Centaur (étage de fusée)

L'utilisation de l'hydrogène liquide, combiné avec de l'oxygène liquide, constitue le carburant le plus efficace pour une fusée, puisqu'il fournit entre 35 et 40 % de puissance supplémentaire que toute autre combinaison d'ergols[1]. Mais son utilisation représente un grand défi technique : pour le conserver liquéfié, il est nécessaire de le maintenir à une température inférieure à −253 °C (soit 70 °C de moins que l'oxygène liquide). À cette température, le métal des réservoirs devient cassant. De plus, la petite taille de la molécule d'hydrogène lui permet de s'infiltrer dans les micro-fissures des réservoirs et facilite les fuites. Malgré son potentiel reconnu, aucun constructeur astronautique ne s'était lancé, en 1956, dans la construction d'une fusée utilisant l'hydrogène.

Krafft Ehricke, un des ingénieurs venus d'Allemagne avec Wernher von Braun, est le premier à concevoir un étage de fusée utilisant l'hydrogène, en 1956. À l'époque, Ehricke est employé chez Convair, filiale de General Dynamics, constructeur de l'Atlas qui est le missile balistique intercontinental en cours de développement le plus ambitieux côté américain. L'ingénieur imagine d'ajouter à la fusée un deuxième étage de même diamètre, utilisant de l'hydrogène et de l'oxygène liquide, pour en faire un lanceur à usage civil. La structure de ce second étage reprend l'architecture mise au point par l'ingénieur d'origine belge Charlie Bossart pour la fusée Atlas : les réservoirs sont structuraux (c'est-à-dire qu'ils jouent à la fois le rôle de coque externe et de réservoir) et sont dépourvus de longerons : s'ils ne sont pas maintenus sous pression, ils s'effondrent sous leur propre poids. Cette technique de construction, délicate à maîtriser et relativement coûteuse, permet d'alléger au maximum le poids de la fusée. Les études sur le nouvel étage, baptisé Centaur[Note 1], sont initialement financées sur fonds propres par Convair[2].

La course à l'espace entre les américains et les soviétiques, déclenchée par la mise en orbite de Spoutnik 1, souligne la faiblesse des lanceurs américains, incapables de placer des charges lourdes en orbite. Elle attire l'attention de l'Armée de l'Air américaine sur l'étude d'Ehricke qui, en exploitant le potentiel de l'hydrogène, pourrait permettre de combler cet écart. Dans un tout autre domaine, l'US Air Force tente déjà d'exploiter le surcroît de puissance fourni par l'hydrogène pour la propulsion d'un avion espion prototype (projet Suntan), utilisant un turboréacteur consommant ce gaz. Les ingénieurs du constructeur américain de moteurs d'avions Pratt & Whitney, chargés de la propulsion, ont mis au point, en exploitant les caractéristiques de l'hydrogène liquide, une solution élégante, simple et efficace permettant de faire tourner la turbine amenant l'hydrogène dans la chambre de combustion tout en refroidissant les parois de celle-ci. Ehricke réalise que ce concept, appliqué à un moteur-fusée, simplifie énormément sa conception, tout en permettant de le rallumer en toute fiabilité dans le vide, même après un arrêt total prolongé. L'US Air Force passe un contrat de développement en août 1958 avec Ehricke et Convair, dont le montant est fixé initialement à 36 millions de dollars (42 millions avec le système de guidage et les installations de lancement). Le contrat stipule que six prototypes de fusées Atlas-Centaur doivent être développés en utilisant des moteurs développés par Pratt and Whitney. Le premier vol est fixé à janvier 1961[3].

