Les lanceurs européens face au défi du réutilisable - JEAN-MARC ASTORG DIRECTEUR DES LANCEURS CNES - Air and ...
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Les lanceurs européens face au défi du
réutilisable
JEAN-MARC ASTORG
DIRECTEUR DES LANCEURS
CNES
Conférence Palais de la Découverte 31 mai 2018
Contenu
1) Présentation du CNES
2) Introduction au monde des lanceurs
3) Les lanceurs européens d’aujourd’hui
4) Ariane 6 et Vega-C
5) Être réutilisable ou pas ?
6) Callisto, Prometheus et Ariane Next
8) Conclusions
2
NOS PROGRAMMES
ARIANE
DÉFENSE
5 Domaines
d’intervention
TÉLÉCOMMUNICATIONS
OBSERVATION
SCIENCES
3
2/ INTRODUCTION AU MONDE DES LANCEURS
4
Ariane 5 : un monstre de puissance
Quelques chiffres:
Masse au décollage: 800 tonnes
Poussée au décollage: 1500 tonnes
Puissance au décollage: 17 GW
(1/4 de la puissance nucléaire française)
2 minutes après décollage: 7000 km/h
En fin de mission: 36 000 km/h
Acceleration: 6 g
Tout automatique
Pas d’essais au sol représentatifs
5
Quelques définitions
LEO 300 to 1000 km SSO 800 km MEO 20 000 km
1kg-20 t 0.5 t- 4.5 t 1–2t
GEO 36 000 km
3–7t
GTO
200 km / 36 000 km
Escape
LEO: Low Earth Orbit Exploration
SSO: Sun Synchronous Orbit Institutional mission
MEO: Medium Earth Orbit
GEO: Geostationary Earth Orbit
GTO: Geostationary Transfer Orbit Commercial mission
6
Les missions d’exploration
Cislunar station
Comet/Asteroid
MARS
Rosetta
Exomars
MOON
MERCURY
Bepi Colombo
EARTH JUPITER
JUICE
Sun-Earth L2 Lagrange
point
> >JWST,
Herschel,
Planck,
Plato,
Euclid
7
3/ LES LANCEURS EUROPÉENS AUJOURD’HUI
8
Historique des lanceurs européens
Ariane 1-4 family: Ariane 5 family:
141 launches 97 launches (still counting)
Soyuz
After WWII, development of the
Véronique rocket, LRBA, SEREB 18 launches
Vega
10 launches
Soyuz
at the CSG
Launch ops & « Design Authority »
commerce H/O to progressivly handed over to
Arianespace industry
9
Le Centre Spatial Guyanais
Création en 1964, premier lancement en 1968
Une base de lancement moderne et idéalement
située:
Guyane 102°
Française
Lancements sur une large plage d’azimut
Latitude 5° Nord (proche équateur) Amérique
du Sud
Pas d’ouragans
10TODAY (2018) : Ariane 5, Soyuz and Vega
ARIANE 5 SOYUZ VEGA
98 launches In French Guiana 11 launches and success
83 success in a row 18 launches in a row
Net performance 4,9 t SSO 1.5 t PEO
into GTO: 1,62 t MEO
9,7 t
2017 objective:
9,9 t
2018 objective (PIC): 10,1 t
7 2 3
114/ ARIANE 6 ET VEGA-C
12Une compétition mondiale de plus en plus rude
A stable demand for the
number of classical
satellites
NEW NEEDS:
GTO+
sub GTO…
Constellations
etc.
Ariane 5:
limited cost reduction opportunities
No re-ignition capability (HM7b/ESC-A)
Ariane 5 less competitive
13Acteurs conventionnels
Angara 5 H3 GSLV Mark III Long March 5 Vulcan
~ 5 to 12T GTO ~ 2 to 6 T GTO ~ 4-5 T GTO ~ 6 to 14 T GTO ~ 5 to 13 t GTO
Khrunichev Mitsubishi ISRO CALT ULA
1st launch: 2014 1st launch: 2020 1st launch: 01/2017 1st launch: 11/2016 1st launch: 2020
Russia Japan India China USA
14
14Mais aussi de nouveaux acteurs
Richard Branson – Virgin Galactic
Space tourism & smallsat launch
Paul Allen – Microsoft,
Stratolaunch
Elon Musk – Paypal, SpaceX,
Tesla
Orbital Launch,
Manned & Cargo
Spaceflight
BE-4 engine
Jeff Bezos – Amazon, Blue Origin
15
15Une volonté politique : indépendance d’accès à
l’Espace
Earth observation, navigation, weather, science, defense, ISS servicing...
