STARSHIP: Comment le monstre de SpaceX fonctionne-t-il?

Imaginez un lanceur lourd de 120 mètres de haut, entièrement réutilisable, capable de faire l’aller-retour entre la Terre et Mars après avoir refait le plein de carburant sur la planète rouge. Cinq ans après le premier atterrissage d’une Falcon 9, le Journal de l’Espace vous explique comment Elon Musk s’apprête de nouveau à révolutionner le transport spatial grâce au système Starship.

Le système Starship
Schéma du Starship. Crédits: YouTube/EverydayAstronaut
Starship et Super Heavy
Image d'animation montrant le vaisseau Starship et son booster géant. Le second étage de la fusée de SpaceX est encore en développement sur le site d'assemblage de Boca Chica, au Texas. ©SpaceX/Flickr

Starship: objectif Mars

Anciennement nommé BFR (Big Falcon Rocket), le nom Starship est parfois source de confusion. En effet, il désigne à la fois le système de transport spatial au complet, mais aussi le deuxième étage de 50 mètres, reconnaissable à ses quatre ailerons. Le premier étage, surnommé Super Heavy, est quant à lui un booster géant de 70 mètres de hauteur. Développé à Boca Chica depuis 2018, le système imaginé par Elon Musk pour coloniser Mars sera entièrement réutilisable.

Le système Starship
Schéma du Starship. Crédits: YouTube/EverydayAstronaut
Comparaison Falcon 9 vs Starship
Le Starship, entièrement réutilisable, sera presque trois fois plus puissant que la Falcon Heavy et pourra emporter plus de 1000 m3 de charge utile (pour une masse d'environ 100 tonnes en orbite basse), Crédits illustrations: YouTube/EverydayAstronaut
Schéma d'un moteur raptor
Schéma d'un moteur raptor. Crédits: YouTube/EverydayAstronaut

Un nouveau système de propulsion

Pour générer ses 70 MN (méganewtons) de poussée nécessaires à arracher de son pas de tir le vaisseau de 120 mètres de haut, SpaceX a construit un moteur unique au monde: le Raptor. En effet, c’est aujourd’hui le seul moteur opérationnel qui utilise un cycle à combustion étagée dite “full-flow”. Au prix d’une plus grande complexité, cette configuration particulièrement performante fournit plus de 2000 kN d’énergie tout en facilitant le rallumage et la réutilisation des moteurs.

Schéma d'un moteur raptor
Schéma d'un moteur raptor. Crédits: YouTube/EverydayAstronaut
"On pense pouvoir atteindre entre 98 et 99% d'efficacité de combustion théorique. Un peu comme si Dieu lui-même venait combiner les molécules entre elles"
Elon Musk
CEO de SpaceX

Le méthane, un carburant de choix

Pour atteindre l’orbite terrestre, le Starship utilisera pas moins de 34 moteurs raptors: 28 pour son booster Super Heavy et six pour son second étage. Pour propulser les 5000 tonnes du vaisseau, les raptors du Starship utilisent un mélange de méthane (le carburant) et d’oxygène (le comburant). Le choix du méthane est stratégique: de formule CH4, cet hydrocarbure simple peut être produit à la surface de Mars grâce à la réaction de Sabatier.

Réaction de Sabatier
La réaction de Sabatier est une réaction chimique, découverte en 1897 par les chimistes français Paul Sabatier et Jean-Baptiste Senderens. Elle permet de produire du méthane (CH4) et de l'eau (H2O) à partir de dioxyde de carbone (CO2) et d'hydrogène (H2) à pression et températures élevées. Sur Mars, la glace d'eau pourra fournir le dihydrogène par électrolyse. Crédits: PH Le Besnerais
Rendu du booster Super Heavy
Animage d'animation montrant l'agencement des 28 raptors qui propulseront le Starship en orbite. Crédits: Twitter/ErcXspace
"Cela fait maintenant presque un demi-siècle que les humains n’ont pas été sur la Lune. [...] Nous avons besoin d'une base occupée en permanence sur la Lune, avant de construire une ville sur Mars pour devenir [...] une espèce multi-planétaire"
Elon Musk
CEO de SpaceX

La structure interne du Starship

Cryogénisés à près de -180 degrés, les ergols (nom des carburants en astronautique) du Starship sont maintenus à l’état liquide dans quatre compartiments différents: deux réservoirs principaux utilisés pour atteindre l’orbite terrestre, et deux réservoirs de plus petite taille qui assurent la réutilisation du lanceur. 