L'étage Centaur est constitué de deux réservoirs ballons : le réservoir d'hydrogène, le plus volumineux, est situé au-dessus du réservoir d'oxygène. Entre les deux, une paroi double permet d'isoler sur le plan thermique les deux ergols, dont la différence de température atteint 70 °C. Le bâti, qui répercute la poussée des moteurs sur l'étage, est situé à l'intérieur du réservoir d'oxygène pour réduire la longueur de l'étage, ce qui contribue en retour à diminuer son poids. Pour limiter la montée en température de l'hydrogène, provoquée par l'échauffement aérodynamique durant la première partie du vol, quatre protections thermiques en fibre de verre sont apposées à l'extérieur du réservoir d'hydrogène et larguées par des charges pyrotechniques dès que la pression aérodynamique a suffisamment diminué. Deux moteurs RL-10, mis au point par Pratt & Whitney, propulsent l'étage[4]. Ils peuvent être rallumés lorsque Centaur et sa charge utile sont placés en orbite, ce qui doit permettre d'élargir la fenêtre de lancement des sondes spatiales et d'envisager la prise en charge complète des satellites géostationnaires[Note 2]. L'étage dispose de petits moteurs-fusées, prenant en charge le contrôle son orientation sur les trois axes, et d'un système de guidage qui lui permet d'assumer des missions complexes. Dans la première version, l'étage avait un diamètre de 3,05 m — une caractéristique qu'il conservera par la suite — pour une longueur de 9,10 m et pesait 15,8 tonnes au départ, pour une masse à vide de 1,6 tonnes, dont 320 kg d'isolation thermique larguée en altitude[5].

En juillet 1959, la NASA reprend la responsabilité du projet Centaur, qui relevait jusque-là de l'Armée de l'Air américaine. L'agence spatiale américaine, qui vient d'être créée à partir des structures existantes du NACA, a en effet vocation à gérer tous les projets spatiaux qui poursuivent des objectifs civils. L'US Air Force assure toujours le pilotage opérationnel du projet, tout en faisant ses rapports à la structure de la NASA chargée du développement des lanceurs, le centre de vol spatial Marshall, dirigé par Wernher Von Braun. L'étage Centaur et son moteur se retrouvent bientôt sur le chemin critique de plusieurs projets prioritaires.

• L'Armée de l'Air veut utiliser l'étage Centaur pour lancer ses satellites de télécommunications, car elle prévoit que leur masse croissante va prochainement dépasser les capacités de l'étage Agena utilisé jusqu'à présent.
• Von Braun, responsable du développement des fusées Saturn, s'est laissé convaincre, malgré ses fortes réticences initiales, de développer un étage propulsé par de l'hydrogène et a retenu à cet effet le moteur RL-10 en cours de mise au point pour l'étage Centaur.
• La NASA décide de confier aux futurs Atlas-Centaur le lancement des sondes spatiales, Mariner en 1959 et Surveyor en 1961, malgré le scepticisme affiché du Jet Propulsion Laboratory, chargé du développement de ces 2 programmes.

Les problèmes, soulevés à la fois par l'utilisation de l'hydrogène et une gestion du projet chaotique, se multiplient en 1960 et 1961 chez les constructeurs (le motoriste et Convair) : cela se traduit par un dérapage marqué du planning du projet, ainsi qu'une diminution des performances de l'étage par rapport à ce qui avait été annoncé. Le Centre Marshall, hostile au projet[Note 3] et accaparé par le développement de la fusée Saturn, n'assume pas son rôle de pilote. Fin 1961, la fusée Atlas-Centaur est installée sur sa rampe de lancement sur l'aire 36 de Cap Canaveral, mais les problèmes de conception qui affectent la structure[Note 4], les moteurs et le système de guidage, ainsi que la mise au point de l'intégration de l'étage Centaur avec le premier étage Atlas[Note 5], repoussent régulièrement le lancement[6].

Le lanceur à deux étages AC-1 (Atlas-Centaur 1) décolle finalement le 8 mai 1962 de Cap Canaveral. La fusée est détruite 52 secondes après le décollage par une explosion : les protections thermiques se sont détachées et l'hydrogène du réservoir est entré en ébullition, libérant par les évents existants une grande quantité de gaz qui a été enflammée par les flammes des moteurs du premier étage, déclenchant l'explosion du lanceur. L'affaire est jugée suffisamment grave pour déclencher une enquête du Congrès américain. Von Braun tente de faire annuler le projet, mais celui-ci est soutenu par la hiérarchie de la NASA. Pour assurer une gestion plus efficace du projet, la supervision du développement est confiée fin 1962 au Centre de Recherche de Lewis de la NASA (Cleveland, Ohio), qui a jusque-là joué un rôle pionnier dans le développement de la propulsion utilisant l'hydrogène. Celui-ci prend également en charge les évolutions de l'étage Agena, d'une conception plus classique et donc moins puissant[Note 6]. Cette réorganisation s'accompagne d'une injection de moyens humains et financiers importants chez le constructeur et dans l'agence spatiale, ainsi qu'une implication beaucoup plus forte de la NASA à toutes les étapes, en particulier en phase de test. Un équipement qui n'a aujourd'hui encore aujourd'hui aucun équivalent dans le monde, le Spacecraft Propulsion Research Facility (B-2), est construit à une centaine de kilomètres du centre de Lewis, pour permettre de tester le fonctionnement de l'étage Centaur dans des conditions simulant le vide.

