50 ans sur la Lune : Deux lignées de moteurs cryotechniques

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Un moteur J-2 en préparation. Crédit : Nasa.
EN ACCÈS LIBRE – Le succès d’Apollo doit énormément à la maîtrise acquise par les motoristes américains dès le début des années 1960 dans le domaine de la propulsion cryotechnique. Les moteurs RL10 et J-2 ont rendu la Lune accessible et leurs évolutions actuelles doivent permettre d’y retourner.

Lorsque l’exécutif américain fixe l’objectif d’atteindre la Lune en neuf ans, en mai 1961, il ne part pas d’une feuille blanche. Créée deux ans et demi plus tôt, la Nasa s’est lancée en 1959 dans une vaste revue d’effectifs et d’objectifs pour identifier les technologies à développer en priorité et qui rendront possibles une grande variété de programmes. À ce moment, ceux-ci restent encore à décider.

Parmi ces technologies figurent les moteurs cryotechniques dont la puissance va faire défaut aux Soviétiques jusqu’à la fin des années 1980. Un moteur est déjà en développement, dans la gamme des 100 kN de poussée. Un second, dix fois plus puissant, se révèle rapidement nécessaire. Conçus pour équiper des étages supérieurs, ces moteurs seront rallumables pour plus de souplesse dans la réalisation des missions. Pour éviter les monopoles, deux industriels différents sont retenus, aussi bien pour les moteurs que pour les étages.

Pratt&Whitney, pionnier du cryotechnique

Le motoriste aéronautique Pratt&Whitney s’est lancé dans la propulsion fusée en 1956. Conscient d’arriver après Rocketdyne, Aerojet et Reaction Motors, il décide de se différencier de ceux-ci en s’intéressant aux ergols à haute énergie, dont l’utilisation complexe n’a pas encore été explorée par ses concurrents. Le concept d’un moteur à oxygène et hydrogène liquide est proposé à l’US Air Force, chargée des missiles à longue portée. Celle-ci n’en voit pas l’intérêt jusqu’au lancement de Spoutnik.

Lancement de la première sonde Surveyor sur Atlas Centaur le 30 mai 1966 pour le premier alunissage américain en douceur le 2 juin. Crédit : Nasa.

Associé à Convair, qui développe le missile Atlas à San Diego en Californie, Pratt&Whitney est sélectionné en août 1958 par l’Arpa (Advanced Research Projects Agency, l’actuelle Darpa), qui vient à peine d’être créée par l’administration Eisenhower, pour développer l’étage supérieur Centaur et son moteur XRL-115. Le contrat est signé le 15 janvier 1959. Développé par Pratt&Whitney à West Palm Beach, en Floride, ce premier moteur cryotechnique au monde est mis à feu pour la première fois en juillet 1959.

Le moteur est rebaptisé RL10 en 1961 lorsque la Nasa récupère le programme. Dans un premier temps il propulse l’étage Centaur qui équipe le lanceur Atlas à partir de 1962 et enregistre son premier succès le 27 novembre 1963, cinq jours après l’assassinat de John F. Kennedy. Les premières missions opérationnelles de l’Atlas Centaur consistent à expédier vers la Lune les atterrisseurs Surveyor, développés par Hughes Aircraft (aujourd’hui Boeing) qui réalisent cinq alunissages en douceur de juin 1966 à janvier 1968. En marge des missions Apollo vers la Lune, l’Atlas Centaur va aussi envoyer trois sondes vers Mars, dont la première à se mettre sur orbite autour de la planète rouge (Mariner 9 en 1971), ainsi que les premières sondes à survoler Jupiter (Pioneer 10 en 1972) puis Saturne (Pioneer 11 en 1973).

Le RL10 est retenu par la Nasa pour propulser l’étage S-4 de la famille Saturn dont la réalisation est confiée à Douglas en avril 1960. Chaque étage comporte six moteurs. Six vols sont réalisés, tous avec succès, de janvier 1964 à juillet 1965.

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L’étage S-4 du lanceur Saturn 1 SA-9, avec ses six moteurs RL10. Crédit : Nasa.

Plusieurs générations d’étages Centaur et de moteurs RL10 desservent l’orbite géostationnaire sur Atlas jusqu’à l’apparition de la concurrence européenne avec Ariane. Montés sur des lanceurs Titan de Martin Marietta à partir de 1974, ils lancent les sondes Helios vers le Soleil, Viking vers Mars, Voyager vers les planètes géantes, Galileo vers Jupiter et Cassini vers Saturn. Introduits sur les Delta de Boeing en 1998, ils propulsent toujours aujourd’hui les étages Centaur d’Atlas 5 et leurs équivalents sur Delta 4. Le moteur à également été retenu pour l’étage supérieur du lanceur OmegA de Northrop Grumman.

Le RL10 équipera aussi les étages supérieurs du lanceur lunaire SLS, initialement développés à partir des étages supérieurs du Delta 4.

L’étage supérieur intérimaire du SLS, qui propulsera la capsule Orion EM-1 vers la Lune, a été livré par ULA. Le moteur RL10 est à droite sous sa protection rouge. Crédit : ULA.

