EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Abstract:

Avec les conclusions du rapport d’enquête de la FAA sur le 2ème test de vol orbital du Starship (« OFT-2) qui a eu lieu le 18 novembre, on ne peut plus dire qu’il y a eu échec. Le 3ème test, OFT-3, aura lieu dès l’obtention de la modification de licence de vol.

On sait maintenant ce qui a fonctionné et ce qui n’a pas fonctionné. Le fait principal est que le largage d’oxygène qui a été effectué par le vaisseau Starship en fin de montée en orbite, a été volontaire et qu’il n’était pas indispensable. Si SpaceX avait décidé de ne pas y procéder, le vaisseau aurait été beaucoup plus loin dans sa trajectoire orbitale ; il aurait peut-être même atteint Hawaï.

Par ailleurs, les mesures nécessaires pour éviter à nouveau un mauvais filtrage de l’oxygène vers les moteurs du lanceur, ont été prises et ce dernier, toutes choses égales par ailleurs, devrait maintenant pouvoir redescendre jusqu’à l’Océan sans exploser.

De plus, sans attendre les conclusions du rapport d’enquête de la FAA, SpaceX a effectué toute une série d’autres améliorations matérielles qui vont réduire encore les risques d’échecs.

Avec ses lanceurs et vaisseaux en attente sur la Starbase de Boca-Chica et déjà « mis à jour », le lancement du 3ème test de vol orbital ne devrait pas tarder. On l’attend dès la publication de la modification de licence de vol qui devrait intervenir début Mars.

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Article:

Le 26 février, SpaceX a publié sur son site Internet une mise à jour (« update ») portant sur son deuxième test de vol orbital, intitulé « Building on the success of the Starship’s second flight test ». Parallèlement, les sites spacepolicyonline.com, Ars Tecnica, spacenews.com ou phsic.org, ont fait état de la déclaration de la FAA (Federal Aviation Administration) selon laquelle l’enquête sur les problèmes (« mishaps ») qu’a connus ce test, est close (à ma connaissance aucune publication officielle de la FAA n’est encore disponible).

Il résulte de l’update/enquête que 17 « actions correctives » doivent être effectuées par SpaceX. Lorsque la FAA aura constaté que ces actions ont été menées de façon satisfaisante, une nouvelle licence de vol (plus précisément une « modification » de la licence actuelle) pourra être accordée

L’administrateur responsable de la FAA a déclaré que début ou mi-mars était un objectif raisonnable pour la conclusion du processus (et donc le déclenchement du troisième test de vol orbital). Cette rapidité tient non seulement à l’extrême célérité de SpaceX mais aussi au fait que les « actions correctives » ont été entreprises sans attendre.

Dans sa déclaration SpaceX révèle d’abord la cause des anomalies du vaisseau Starship. Il est important de souligner que selon les règles en la matière, c’est SpaceX qui a mené l’enquête, sous la supervision de la FAA, avec la participation de la NASA et du National Transportation Safety Board (agence indépendante du gouvernement des États-Unis, responsable des enquêtes sur les accidents aériens).

Je vous communique ci-après ce qui a fonctionné et ce qui n’a pas fonctionné, puis les correctifs mis en œuvre et je termine par quelques commentaires.

Ce qui a fonctionné et ce qui n’a pas fonctionné

Dans son « update », SpaceX indique que le premier étage (lanceur), « Super Heavy », a commencé par fonctionner de manière nominale : les 33 moteurs Raptor de la fusée se sont allumés avec succès ; ils ont ensuite effectué leur combustion complète sans problème, pour franchir le point MaxQ (tension mécanique maximum) puis parvenir à la vitesse et altitudes requises pour la séparation des deux étages. A ce stade, le second étage (vaisseau Starship) a exécuté, toujours avec succès, la manœuvre dite de « hot stagging » au cours de laquelle il s’est séparé du premier étage alors que certains de ses moteurs étaient déjà en cours d’allumage (comme il était prévu, afin de ne pas perdre de vitesse acquise). On peut donc en conclure que le nouvel anneau de hot-stagging avec son « blast-shield » a parfaitement fonctionné.