Désormais situé sur le chemin critique du programme Apollo, pour son rôle dans le lancement des sondes Surveyor chargées d'évaluer la tenue du sol lunaire à la pression (incidence sur l'architecture du module lunaire), le projet passe en priorité nationale en décembre 1962, ce qui lui garantit une meilleure qualité de service de la part des sous-traitants. Abe Silverstein, responsable du centre Lewis, décide, pour limiter les risques, de supprimer dans une première version de l'étage la possibilité de rallumer le moteur, qui devient un vrai casse-tête technique avec l'emploi de l'hydrogène. L'équipe chargée du développement de la sonde Surveyor, au JPL, s'oppose fortement mais en vain à cette décision : cette restriction implique que les lancements effectués durant une grande partie de l'année, ne pouvant être recalés en orbite, sont susceptibles d'aboutir à un atterrissage durant la longue nuit lunaire, un traitement auquel la sonde risque de ne pas survivre. Les tests extensifs et l'implication des acteurs permirent de résoudre un grand nombre de problèmes techniques qui n'avaient parfois pas été détectés jusque-là[7].

Le 17 novembre 1963, l'Atlas-Centaur AC-2, aboutissement de travaux intensifs de dix-huit mois, est lancée de Cap Canaveral. L'importance de l'événement est soulignée par le fait que le président Kennedy se rend en personne sur le site de lancement quelques jours avant le lancement (il sera assassiné quelques jours plus tard). Le vol est un succès même si, pour sécuriser l'essai, les protections thermiques, normalement largables, ont été pour ce vol arrimées de manière définitive à l'étage Centaur. Il était temps, car, quelques mois plus tard, l'équipe de Von Braun faisait décoller avec succès une fusée Saturn I comportant un second étage propulsé par six RL-10 consommant de l'hydrogène, dont le développement avait démarré pourtant bien plus tard. Les télémesures indiquaient que le système de fixation de la protection thermique n'aurait pas tenu si le dispositif largable n'avait pas été supprimé : il fallait donc en revoir la conception. En avril 1964, le coût du projet était réévalué et fixé contractuellement avec Convair à 354 millions de dollars.

Le test suivant, AC-3, en juin 1964, est un échec à cause d'une défaillance du système hydraulique du premier étage du lanceur, mais les techniciens ont toutefois pu vérifier que le nouveau système de largage de la protection thermique fonctionnait. Le vol AC-4, lancé le 11 décembre 1964, met en évidence un problème de stabilisation de l'étage Centaur : une fois le moteur arrêté, l'étage se met à tournoyer de manière incontrôlée. Les ingénieurs de la NASA découvrent, en effectuant des tests au sol, qu'en impesanteur l'hydrogène liquide se plaque le long des parois et que les évents, réagissant mal, larguent à la fois les gaz résultant de l'évaporation progressive de l'hydrogène, mais également de l'hydrogène liquide, créant un couple de forces à l'origine des mouvements incontrôlés de la fusée. Le fonctionnement de l'évent est modifié et subordonné aux données fournies par un capteur détectant la présence de gaz ou de liquide. Le vol AC-5 s'annonçait prometteur, car toutes les difficultés semblaient avoir été aplanies. Le 3 mars 1965, le lanceur, après s'être élevé d'un mètre cinquante, victime d'une défaillance d'un capteur, coupe l'alimentation des moteurs, retombe sur le sol, et explose en détruisant une grande partie des installations de lancement sans faire de victimes : ce fut alors le pire accident au lancement de Cap Canaveral depuis sa création. Une deuxième aire de lancement, jouxtant celle détruite, fut rapidement mise en état pour le vol suivant (AC-6), fixé au 11 août. Le vol, qui emporte une maquette de la sonde Surveyor, se déroule sans incident, mais la dernière défaillance, même si elle n'est pas imputable à l'étage Centaur, attire les foudres de représentants du Congrès et de la presse américaine. Le programme Surveyor étant en retard, la NASA effectue un deuxième test du comportement de l'étage cryogénique lorsque celui-ci est placé en orbite et au repos. Malheureusement, le vol AC-8, lancé le 7 avril 1966, est victime d'une défaillance d'un des deux moteurs de l'étage Centaur[8].