Europe’s need for independent
access to space
= 4 to 5 missions/an pour Ariane
16Ariane 6, Vega-C
17Le nouveau lanceur Ariane 6
A64 A62
62m tall
Fairing 20m height
Performance
About
50m for
Ariane 5 Dual launch system
A62 A64
SYLDA Ø 4.5m usable GTO GTO
SSO MEO
(Zp=250km) (Zp=180km)
Upper stage “ULPM” HLRs ≥ 4,5 t net ≥4.5 t net 1,7 t ≥10.5 t
5.40m
30t LOX-LH2
Vinci re-ignitable engine
18t thrust Maiden launch: July 2020
Fully operational capacity: 2023
Planned launch rate: five A62s and six A64s per
Lower stage “LLPM” year, including five institutional satellites
150t LOX-LH2
2/4 solid rocket boosters “ESR”
142t propellant
– single segment 350t thrust
Vulcain 2.1 engine
137t thrust
18Réduction des coûts d’Ariane 6
A62 A64
ARIANE 5
CADENCE
INNOVATION
DESIGN FOR
MANUFACTURING
6 launches/year 11 launches/year
~20 k$/kg GTO ~ 10 k$/kg GTO
19Un nouveau pas de tir en Guyane pour Ariane 6
May 2016: end of levelling works Oct. 2016
Tracking path
LEVELLING WORKS
Dec. 2016 Nov. 2017 March 2018
206/ REUTILISABLE OU PAS ?
21La réutilisation : une vieille idée
Buran space shuttle - launch in 1988
NASA Delta Clipper – 1990-1995
Reaction Engines SKYLON – pre dev. since 2010
22Qui s’est heurtée à la réalité économique
The regular maintenance operations on the
Space Shuttle: the big gap between theory and
reality
> 1 launch/week, 30 M$ launch cost 4-5 launches/year, 500 M$ to 1.5 B$ launch cost
Additional equipment,
and oversizing and
revalidation costs
Taking into account costs without a
return on investment into the equation
23Priorité: premier étage
Plus facile à récupérer
et plus grande valeur
First stage
reused =
~50%
of launcher cost
+
Cost of refurbishment
to be considered
24La récuperation n’est pas facile …
Re-ignitable engines in severity Grid fins aerodynamic control
SPACEX
FALCON 9
LAUNCH
PROFILE
Extendable « legs »
Aerothermal
interaction
Fine and quick control of
thrust level @ 30%
Complex control on landing: small thrusters + central motor
orientation + thrust level + algo guidance
25Return trajectories
A - Toss back (unwinged)
B – Reduced down range (unwinged)
booster stage brakes ballistic velocity
using main propulsion and then falls
down
on a barge
C – Gliding back (alias dead leaf)
(winged)
D – Ballistic (unwinged)
E – Rocket back (winged)
F – Fly-back (winged)
Climb phase
Return rocket motor propulsion phase
Back off propulsion phase
Return propelled engine phase
26Le challenge économique de la réutilisation
OPERATIONS SAFETY AVAILABILITY
ENVIRONMENT
ADD
STAGE COST
INFRASTRUCTURE REDUCTION
HARDWARE
27Modélisation économique avec marché actuel
.
Prix moyen marché
commercial F9+FH
Profitabilité maximale
avec semi-réutilisation
(environ 33 lancements
par an)
Profitabilité maximale
sans semi-
réutilisationApplication au contexte européen
Payload mass 5T LEO
3T GTO
10T GTO
Low energy High energy missions
INSTITUTIONAL & INSTITUTIONAL & COMMERCIAL
Market
COMMERCIAL MISSIONS MISSIONS
LEO GEO / Escape
Reusability
Reusable /expendable Expendable launches
strategy
launches
Lower
Stage
recovered
Stages/engines production rate: Stage
Revalidation Lower
medium to high stages
Number of reuse per stage: 4 maxi reuse
29Conclusions sur la réutilisation
• Réutilisation raisonnable: premier étage et pour certaines
missions (LEO) avec un gain global de 30%
• Nécessite un effort de développement très important en
concevant un système d’emblée réutilisable.
• Est d’autant plus économiquement intéressant et nécessaire
que la cadence de lancement est forte.