Pour le lanceur, l’étape suivante consistait à effectuer une série de combustions en vue d’un atterrissage en douceur dans le golfe du Mexique. Dans le cadre de la première de ces combustions, 13 des moteurs de la fusée devaient être rallumés.

C’est là que l’on a constaté les premiers « mishaps ». Ils se sont produits sur le lanceur :

Au cours de cette combustion « de retour », plusieurs moteurs ont commencé à s’éteindre avant que l’un d’entre eux ne subisse une « défaillance énergétique », entraînant rapidement, en cascade, une désintégration rapide imprévu (abréviation « RUD » pour « Rapid Unscheduled Disassembly ») du lanceur. La rupture du véhicule s’est produite plus de trois minutes et demie après le début du vol, à une altitude d’environ 90 km au-dessus du golfe du Mexique. Il a été déterminé que la cause la plus probable de la défaillance a été le blocage d’un filtre à l’endroit où l’oxygène liquide est fourni aux moteurs, ce qui a entraîné une perte de pression d’entrée dans les turbopompes alimentant les moteurs en oxygène.

Les seconds « mishaps » sont intervenus alors, non plus sur le lanceur mais sur le vaisseau :

Pendant que le lanceur rencontrait les problèmes ci-dessus sur la voie du retour au sol, les six moteurs du vaisseau brûlaient de manière nominale et le poussaient sur une trajectoire de vol qui lui faisait continuer son ascension. Après mise sur orbite, cela devait le conduire à effectuer près des deux tiers du tour de la Terre avant de redescendre s’écraser dans l’Océan Pacifique près de Kauai (Archipel d’Hawaï). L’ascension a effectivement bien continué jusqu’à ce que, environ sept minutes après le décollage, alors que le vaisseau était déjà pratiquement sur orbite, un important largage d’oxygène excédentaire soit volontairement effectué. SpaceX a expliqué que le vaisseau avait embarqué cet « excédent » (non nécessaire à la propulsion) afin de recueillir des données utiles pour les futures missions de largage de charges utiles. Il devait être éliminé avant la rentrée atmosphérique afin de respecter les objectifs de masse de propergol requis lors de l’amerrissage.

Lorsque ce largage d’oxygène liquide a été initié, une fuite dans la section arrière du vaisseau spatial s’est déclarée. Elle a provoqué une combustion imprévue puis une série d’incendies qui ont causé une perte de communication entre les différents ordinateurs de vol du vaisseau. Le système autonome de sécurité du vol a alors détecté une violation des règles que le vaisseau devait absolument respecter et a activé le système d’interruption du vol, ce qui a entraîné la dislocation du vaisseau.

Le test de vol était donc alors terminé quand l’incident est survenu. Le vaisseau spatial avait atteint une altitude de 149 km et une vitesse d’environ 24 000 km/h, juste un peu moins que la vitesse orbitale (28 000 km/h).

Correctifs

SpaceX a déjà mis en œuvre plusieurs modifications matérielles sur les Starships  qui vont être maintenant lancés : (1) modifications dans le réservoir d’oxygène afin d’améliorer les capacités de filtration du propergol et modifications dans l’arrivée des fluides aux moteurs pour affiner les opérations d’oxydation afin d’accroître leur fiabilité, (2) amélioration du processus de résolution des fuites et du processus de protection contre les incendies, (3) amélioration du processus de largage du propergol pour en accroître la fiabilité.

Par ailleurs, l’abandon du système de direction hydraulique des moteurs Raptor au profit d’un système entièrement électrique permettra de réduire les sources potentielles d’inflammabilité.