Le 30 mai 1966, l'Atlas-Centaur AC-10 s'envola de l'aire de lancement 36B de Cap Canaveral en emportant la première sonde Surveyor 1 opérationnelle, qui pesait 939 kg. La NASA doutait de la réussite de la mission, car de nombreuses modifications de dernière minute avaient été effectuées sur la sonde. Mais le vol du lanceur, comme celui de Surveyor, se déroulèrent sans aucune anomalie[Note 7]. Le 20 septembre 1966 l'Atlas-Centaur AC-7, qui emportait la sonde Surveyor 2, effectua un vol parfait, mais ce fut la sonde qui connut une défaillance. Un dernier vol de test, AC-9, le 26 octobre 1966, emporta un satellite fictif pour valider la capacité des moteurs de l'étage Centaur à être rallumés après un séjour prolongé en orbite. La réussite du test mit un point final à la longue phase de développement de l'étage Centaur, qui entra désormais dans une phase de production. Cette phase est toujours d'actualité[9].

La première version développée, qui a été utilisée pour la mise au point de l'étage, porte la dénomination de Centaur C, en référence à la version du lanceur sur laquelle l'étage est monté : l'Atlas LV-3C. Cette version a été utilisée douze fois entre 1963 et 1966 (quatre échecs), dont sept pour sa mise au point (détaillée dans le paragraphe précédent) et quatre pour lancer les premières sondes Surveyor.

Les versions D et D1, qui diffèrent seulement par quelques détails dans l'électronique, ont été utilisées entre 1967 et 1983. Elles se caractérisaient, par rapport à la version précédente, par une impulsion spécifique légèrement améliorée et un nouveau calculateur. Les deux versions ont été produites à quarante-deux exemplaires. Elles ont permis de mettre sur orbite des satellites scientifiques lourds (HEAO, OAO), des sondes spatiales (Mariner 6-10, Pioneer 10 et 11, Pioneer Venus), et des satellites de télécommunications lourds des séries Intelsat IV et V.

La création de la version Atlas I du lanceur (les chiffres romains remplacent les lettres), s'accompagna d'une modernisation de l'étage Centaur. La nouvelle version, dite Centaur I, avait une masse à vide diminuée et son isolation thermique n'était désormais plus largable, tout en étant d'un prix de revient beaucoup plus faible. La poussée des moteurs augmenta d'environ 10 %, tandis que l'avionique fut modernisée, avec en particulier le remplacement des gyroscopes par des gyrolasers. Onze vols ont eu lieu entre 1991 et 1997, avec trois échecs dont deux imputables à l'étage Centaur.

L'étage Centaur 2 était associé à la version suivante de la fusée Atlas II. La poussée du moteur fut portée à 9 tonnes, tandis que l'étage fut allongé de 90 cm. La version 2A disposait d'une poussée encore légèrement améliorée. Ces deux versions furent produites à soixante-trois exemplaires, entre 1991 et 2004.

La version Centaur 3 permit de choisir le nombre de moteurs (1 ou 2) et fut rallongée de 2 m. Cette version de transition, qui préfigurait la refonte mise en œuvre sur l'Atlas V, vola à six exemplaires, entre 2002 et 2004.

L'Atlas V est une refonte complète du lanceur. Le premier étage est désormais propulsé par un moteur russe particulièrement performant, tandis qu'un jeu de propulseurs d'appoint permet d'obtenir des configurations permettant de placer de 12,5 à 20 tonnes de charge utile en orbite basse. Le deuxième étage est confié à une version baptisée Common de l'étage Centaur. Celui-ci reprend les modifications du Centaur 3. Quarante-sept exemplaires de l'étage ont volé depuis 2002 (au mois de septembre 2014)[10].