• Est compatible du maintien d’une production dans les usines
• Première étape: le moteur
test
30Les technologies clefs à développer:
• Réallumage premier étage en vol dans des conditions
particulières (contrôle attitude, ballotements ergols)
• Modulation de poussée du moteur
• Protection thermique moteur
• Pilotage et contrôle en vol du véhicule
test
31L’approche européenne
• Développer Ariane 6 comme étant la seule solution capable de
disposer d’un lanceur performant et économique en 2020 sur le
marché et bien adapté aux missions européennes
• Considérer la réutilisation comme une solution parmi d’autres
de réduire les coûts des lanceurs (ie impression 3D, smart
manufacturing etc …)
• Accélérer notre effort de préparation des lanceurs futurs,
notamment dans le domaine de la propulsion
• Se faire la main sur la réutilisation avec une approche
expérimentale
test
322/ LES ACTIVITÉS EUROPÉENNES
33POUR COMMENCER : UN BON MOTEUR
VULCAIN 2 MERLIN
PROMETHEUS
LOX/LH2 LOX/CH4 LOX/Kero
High ISP ~ 430s Less demanding than LH2 Simple, cheap and
Clean combustion Low coking & soot (950 K) lightweight engines
Tricky cryo (20 K) Denser than H2 (2.5 times, Dense fuel
80% of Kero bulk density) Deep throttabillity (thx
Big Tank Volume
Cryo, but semi cryo (90 K) pintle injector techno)
Pretty demanding Medium ISP ~ 350s Modest ISP ~ 310s
(T°, TP speed…) Coking & soot (560 K)
34Prometheus: d’abord moins cher, ensuite réutilisable
Lox methane propulsion
Engine Characteristics
AM technology
Thrust (vacuum) 1000 kN
Thrust modulation capacity
Fuel CH4 (methane) Reignition capacity
Oxidiser LOx (oxygen)
Reusable design
Throttling Capability 30% to 100 % thrust
Ultra low cost production
Reusability potential Up to 5
Ariane Next:
case of a full use
of Prometheus x1
Lower
ready in 2021 central core
recovered x7
x3 x3
35Un exemple possible d’application Ariane Next
~ 5 k$/kg GTO
x1
x7
Lower
central core
recovered
x3 x3
36Autres possibilités pour Prometheus
x1 x3 x 1-2 x7+1
Micro- Reusability
launcher demo / Liquid A6 evolution Ariane Next
booster
STANDARDIZED ENGINE + HIGH PRODUCTION CAPACITY
37La feuille de route du CNES
Operational
reusable
Small scale Large scale launcher
demonstrators demonstrator
< 2019 2020-21 2023-25
REAL SCALE
ENGINE
& DEMO
SCALED DEMO
ON FULL
MISSION
EARLY SANDBOX
APPROACH
Eagle & FROG Turbo CALLISTO THEMIS ARIANE NEXT
38Callisto: un démonstrateur de premier étage
réutilisable étudié par le CNES et le DLR
Design for demonstration Passengers Vehicles class:
of reusability experiments lift off mass = 3,4 t
Fairing 13,5m tall
Aerodynamic
devices
Flight software
LOX tank
LH2 tank /
Aft bay
Engine
class FSL=40 kN
GROUND SEGMENT
Launch from CSG
Landing legs
39Profil de mission Callisto
3-5 FLIGHTS Apogee 35 km 140 s
with the same vehicle Tilt over &
@ Kourou 200 s Boost back
Atmospheric Downrange 10 km
100 s Mach 1.4
re-entry
Complex flight profile
First hop tests in late 2020 Mach 1.5
and full flight envelope in
2021-2022
280 s: Landing boost
landing
REFURBISHMENT
40Themis avec Promotheus
Option
3 options à considérer #3
Option
#2
Option
#1
Ariane Next
1st stage scale
Ariane booster
Micro-launcher scale
1st stage scale
1 engine 3 engines 7 engines
Themis used as prototype of operational stage for future launcher?
41Une démarche par étapes Ariane
Next
2028-30
Ariane 6
Evolution
Demonstrators
2025-30
2023-25
Themis 2025-30
2020-21 2018-25
CSG NG
Callisto Black stage
< 2019 2020-21
Frog Prometheus
Eagle
428/ CONCLUSIONS
43Conclusions
Le développement et l’exploitation d’Ariane 6 est
une nécessité pour l’Europe avec la mise en
place d’une préference européenne pour lutter à
armes égales avec nos compétiteurs
Priorité pour le futur: la propulsion avec
Prometheus (bas coût et réutilisable)
Apprendre la réutilisation: Callisto et Themis
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