur Aerojet. Ce moteur qui consomme un mélange d'oxygène liquide et de kérosène fournit une poussée totale de  kN dans le vide ( kN au sol). Son impulsion spécifique est de 297 secondes. L'étage a une masse de , une hauteur de  pour un diamètre de .

Second étage 

Le second étage, dans la version standard du lanceur, est un étage Castor 30B  à propergol solide d'un diamètre de  pour une longueur de . La masse totale est de  et la masse à vide est de  kg. La poussée moyenne est de 293,5 kN et la poussée maximale de 395,7 kN. Le ratio d'expansion de la tuyère est de 76 et l'impulsion spécifique est de 304 secondes. Le temps de combustion est de 127 secondes. Cet étage a été développé pour le missile balistique Peacekeeper et a déjà été mis en œuvre sur le lanceur Taurus du même constructeur.

Coiffe 

La coiffe a un diamètre de  pour une hauteur de  et une masse de . Le lanceur peut placer une charge utile d'environ 5 à  sur une orbite basse et d'environ  en orbite héliosynchrone.

Configuration des versions de la série Antares 100 

Outre la version standard décrite, le lanceur Antares existe dans plusieurs configurations qui sont obtenues en utilisant une version plus puissante du deuxième étage et en ajoutant de manière optionnelle un troisième étage. Le Castor 30XL est une version allongée du Castor 10B ( de long pour une masse totale de ). Le troisième étage peut être à ergols liquides ou à propergol solide :
 L'étage à ergols liquides BTS est développé à partir du propulseur de la plateforme GEOStar commercialisée par Orbital. Les ergols utilisés sont l'hydrazine et le peroxyde d'azote et sont injectés dans le moteur grâce à de l'hélium sous haute pression.
 L'étage à propergol solide est de type STAR 48. Utilisé pour de nombreux types de satellites, il a une masse totale de  pour une masse à vide d'une peu plus de . Il développe une poussée moyenne de 68,6 kN durant 84,1 secondes. Il est stabilisé par rotation et la tuyère peut être inclinée de 4°.

Antares série 200 (2016-2023) 

 
Le remplacement du moteur du premier étage était prévu dès le début du développement du lanceur, du fait du stock vieillissant et limité du NK-33. Une version intermédiaire utilisant les moteurs d'origine mais et plus puissante baptisée Antares 130, devait être exploitée. Mais l'échec du vol Orb-3 utilisant pour la première fois l'Antares 130, remet en cause la fiabilité du moteur-fusée NK-33. Orbital Science modifie ces plans et annonce qu'elle n'utilisera plus ce moteur. Les lancements sont gelés durant 2 ans et le constructeur développe une nouvelle famille, baptisée Antares-200 qui utilise au niveau du premier étage un nouveau moteur beaucoup plus puissant, le moteur russe RD-181, une variante du RD-191 conçue pour remplacer le NK-33 sans changement structurel majeur du lanceur. Le premier étage en lui-même est conçu par le Bureau d'études Ioujnoïe de Dnipropetrovsk, en Ukraine.

Le moteur RD-181 

Le moteur  RD-181, dont deux exemplaires propulsent le premier étage de l'Antares 200 est développé par le motoriste russe NPO Energomash. Il s'agit d'une version export du RD-191 utilisée par la fusée russe Angara. Le RD-181 est un moteur-fusée à ergols liquides qui dérive du RD-170 mis au point pour la propulsion de la fusée géante Energia et utilisé depuis cette époque par la fusée Zenit (version RD-171). Alors que le RD-170 comporte 4 chambres de combustion le RD-181/RD-191 en comporte une seule et sa poussée est réduite en conséquence : 2085 kN dans le vide et 1920 kN au niveau de la mer. Le RD-181 est, comme son ainé, un moteur à combustion étagée qui brûle un mélange de kérosène et d'oxygène liquide. Grâce à cette architecture technique performante il dispose d'une impulsion spécifique élevée  de 339 s dans le vide et de 312 secondes au niveau de la mer. La poussée peut être modulée entre 47 et 105 % de la puissance nominale. L'orientation du moteur peut être écartée de 5 degrés de la verticale selon deux axes à l'aide de vérins hydrauliques utilisant les gaz produits par le générateur de gaz des moteurs, ce qui permet de contrôler la direction de la poussée et d'orienter la fusée en lacet et tangage.