Sur le second étage du Starship, la forme sphérique de ces réservoirs auxiliaires (aussi appelés “header tanks”) permet de maintenir la pression nécessaire au rallumage des moteurs lors de l’atterrissage sur Terre et sur Mars.

Structure interne du Starship
Le second étage du Starship présente deux réservoirs principaux (environ 800 m3 d'oxygène liquide pour 600 de méthane) utilisés pour atteindre l'orbite terrestre. Les "header tanks" mesurent quant à eux 13 à 15 m3 de volume et servent de réserve de carburant pour le retour du premier étage sur Terre ou l'atterrissage sur Mars. Crédits illustration: YouTube/EverydayAstronaut
Tuiles thermiques
Test des tuiles thermiques qui seront installées sur le second étage du Starship. Crédits: Twitter/@ElonMusk
Bouclier thermique du SN16
Ensemble de tuiles thermiques posées sur une section du prototype SN16, encore en cours d'assemblage. Crédits: NASASpaceFlight

28 000 km/h: le choc de la rentrée atmosphérique

Pour résister aux températures extrêmes lors de sa rentrée atmosphérique, la paroi en acier inoxydable du second étage du Starship sera en partie couverte d’un bouclier thermique constitué de tuiles hexagonales en céramique. 

En s’aidant de ses quatre ailerons pour maintenir son orientation, le Starship pourra ainsi utiliser les hautes couches de l’atmosphère pour décélérer en basculant progressivement sur le ventre, une manœuvre aussi appelée le “belly flop”.

Tuiles thermiques
Test des tuiles thermiques qui seront installées sur le second étage du Starship. Crédits: Twitter/@ElonMusk

Comment le Starship reviendra-t-il sur Terre?

Tel un parachutiste en chute libre sur le ventre, le Starship utilisera alors la résistance de l’air pour ralentir et finalement atteindre sa vitesse terminale. À quelques centaines de mètres du sol seulement, le second étage rallumera alors ses trois raptors alimentés par les fameux header tanks, basculant à la verticale avant de se poser au sol à la manière d’une Falcon 9. Muni d’ailerons en grille (“grid fins”), le booster Super Heavy reprend quant à lui la structure et le plan de vol de cette dernière.

Super Heavy Grid fins
Rendu 3D des "grid fins" du Super Heavy, comparées à celles de la Falcon 9 (àdroite). Crédits: Twitter/Neopork
Header tank du Starship
Construction d'un "header tank" en cours. Ce réservoir auxiliaire sert de réserve de carburant pour l'atterrissage du Starship. Crédits: NASASpaceFlight
Starship SN10
Photo du prototype SN10 : à quelques centaines de mètres du sol, le Starship rallume ses moteurs pour passer en position verticale et se poser au sol. Crédits: SpaceX

L’objectif des vols suborbitaux

Pour développer un vaisseau orbital, SpaceX procède donc par étapes. Avant d’envoyer un premier modèle en orbite terrestre, les ingénieurs doivent d’abord développer un prototype capable d’atterrir intact après la fameuse manœuvre du belly flop suivie du basculement. C’est d’ailleurs l’objectif des vols suborbitaux initiés par le SN8 en décembre dernier. 

Prévu pour le mois de juillet, l’enjeu pour le premier vol orbital sera double: tenter une réentrée atmosphérique du Starship et faire atterrir intacte l’énorme booster Super Heavy. 

À plus long terme, SpaceX tentera une manœuvre encore plus folle: faire revenir le booster directement sur la tour qui permettra le lancement du Starship.

Pierre-Henri Le Besnerais

Moonship
Image d'animation du Starhip (dans sa version atterrisseur lunaire) sur son pas de tir. Elon Musk prévoit d'utiliser des bras mécaniques pour récupérer le booster Super Heavy avant qu'il ne touche le sol. Crédits: Twitter/ErcX