Rotary Rocket

L'idée initiale de Gary Hudson et de Bevin McKinney était de fusionner les concepts de la fusée et de l'hélicoptère : des pales tournantes, alimentées par un mélange oxygène-kérosène, auraient lancé le véhicule lors de la première phase ascensionnelle. Une fois la pression de l'air amoindrie au point que le vol d'hélicoptère ne serait plus praticable, le véhicule aurait continué grâce à son moteur fusée, le rotor agissant alors comme une turbopompe géante[1].

Des calculs ont montré que les pales de l'hélicoptère augmenteraient modestement l'impulsion spécifique réelle (I_sp) d'environ 20 à 30 secondes, ce qui ajoute une poussée supplémentaire par rapport à un système de fusée seule qui permet seulement de compenser la surcharge engendrée par un tel système de pales. Ainsi, le système de pales n'apporte pas de gain au système lors de la phase d'ascension mais peut être utilisée comme système d'atterrissage du véhicule lors du retour sur Terre en le ralentissant et le guidant. Globalement le système d'atterrissage a donc un impact nul sur la puissance à développer pour faire décoller le véhicule.

Un problème rencontré lors du développement du Roton a été qu'une poussée supplémentaire aurait été nécessaire au véhicule une fois hors de l'atmosphère. Ainsi, plusieurs moteurs auraient dû être disposés au sommet et à la base de l'engin. Un autre problème soulevé a été celui du bruit généré par le rotor, sensiblement trop puissant pour d'éventuels occupants.

Cette première version du Roton avait été conçue pour de petits satellites de communications. Cependant, ce marché s'est écroulé principalement avec la faillite d'Iridium Communications Inc.. Par conséquent, la société a décidé de modifier le Roton pour pouvoir lancer des charges plus lourdes.

La version suivante du Roton était un véhicule de lancement en forme de cône, avec un rotor d'hélicoptère au-dessus, destiné à être utilisé uniquement lors de l'atterrissage. Une soute interne pouvait être utilisée aussi bien pour transporter des charges utiles en orbite que pour en ramener d'autres vers la Terre. Le prix de mise sur orbite avec cet engin a été annoncé à 1 000 $ par kg de charge utile, soit moins de 10 % des prix alors en vigueur avec une charge utile maximum de trois tonnes, ce qui était très modeste par rapport à la concurrence.

La société avait l'intention d'utiliser un moteur aerospike annulaire rotatif spécifique : le moteur et la base du véhicule de lancement auraient tourné à grande vitesse (720 tr/min) pour pomper le carburant et le comburant jusqu'au rotor par rotation.

En raison du faible angle des tuyères dans la base de rotor, la vitesse de rotation des rotors lors du décollage se serait limitée elle-même et n'aurait nécessité aucun système de contrôle. Puisque la densité du LOX (oxygène liquide) est plus élevée que celle du kérosène, une pression supplémentaire est disponible avec le LOX, et il aurait ainsi pu être utilisé pour refroidir les moteurs et accessoires. Toutefois, en raison de la configuration de l'engin, des forces gravitationnelles de plusieurs G étaient jeu sur les bords de l'appareil où le LOX était censé servir de liquide de refroidissement. L'utilisation du LOX dans de telles conditions pour un tel usage était mal connu, difficile à modéliser et à valider et rendait donc le système risqué.

En outre, l'échappement rotatif agit comme un mur sur le bord extérieur de la base du moteur, et toute la base de l'engin est mise en dépression, créant un effet ventouse en direction de l'atmosphère. Ce phénomène pouvait être contrarié par l'ajout d'une fusée sous l'engin, ayant pour rôle unique de rajouter de la pression dans cette zone et ainsi empêcher la dépression de se créer.

96 tuyères miniatures disposées à la base du rotor devaient répartir la poussée sur le pourtour de la base du véhicule, permettant de gagner de la poussée supplémentaire à haute altitude en agissant en fait comme une tuyère aerospike tronquée de longueur zéro[2]. Un système similaire avec des moteurs non rotatifs a été étudié pour la fusée N1. Cette configuration avait une base beaucoup plus petite, et ne créait pas l'effet de succion qu'un moteur de plus grand diamètre aurait induit. Le moteur de Roton avait un vide projeté I_SP (Impulsion spécifique) d'environ 355 secondes (3,5 kN·s/kg), ce qui est très élevé pour un moteur LOX/kérosène pour un rapport poussée/poids de 150, ce qui est faible[3].

Lors de la rentrée, la base aurait aussi servi de bouclier thermique refroidi par eau. C'est théoriquement une bonne façon pour résister à la rentrée, en particulier pour un véhicule léger réutilisable. Cependant, utiliser l'eau comme liquide de refroidissement implique de la transformer en vapeur d'eau surchauffée, à des températures et des pressions élevées, et il y avait des craintes quant à des dommages générés en orbite par des micrométéorites, pouvant conduire à la perforation du récipient sous pression, ce qui aurait provoqué l'échec du bouclier de rentrée. Ce risque a été éliminé par un système d'écoulement à haute résistance aux fissures créé par un empilage de très fines feuilles métalliques traitées et assemblées par réactions chimiques protégeant le circuit de refroidissement.