Le moteur utilise un ratio combustible/oxydant différent de son prédécesseur et fournit une poussée plus importante. Aucun changement n'a été apporté à la taille des réservoirs du premier étage alors que celle-ci aurait dû être modifiée pour optimiser les performances du lanceur. Pour cette raison les moteurs ne fonctionnent pas à pleine poussée. Malgré cela, cette version du lanceur dispose d'une capacité améliorée de 20 % ( en orbite basse au lieu de 6 pour l'Antares 130). Afin de bénéficier complètement du surcroit de puissance le constructeur prévoit à terme d'allonger les réservoirs dans le cadre d'une nouvelle famille Antares 300.

Charge utile 

La charge utile est constituée par le cargo spatial Cygnus d'une masse à vide de , capable d'embarquer  de fret dans sa soute pressurisée. Le cargo dans sa version standard est long de  pour un diamètre de . Une version avancée du vaisseau cargo longue de  doit permettre de transporter  de fret.

Site de lancement 

Les premiers lancements s'effectue depuis la  base de lancement de Wallops Island de la NASA en aménageant le pas de tir de la fusée Conestoga. Cette base permet des lancements avec des inclinaisons moyennes ou nécessitant une vitesse de lancement élevée (orbite haute, sonde interplanétaire). Les bases de lancement de Vandenberg (orbite héliosynchrone), Cape Canaveral et Kodiak pourront être utilisées par la suite.

Historique

Développement du lanceur 
Le coût de développement initial du lanceur est évalué par Orbital à 130 millions de dollars. L'usine Motorostroïtel de la société russe Kouznetsov à Samara  fournit les deux moteurs NK-33 du premier étage. Le premier test en vol de son véhicule spatial était initialement attendu pour fin 2010.

Les premiers tests en banc d'essai du second étage démarrent le . En , Orbital Sciences et la société Aerojet, qui a acheté la licence du moteur NK-33 achèvent les tests au banc d'essais de celui-ci. En , le lanceur appelé Taurus II est rebaptisé Antares pour, selon le constructeur, établir une distinction claire avec le lanceur léger Taurus développé par la même société, mais sans doute, également pour éviter tout rapprochement avec cette fusée qui connait à l'époque plusieurs échecs. Le , un test à chaud de 29 secondes du premier étage est effectué sur la base de lancement de Wallops Island dans l'État de Virginie. Il permet de confirmer que les deux moteurs du premier étage se comportent comme prévu dans leurs spécifications.

Vol inaugural 

Le vol inaugural a lieu le  après deux reports successifs depuis la base de lancement de Wallops Island dans l'État de Virginie. Cette mission permet de tester le fonctionnement du lanceur qui n'emporte qu'une maquette simulant l'encombrement et la masse du vaisseau cargo Cygnus. Cette charge utile d'une masse de  comprend un ensemble de capteurs destinés à mesurer les conditions de vol : 24 thermocouples, 22 accéléromètres, 12 thermomètres numériques, 12 jauges de contrainte et deux microphones. Ce premier vol de démonstration est un succès. Une seconde mission Antares emportant le premier cargo spatial Cygnus fonctionnel pour un vol de démonstration à destination de la Station spatiale internationale a été lancée le .

Échec du  (octobre 2014) 

Le , le lanceur Antares, dont c'est le cinquième vol, s'élance de son pas de tir de Wallops Island pour la mission  de ravitaillement de la Station spatiale internationale. Peu après le décollage, les panaches de gaz expulsés par les moteurs s'épaississent. Douze secondes après le décollage, la partie inférieure du lanceur explose tandis que le reste de la fusée retombe sur la zone du pas de tir avant d'exploser à son tour.