Dans les années 1970, la NASA avait besoin d'une fusée plus puissante que l'Atlas Centaur pour lancer les sondes spatiales Viking, particulièrement lourdes, et des sondes Voyager et Helios qui, elles, nécessitent une grande vitesse de départ. Pour répondre à ce besoin, le puissant lanceur Titan 3D fut associé à un étage Centaur D1. Il fut envisagé que l'étage Centaur allait effectuer un séjour de plusieurs heures en orbite avant d'être rallumé : pour cette raison, la protection thermique sur cet exemplaire n'était pas larguée. Le premier vol de la Titan 3E Centaur fut un échec mais ne remit pas en cause l'assemblage, dont on put vérifier en vol en grande partie le fonctionnement. Les vols suivants, qui eurent lieu entre 1974 et 1977, lancèrent les six sondes spatiales de manière nominale. Les deux sondes allemandes Helios, très légères, laissèrent une grande quantité de carburant non utilisé dans l'étage Centaur. La NASA en profita alors pour faire des tests après largage de la charge utile : l'étage Centaur fut rallumé à cinq reprises sans aucune défaillance, et on mit au point une technique de rotation de l'étage, qui permettait de réduire l'évaporation de l'hydrogène durant la phase de parking en orbite.

Au début des années 1980, les lanceurs traditionnels américains furent cloués au sol : désormais les satellites devaient être lancés par la navette spatiale. Mais celle-ci, pénalisée par sa masse, ne répondait pas aux besoins des satellites qui devaient atteindre des orbites hautes et des sondes, qui devaient être lancées à des vitesses élevées. Un étage de fusée dût donc être hissé en orbite par la navette avec le satellite, pour permettre à celui-ci de se placer sur l'orbite souhaitée. Un nouveau type d'étage Centaur, la version G, fut développée pour répondre aux besoins des satellites les plus lourds. Cette version avait un diamètre porté à 4,33 m au niveau du réservoir d'hydrogène, pour optimiser l'occupation de l'espace dans la soute, tandis que des modifications importantes furent réalisées pour rendre l'étage plus sûr, en particulier pour permettre la purge des ergols en cas d'interruption de la mission de la navette, avant son retour au sol. Deux versions, dotées de moteurs d'une puissance augmentée de 10 %, mais emportant une quantité d'ergols différente (13 tonnes et 20 tonnes) furent créées, pour répondre aux besoins divergents des deux donneurs d'ordres qui se sont partagé les coûts de développement, qui se montent à 286 millions de dollars : l'US Air Force (satellites de reconnaissance et de télécommunications) et la NASA (sondes spatiales, satellites scientifiques en orbite haute). Deux étages étaient prêts, pour le lancement des sondes spatiales Galileo et Ulysses, lorsque se produisit l'explosion de la navette spatiale Challenger, le 28 janvier 1986. L'accident amèna la NASA à réviser ses règles de sécurité, rendant caduc le développement du Centaur G : l'emport d'un étage à propulsion cryogénique dans la soute de la navette fut désormais jugé trop risqué[5] - [Note 8].

Ce développement n'était pas complètement perdu, puisqu'une version allongée du Centaur G, baptisée Centaur T, comme son homologue des années 1970, fut lancée à quatorze reprises par une fusée Titan, entre 1994 et 2004, pour placer en orbite des satellites de l'US Air Force[5].

Pour faire face au poids croissant des satellites géostationnaires, Boeing décida de développer deux lanceurs plus puissants que la Delta II, utilisant comme étage supérieur une version largement adaptée de l'étage Centaur. Deux versions, d'un diamètre de 4 et 5 m, reprenant la configuration du Centaur G, furent proposées. La poussée de la nouvelle version du moteur RL-10, qui était présent à un seul exemplaire sur l'étage, passa à 11 tonnes, en partie grâce à une tuyère extensible. Les réservoirs-ballons furent abandonnés au profit d'une structure rigide. Le premier lanceur, la Delta III, fut lancé à trois reprises (trois échecs) et sa fabrication fut abandonnée. La version suivante, la Delta IV, qui proposait une grande gamme de puissance en jouant sur différentes combinaisons de propulseurs d'appoint, a effectué 43 vols (actualisé en septembre 2022) avec un seul échec[11].

• (en) Virginia P. Dawson et Mark D. Bowles, Taming liquid hydrogen : The Centaur upper stage rocket (1958 - 2002), NASA, 2004, 289 p. (lire en ligne [PDF]).
• (en) Dennis R. Jenkins et Roger D Launius, To reach the high frontier : a history of U.S. launch vehicles, The university press of Kentucky, 2002 (ISBN 978-0-8131-2245-8).
• (en) J.D. Hunley, US Space-launch vehicle technology : Viking to space shuttle, University press of Florida, 2008, 453 p. (ISBN 978-0-8130-3178-1).
• (en) George P Sutton, History of liquid propellant rocket engines, American Institute of Aeronautics and astronautics, 2006 (ISBN 1-56347-649-5).