SpaceX doit également mettre en œuvre des améliorations de performances prévues en parallèle, notamment (1) le lancement d’un nouveau système électronique de « contrôle de poussée vectorielle » (« trust vector control ») pour les moteurs Raptor du vaisseau (orientation du jet du réacteur) et (2) la vitesse de remplissage des réservoirs d’ergols avant le lancement.

Perspectives

Les améliorations résultant de l’étude du 2ème test de vol orbital seront présentes sur les prochains Starships et Super Heavys qui seront lancés pour le 3ème test.

SpaceX attire l’attention sur le fait que quatre nouveaux vaisseaux sont déjà prêts à voler conformément aux nouvelles contraintes fixées. Cela répond à la politique de SpaceX de placer le matériel de vol dans un environnement de vol afin de tirer les leçons de l’expérience le plus rapidement possible. La société insiste pour dire que pour elle, l’amélioration itérative est essentielle.

Par ailleurs la société rappelle que le déflecteur de flammes refroidi à l’eau (« déluge ») et les autres améliorations apportées à l’aire de lancement après le premier essai en vol de Starship ont fonctionné comme prévu lors du 2ème test, et n’ont nécessité qu’un minimum de travaux après ce dernier afin d’être prêts pour les essais au sol du véhicule et ensuite le 3ème test en vol orbital.

Commentaires

On peut constater selon les termes employés (« success »/« mishaps »), que les points de vue de SpaceX et de la FAA sur le test de vol orbital du 18 novembre 2023 ne sont pas tout à fait les mêmes. Cependant à la lecture des faits que l’on peut qualifier d’« objective » puisque résultat d’une enquête effectuée par des parties de point de vue différents, on peut juger qu’il y a eu incontestablement un net progrès de SpaceX vers son objectif, la mise sur orbite de son Starship.

A l’issue de cette enquête, il apparaît clair en effet que le 2ème test de vol orbital a presque réussi. Si le largage d’oxygène non-nécessaire avait été effectué un peu plus tard, le vol du vaisseau aurait duré plus longtemps et il serait allé beaucoup plus loin autour du Globe, même si l’altitude était un peu basse, prêtant beaucoup moins au qualificatif d’« échec » appliqué au test par ceux qui ne voulaient pas voir la réalité.

Un problème de filtration de l’oxygène à l’entrée des moteurs s’est révélé mais il n’a concerné les moteurs du lanceur qu’après qu’ils aient effectué ce pour quoi ils étaient conçus : porter le vaisseau a une altitude suffisante pour qu’il puisse effectuer son propre office. Depuis, une solution a été proposée (comme exposé ci-dessus). L’on verra dans le prochain test si elle est efficace et suffisante.

Un seul problème demeure et il ne me semble pas clairement traité c’est celui de la contamination de l’ensemble des moteurs en cas de défaillance explosive de l’un d’entre eux. Se reposer sur le bon fonctionnement de tous n’est pas une solution totalement rassurante. Il faudrait plutôt un dispositif qui coupe suffisamment tôt l’approvisionnement en ergols du moteur défaillant, pour éviter l’explosion. Peut-être la couverture de ce risque est-elle comprise dans l’expression « modifications dans l’arrivée des fluides aux moteurs pour affiner les opérations d’oxydation afin d’accroître leur fiabilité » ?

SpaceX dispose de Starships complets dont la construction est terminée. Les actions correctives requises pour les rendre conformes aux conclusions du rapport d’enquête visé par la FAA sont très avancées sinon totalement réalisées. Le prochain test pourra donc avoir lieu très vite après que la « licence-modifiée » soit publiée mi-mars. Ensuite, il y en aura d’autres. L’« Associate Administrator for Commercial Space Transportation », Kelvin Coleman, en charge du suivi de ces vols, a dit qu’il pourrait y en avoir jusqu’à 9 cette année (vous avez bien lu « neuf » !). Pour moi la question est « Y en aura-t-il un pour Mars (même si bien sûr l’intention ne peut pas être que ce vol réussisse) lors de la prochaine fenêtre de lancements, en novembre 2024 ? ». Après tout, il a bien lancé une Tesla dans l’espace lors de son test réussi de Falcon Heavy en février 2018.

