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Défis cachés des voyages dans l’espace : pourquoi les conceptions SSTO sont-elles si complexes ?
Dans le voyage de l'exploration spatiale, les engins spatiaux à un étage (SSTO) ont toujours été le rêve poursuivi par les scientifiques et les ingénieurs. Ces véhicules ont une chose en commun : ils n’ont pas besoin de se débarrasser d’objets durs après avoir atteint l’orbite et les propulseurs et fluides qu’ils utilisent sont épuisés. Cependant, comme de nombreux chemins menant à la réalisation des rêves, la réalisation du SSTO est confrontée à des défis techniques complexes. Cet article explorera les défis de la conception du SSTO et pourquoi le concept n’a pas encore été réalisé sur Terre.
« Le principal avantage du SSTO est l’élimination des exigences de remplacement du matériel inhérentes aux systèmes de lancement jetables, mais les coûts non récurrents de conception et de développement d’un système SSTO réutilisable sont plus élevés que ceux d’un système jetable. »
Principe de fonctionnement et avantages du SSTO
Le concept de base du SSTO est de permettre au vaisseau spatial d’atteindre l’orbite après son décollage depuis le sol sans séparer le deuxième étage ou tout autre matériel auxiliaire. Le principal avantage de cette conception est sa réutilisabilité, ce qui pourrait théoriquement réduire le coût des voyages spatiaux à long terme et augmenter la fréquence des lancements. Cependant, les scientifiques ont découvert que pour surmonter la gravité terrestre et la traînée atmosphérique, les conceptions SSTO nécessitent une puissance considérable et une agilité technologique en matière de propulsion.
Contexte historique« Les principaux défis à relever pour réaliser une mission orbitale en une seule étape sur Terre incluent des vitesses orbitales élevées dépassant 7 400 mètres par seconde et le dépassement de la gravité terrestre dès le début du vol. »
En regardant en arrière, le premier concept SSTO est apparu dans les années 1960. Parmi ces modèles, on trouve l'avion cargo jetable de premier étage OOST proposé par l'ingénieur de Douglas Philip Bono et la version réutilisable ultérieure ROOST. Bien que la mise en œuvre de ces modèles ait été encore difficile, ils ont ouvert la voie au développement du SSTO.
À mesure que la technologie progressait, de nombreux prototypes expérimentaux de SSTO tels que DC-X et Roton ont reçu une certaine attention, mais n'ont finalement pas réussi à surmonter les obstacles de conception, dont la plupart étaient dus au manque de systèmes de propulsion efficaces.
Défis techniques dans la conception SSTO
Les conceptions SSTO actuelles sont confrontées à de nombreux défis techniques, dont la plupart découlent des exigences d’efficacité de leurs structures et de leurs systèmes de propulsion. Selon la plupart des experts, tout véhicule SSTO doit avoir un rapport de masse élevé, qui est un équilibre entre le poids de la propulsion et le poids du vaisseau spatial lui-même. Cela signifie que s’efforcer de minimiser le poids de la structure est l’un des facteurs clés du succès.
« Comme le dit l'ingénieur concepteur de fusées Robert Truax : un véhicule à deux étages en orbite surpassera généralement une conception à un seul étage en termes de rapport de charge utile. »
Difficultés du système de propulsion
Le système de propulsion du SSTO doit fonctionner dans différents environnements de pression atmosphérique, ce qui nécessite que le moteur soit conçu avec des capacités de réglage rapides. En raison des limites de la force de propulsion et du poids structurel dans l'atmosphère, le vaisseau spatial doit compter sur une grande quantité de propulseur pour surmonter la gravité pendant le processus de lancement, ce qui rend la conception du SSTO plus compliquée.
Choix du carburant
Un autre défi est de choisir le bon carburant. Bien que l’hydrogène carburant offre une impulsion spécifique plus élevée, sa faible densité et sa difficulté de stockage limitent sa praticabilité. En comparaison, les carburants denses tels que le gaz de pétrole liquéfié peuvent mieux fonctionner dans le SSTO. Cela oblige les concepteurs à faire un compromis entre performances et opérabilité.
Problèmes de réutilisabilité
Les concepteurs de SSTO doivent également prendre en compte les exigences de réutilisabilité et de maintenance du véhicule. Bien qu’en théorie les véhicules réutilisables puissent réduire les coûts de lancement, en pratique ils nécessitent un entretien et des inspections plus fréquents, ce qui signifie une augmentation de leurs coûts d’exploitation.
Possibilités futures
Au 21e siècle, avec les progrès de la technologie des fusées, les coûts de lancement ont été considérablement réduits, ce qui fait que les avantages du SSTO ne sont plus évidents dans une certaine mesure. Cependant, pour d’autres planètes comme la Lune et Mars, la conception du SSTO est relativement simple, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour l’exploration spatiale future.
Résumé« Bien que l'insertion orbitale en une seule étape soit difficile à réaliser sur Terre, elle a été réalisée avec succès à de nombreuses reprises dans un environnement atmosphérique à gravité plus faible, comme la Lune. »
La conception et la mise en œuvre du SSTO restent un énorme défi, tant en termes de complexité technique que de faisabilité économique. Mais ce sont ces défis qui inspirent d’innombrables scientifiques et ingénieurs à continuer d’explorer et de réaliser des percées. À l’avenir, avec les progrès de la technologie, le rêve d’une entrée orbitale en une seule étape deviendra-t-il réalité ?