En outre, le refroidissement aurait pu être effectué de deux manières différentes : une première méthode envisagée était celle de la vaporisation de l'eau mais la seconde, encore plus poussée, était celle de la création d'une couche de vapeur « froide » entourant la surface de la base et réduisant la capacité de chauffage. En outre, le système de mesure de la diffusion d'eau se devrait d'être extrêmement fiable, donnant une goutte par seconde par pouce carré, et a été réalisé par une approche de conception essai/erreur sur le vrai matériel. À la fin du programme Roton, certains matériels ont été construits et testés. La trajectoire de rentrée devait être compensée, de façon similaire à celle de la fusée Soyouz, afin de minimiser les charges G sur les passagers. Le coefficient balistique du Roton était meilleur et aurait pu s'avérer encore mieux adapté. Lorsque le système de compensation de rentrée atmosphérique de Soyouz est tombé en panne et que sa rentrée s'est faite de façon totalement balistique, les niveaux G se sont accrus considérablement, mais sans dommage pour les passagers.

Le véhicule était également unique de par l'utilisation prévue de ses rotors de type hélicoptère pour l'atterrissage, plutôt que des ailes ou des parachutes. Ce concept a permis des atterrissages contrôlés (contrairement aux parachutes), et son poids représente seulement 1/5^e de celui d'ailes fixes. Un autre avantage est qu'un hélicoptère peut atterrir presque n'importe où tandis que les avions spatiaux à surfaces planes tels que la navette spatiale doivent revenir sur une piste.

Les pales du rotor devaient être propulsées par des fusées à peroxyde. Les pales du rotor devaient être déployées avant la rentrée ; restait à savoir si les pales tiendraient jusqu'à l'atterrissage. Le plan initial consistait à les disposer hors du fuselage, presque à la verticale, mais cette option a été jugée instable : comme elles avaient besoin de descendre de plus en plus bas et de tourner de plus en plus vite pour obtenir une bonne stabilité, la chaleur supportée aurait augmenté drastiquement et la résistance de l'air aurait été de plus en plus forte. De fait, les pales auraient dû, soit être refroidies activement, soit être réalisées dans un matériau réfractaire. Ainsi, l'idée de faire sortir les pales du fuselage afin d'éviter ces inconvénients devint plus intéressante et les études se sont focalisées sur cette possibilité. Ce concept de design du rotor n'est pas sans précédent. En 1955, l'une des cinq concepts développés par les soviétiques pour des missions suborbitales pilotées visait à inclure des rotors à moteurs-fusées comme système d'atterrissage. Le 1^er mai 1958, ces plans ont été abandonnés quand il a été décidé de procéder directement à des vols orbitaux.

Rotary Rocket a conçu et a soumis à des tests de résistance à la pression un réservoir de LOX en matériau composite exceptionnellement léger et solide. Il a survécu à un programme de tests consistant à lui faire subir des cycles de mise sous pression-dépression avant de lui tirer dessus pour vérifier sa sensibilité à l'ignition. Cette construction composite a été une première mondiale.

• Dimensions :
  • Hauteur : 19,2 m
  • Diamètre maximum : 6,7 m
• Dimensions de la soute :
  • Longueur : 5,1 m
  • Diamètre : 3,7 m
• Masse totale (estimée) : 180 000 kg
• Charge utile en LEO (projection) : 3 180 kg
• Apogée (projection) : 260 km
• Poussée du moteur : 30860 N
• Impulsion spécifique du moteur (vac) : 340 s
• Nombre de moteurs : 72

(Les projections sont fondées sur des estimations signalées dans Aviation Week & Space Technology le 5 octobre 1998[4].)

En juin 1999, Rotary Rocket a annoncé qu'il allait utiliser un dérivé du moteur Fastrac (en) en cours de développement au Marshall Space Flight Center de la NASA, au lieu de son propre moteur fondé sur un concept de moteur rotatif non conventionnel. Il semble que la société a été incapable de convaincre les investisseurs que son concept de moteur était viable, la structure composite et le principe de rentrée atmosphérique fondée sur le principe du gyrocoptère s'étant avérés plus faciles à vendre.

Dans le même temps, l'entreprise a licencié environ un tiers de ses employés, réduisant ses effectifs d'environ 60 à 40. À ce stade, l'entreprise envisageait de commencer son service de lancement commercial dans le courant de l'année 2001[5]. Bien que la société a levé 30 millions de dollars, il restait nécessaire de recueillir une somme supplémentaire de 120 millions de dollars avant une éventuelle mise en service.

• (en) Petit, Charles, « Rockets for the Rest of Us » in Air&Space/Smithsonian Magazine, mars 1998. Les débuts du développement de la Rotary Rocket.
• (en) Sarigul-Klijn, Marti (en), « I Survived the Rotary Rocket » in Air&Space/Smithsonian Magazine, mars 2002. Le pilote d'essai d'ATV décrit les trois premiers vols.
• (en) Weil, Elizabeth, They All Laughed At Christopher Columbus: An Incurable Dreamer Builds the First Civilian Spaceship. Bantam, 2003. Le développement de la Rotary Rocket vu par l'un de ses protagonistes. Fiche sur Amazon.com

• Roton article at Encyclopedia Astronautica
• Wired magazine article on Roton
• Space.com on test flights
• Space.com on helicopter museum trip
• Quicktime footage of final test flight of Roton ATV, from the Air&Space Magazine website
• Archives of original rotaryrocket.com website, from Internet Archive Wayback Machine
• Tom Brosz's personal account of Rotary Rocket and fallout
• Roton C-9 specs
• Photos of the project from the Mojave Virtual Museum
• Photos from the unveiling of the Roton