Un motoriste et plusieurs étagistes

Convair (Consolidated-Vultee Aircraft), qui était une division de General Dynamics depuis 1953, disparaît progressivement au profit de sa société mère. Si la division continue d’exister officiellement jusqu’en 1996, la marque Convair est abandonnée en 1965. La division est vendue à Martin Marietta en 1994 avant la fusion qui créée Lockheed Martin en 1995. Les activités dans le domaine des lanceurs sont transférées vers United Launch Alliance, coentreprise créée avec Boeing, en décembre 2006.

De son côté Pratt&Whitney fait partie depuis les années 1930 du consortium United Aircraft, au côté, notamment du fabricant d’hélicoptères Sikorsky. United devient United Technologies Corp. (UTC) en 1975 et entame une diversification de ses activités en rachetant notamment le fabricant d’ascenseurs Otis. Pratt&Whitney est l’une des rares entités au sein de UTC à ne pas être cédée pendant les 34 années qui suivent et devrait même survivre à la fusion avec Raytheon annoncée en juin 2019.

La puissance par Rocketdyne

Un moteur plus puissant, dans la gamme des 900 kN de poussée, et plus fiable, en vue de vols habités, est envisagé pour la montée en gamme des lanceurs Saturn. Le motoriste californien Rocketdyne, de Canoga Park, près de Los Angeles, est sélectionné le 1er juin 1960 pour développer le moteur J-2. Le contrat suit trois mois plus tard.

À cette époque Rocketdyne est un motoriste déjà reconnu dans la propulsion fusée puisqu’il fournit les moteurs des missiles balistiques Jupiter de Chrysler, Thor de Douglas et Atlas de Convair, qui carburent tous au kérosène et à l’oxygène liquide. Par ailleurs, depuis 1957, il développe à l’initiative de l’US Air Force le moteur géant F-1 (7 500 kN de poussée) qui est retenu en 1959 pour le premier étage des lanceurs Saturn lunaires.

Installation des moteurs F-1 à la base du premier étage de la Saturn 5. Crédit : Nasa.

Le J-2 est mis au banc dès octobre 1962 et propulse l’étage S-4B de Douglas, sur les Saturn 1B et Saturn 5 entre février 1966 et juillet 1975. Alors qu’avec l’arrivée de la navette spatiale le F-1 restera un géant sans suite, les succès des moteurs cryotechniques RL10 et J-2 est tel qu’ils engendrent de nombreuses évolutions.

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L’étage S-4B de la mission Apollo 9, avec son moteur J-2. Crédit : Nasa.

Les tribulations industrielles d'un motoriste

Rocketdyne connaît pour sa part un parcours plus mouvementé. Initialement une division de North American Aviation, l’entité a été filialisée en 1955. Lorsque North American fusionne avec Rockwell en décembre 1967, le motoriste suit le mouvement. Les activités aéronautiques et spatiales de Rockwell sont rachetées par Boeing en décembre 1996, ce qui amène la création de la division Boeing Rocketdyne. En 2005, le motoriste est revendu à UTC et devient Pratt&Whitney Rocketdyne, une division de Pratt&Whitney pendant douze ans. En 2013, la division est cédée à GenCorp qui la fusionne avec sa propre division de propulsion spatiale, Aerojet, pour former Aerojet Rocketdyne.

Tout au long de ce périple, Rocketdyne va garder le contrôle des évolutions du J-2. Celui-ci donne naissance à nombre de projets – en particulier avec des tuyères « aerospike » pour le démonstrateur de navette monoétage X-33 en 1996-2001 – jusqu’au J-2X envisagé pour les étages supérieurs des lanceurs Ares du programme lunaire Constellation en 2007-2014.

De la Lune à la Lune en passant par la navette

De 1965 à 1968, une évolution du J-2 avec une poussée de 1 400 kN, le HG-3, est étudiée par Rocketdyne pour la suite du programme Apollo. À partir de 1970, cette version va servir de base au développement d’un moteur réutilisable de 2 200 kN de poussée, le SSME (Space Shuttle Main Engine) dont trois exemplaires équiperont l’orbiteur de la navette spatiale, lui-même développé par North American Rockwell.

Un moteur RS-25 (ex-SSME de la navette) sur le point d’être monté au banc au centre spatial Stennis de la Nasa, dans le Mississippi. Crédit : J. Guidry – Nasa.

Après l’arrêt de la navette, en 2011, les SSME ont été récupérés et rebaptisés RS-25. Modernisés, retestés et requalifiés, ils équiperont le premier étage du lanceur géant SLS pour le retour vers la Lune dans le cadre du programme Artemis. Les seize exemplaires disponibles devraient donc permettre de réaliser quatre missions. Après cela le SLS sera équipé de RS-25 simplifiés, spécialement produits pour chaque vol.

La lignée du J-2 ne s’arrête pas là. Dans les années 1990, en se basant sur le J-2 et le SSME, Rocketdyne a développé le RS-68 dont la poussée peut atteindre 3 500 kN et qui équipe depuis 2012 le premier étage des lanceurs Delta 4 de Boeing, dont celui qui a servi au premier vol d’essai inhabité de la capsule lunaire Orion le 5 décembre 2014.

RS-25 SLS
Les moteurs RS-25 qui propulseront le premier modèle de vol du SLS ont été livrés à Michoud le 27 juin 2019. Crédit : Aerojet Rocketdyne.

Retour à notre série : Apollo, un héritage industriel cinquantenaire.

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