Liens :

https://arstechnica.com/space/2024/02/faa-closes-starship-inquiry-and-spacex-details-causes-of-november-accidents/

https://spacepolicyonline.com/news/faa-closes-starship-oft-2-mishap-investigation/

https://www.spacex.com/updates

https://phys.org/news/2024-02-faa-spacex-starship-explosion-2nd.html

Illustration de titre : décollage du vol de test orbital N°2 du Starship (« OFT-2) le 18 Nov. 2023, crédit SpaceX.

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4 Responses

  1. « Un seul problème demeure et il ne me semble pas clairement traité c’est celui de la contamination de l’ensemble des moteurs en cas de défaillance explosive de l’un d’entre eux ». Tout-à-fait juste, les analyses probabilistes de fiabilité (j’ai transmis à M. Brisson entre autres le résultat d’analyses que j’ai faites à ce sujet) ne trompent pas; même en tenant compte de l’acceptabilité de la défaillance d’un ou deux moteurs, pour qu’un ensemble d’une trentaine de moteurs ne pose pas de problème il faut que la fiabilité individuelle de chaque moteur soit TRES élevée (il faut reconnaître que SpaceX semble avoir nettement amélioré la fiabilité des Raptors par rapport à ce qu’elle était lors des premiers tests, mais est-elle maintenant vraiment suffisante, on manque encore de recul statistique pour en être absolument sûr). Et cela sans compter avec ce qu’on appelle dans le jargon des spécialistes de la cindynique (science de l’étude et de la prévention des risques) les « défaillances de cause commune » et les « propagations de défaillances », dont la probabilité d’occurrence augmente de manière générale avec la complexité du système concerné et est assez difficile à estimer de manière analytique.

    1. Oui, merci à Pierre-André de m’avoir sensibilisé à ce risque de contamination!
      J’en déduis que si SpaceX parvient à faire voler son Starship, au moins jusqu’à la Lune, le problème du contrôle des moteurs et de la « plomberie » entre les réservoirs et les moteurs entre deux vols (puisque le SuperHeavy sera réutilisable) devra être considéré avec beaucoup de sérieux. La vérification ne pourra pas se faire purement d’après des performances statistiques de bon fonctionnement ou de défaut car le défaut isolé serait trop grave. C’est donc entre chaque utilisation qu’il faudra faire une vérification à fond des circuits et du fonctionnement. Cela entrainera probablement une alternance des lanceurs utilisés plutôt qu’une vérification de quelques petites heures entre deux lancements du même SuperHeavy.

      1. « Cela entrainera probablement une alternance des lanceurs utilisés plutôt qu’une vérification de quelques petites heures entre deux lancements du même SuperHeavy »: au moins pour des vols habités, je ne pense pas que quiconque ait jamais réellement cru qu’il serait possible de « récupérer au vol » un Super-Heavy à son retour sur sa base, juste refaire le plein et réinstaller un Starship à son sommet pour repartir quelques heures plus tard dans l’espace! Il y a pas mal de « fiction » dans ce qu’annonce et présente Elon Musk; il faut faire la part entre réalisme et ce qui ressort du domaine du marketing (par exemple les images du Starship en orbite autour de Saturne, … alimenté par les mêmes panneaux solaires que dans l’environnement terrestre!!).

  2. il ne reste plus qu a attendre le 3eme vol! Pour ce qui est de l entretien du Super Heavy entre chaque vol il ne faudrait pas que les couts s envolent comme avec la navette spatiale.

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À propos de ce blog

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l’Association Planète Mars (France), économiste de formation (University of Virginia), ancien banquier d’entreprises de profession, planétologue depuis toujours

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