La zone de lancement est fortement endommagée mais aucune victime n'est à déplorer. L'enquête devra établir l'origine de la défaillance des moteurs-fusées de type AJ26 qui propulsent le premier étage. En , un moteur de ce type, testé sur un banc d'essais, avait été détruit trente secondes après sa mise à feu. L'enquête réalisée à l'époque avait abouti à des mesures correctives qui avaient permis la reprise des vols.

Les premiers éléments de l'enquête indiquent que la défaillance d'une turbopompe d'un des deux moteurs-fusées du premier étage est sans doute à l'origine de la perte du lanceur. Les moteurs AJ26, qui propulsent le premier étage, sont des moteurs russes NK-33 construits au début des années 1970, dont il subsistait environ 150 exemplaires. Ils ont été remis en état et modernisés au niveau de l'électronique par le motoriste américain Aerojet. Les enquêteurs confirment que la perte du lanceur est liée à un problème de corrosion. Pour remplacer temporairement le lanceur indisponible et respecter l'échéancier du contrat COTS signé avec la NASA, Orbital décide de confier au lanceur Atlas V 401 le lancement de deux missions de ravitaillement de la Station spatiale internationale.

Remplacement du moteur AJ26 (2014-2016) 

Le remplacement des moteurs russes NK-33 du premier étage du lanceur Antares était prévue à terme dès le départ. La perte de la mission Orb-3 accélère seulement ce remplacement qui est désormais programmé en 2016. Plusieurs pistes sont étudiées comme la relance de la chaîne de fabrication en Russie ou la fabrication sous licence par Aerojet aux États-Unis. La question devient plus cruciale en 2014 avec le regain de tension entre la Russie et les États-Unis qui fait suite à la crise ukrainienne de 2013-2014. Ce contexte remet en effet en question les importations en provenance de la Russie dans des domaines jugés stratégiques comme la motorisation des lanceurs. Malgré les relations pesantes avec la Russie, Orbital choisit de remplacer le NK-33 par le moteur RD-181 développé par le même constructeur russe. Il s'agit d'une version adapté au lanceur du RD-191 qui développe une poussée de  au sol.

Vol inaugural de la version remotorisée Antares-200 (17 octobre 2016) 

Les installations de lancement de Wallops Islands, endommagées par l'explosion du lanceur qui s'est produite peu après le décollage, sont remises en état pour un cout de 15 millions de dollars américains. Les travaux s'achèvent dès . Le premier vol de la nouvelle version du lanceur (série 200), plus puissant, est planifié initialement mi 2016 mais est repoussé à plusieurs reprises jusqu’en octobre de cette année.

Le premier lanceur remotorisé dans la version à deux étages la plus performante (Antares 230) est lancé le  (23h40 TU) avec une charge utile constituée par un cargo spatial Cygnus transportant  de matériel à destination de la Station spatiale internationale. Le fret comprend  de matériel et pièces de rechange pour la station,  de provisions pour l’équipage et  d’équipements scientifiques, dont l’expérience Saffire 2. Celle-ci doit rester amarrée à la station spatiale jusqu’en novembre puis sera chargée d’environ  de déchets avant d'être larguée et de se désintégrer durant sa rentrée dans l'atmosphère de la Terre.

Le treizième et dernier tir de cette version a lieu le 2 août 2023 à 3 h 55 UTC.

Il doit être remplacé par l’Antares 300.

Liste des lancements effectués et planifiés

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes 
 Cygnus
 Programme COTS
 AJ26
 Falcon 9 : lanceur de capacité proche développé, également pour le programme SpaceX

Liens externes 
  Site officiel du lanceur
  Brochure du constructeur

Lanceur spatial des États-Unis
Orbital ATK
Northrop Grumman
Exploration de l'espace en 2012