L'avenir cosmique se profile avec une vague croissante de lancements. Les rampes de lancement deviennent à l'étroit pour les grands projets des joueurs de l'espace. Afin de ne pas rester coincé sur Terre dans un endroit étroit, il est nécessaire d'élargir le passage dans l'espace - c'est ainsi que le mot "cosmodrome" est traduit du grec. Cependant, cela nécessite une façon de penser fondamentalement nouvelle. Comment ouvrir les portes de l'espace - dans notre matériel.
Polygone oriental et ses noms
Sur la côte atlantique de la Floride, au milieu de la péninsule, se trouve le plus grand port spatial américain. Il est situé principalement à Cap Canaveral, mais le nom familier "Cap Canaveral" est vague. Le cosmodrome a commencé avec les premiers lancements en 1950 en tant que terrain d'essai pour les missiles balistiques et a depuis lors changé de nom et de statut à plusieurs reprises.
Il a testé des fusées à usages divers, qui ont été lancées à partir de cinquante sites de lancement. Missiles antiaériens et météorologiques, missiles de croisière intercontinentaux, missiles sous-marins, missiles balistiques de portées et bases diverses. En outre, plus d'un millier de lancements de missiles balistiques à partir de sous-marins ont été effectués à partir de la zone d'eau adjacente et l'espace aérien a été utilisé pour lancer des fusées de croisière. Par conséquent, le cosmodrome reste aujourd'hui principalement l'Eastern Range, le plus grand des États-Unis.
Avec la croissance du nombre de lancements spatiaux, Cap Canaveral était de plus en plus perçu comme un cosmodrome - incluant tous les vols spatiaux habités américains. Au début des années 1960, la NASA a acquis un territoire sur l'île Merritt, adjacente à Cap Canaveral (de l'autre côté de la rivière Banana), où le Kennedy Space Center a été construit pour le programme spatial d'atterrissage d'un homme sur la lune. Les sites de lancement de Cap Canaveral étaient exploités par l'armée dès le départ et faisaient partie de la base aérienne de Cap Canaveral, récemment rebaptisée Station de la force spatiale de Cap Canaveral.
Le Kennedy Space Center reste une installation civile de la NASA et les deux grappes de lancement continuent de faire partie de l'East Proving Ground. Le nombre de lancements n'a pas toujours été le plus important en Amérique - il y aura au moins une douzaine d'années, au cours desquelles le Western Range de la base aérienne de Vandenberg en Californie détenait la tête des lancements. En comparaison mondiale, le cosmodrome de Floride occupait généralement les deuxième et troisième places en termes de nombre de lancements par an après Plesetsk et Baïkonour.
Le temps change. Depuis cinq ans, le cosmodrome se classe au premier rang mondial en termes de nombre de lancements par an. Dans le même temps, la tâche stratégique de transfert du cosmodrome vers un mode plus intensif, se rapprochant du mode d'exploitation de l'aéroport, se pose en pleine croissance. Cela nécessitera de nouvelles approches des restrictions et des autorisations pour les vols de fusées, un nouveau format pour le cosmodrome.
A 20 kilomètres au sud des sites de lancement de Cap Canaveral, au bord de l'océan, se trouve la base de la General Patrick Space Force (une récente base de l'Air Force). Il abrite non seulement le siège de la base de Cap Canaveral, mais également la 45e escadre spatiale, qui est entièrement responsable de tous les lancements depuis la chaîne orientale. Il comprend également le 45th Weather Squadron. Elle fait un travail formidable de contrôle de l'environnement autour du site de test, et c'est elle qui émet des recommandations de lancements, y compris d'interdiction, jouant un rôle clé dans la décision « d'être ou de ne pas être » un lancement.
Les spécialistes de cette unité fournissent des données météorologiques pour soutenir les lancements de tout le Range Est. Sur la base de ses observations, le 45th Weather Squadron fournit des prévisions météorologiques, des recommandations sur la date de lancement et évalue une éventuelle activité orageuse. Et il émet des avertissements sur les limites des conditions météorologiques acceptables pour un type particulier de missile dont le lancement est prévu. Ces limites sont basées sur les critères de lancement météo de la NASA et sont calculées pour chaque type de lanceur.
Au cours de la dernière année, l'Escadron 45 a reçu 297 demandes de lancement, dont 225 ont été approuvées, 55 ont atteint le compte à rebours de pré-lancement et ont terminé avec 32 lancements. La raison la plus courante pour le post-lancement était la météo.
Lance dans le carcan des restrictions, ou Qu'est-ce qui empêche la fusée de décoller
La Floride se trouve dans la zone subtropicale, donc l'air saturé d'humidité et d'énergie thermique apporte toujours des surprises météorologiques. Dans un ciel clair, en une heure, des cumulus simples apparaissent, en une autre heure ils se transforment en nuages orageux, faisant immédiatement éclater des averses tropicales avec des rafales vives et fortes. L'auteur a vu plus d'une fois, près du cosmodrome, des colonnes de pluie noires, diverger près du sol avec une cloche en raison de la propagation d'un puissant courant descendant. Ces colonnes de pluie, avec un puissant cumulus qui les génère, sont visibles à plusieurs kilomètres de distance. Ils apparaissent spontanément à l'intérieur de la masse d'air, se déplacent au sol et peuvent s'approcher des sites de lancement à une distance critique. C'est ainsi que bouillonne la troposphère subtropicale de Floride, généreusement pompée par l'énergie du soleil, qui se tient presque à son zénith les midis d'été.
Le principal danger des nuages orageux pour une fusée est la foudre. Sur la côte spatiale de la Floride, ils se produisent plus souvent que dans tout autre port spatial américain.
Une fusée qui décolle est un long conducteur vertical, s'élevant rapidement de plus en plus près de la charge électrique du nuage. De plus, il y a une colonne d'échappement derrière elle, qui retient l'ionisation partielle et la conductivité électrique. Un paratonnerre prêt à l'emploi vole jusqu'aux nuages, tirant le câble d'échappement derrière lui. Les fusées aux surfaces conductrices et aux gaz d'échappement ionisés sont capables de déformer les champs électriques dans les nuages, provoquant un coup de foudre qui n'aurait peut-être pas eu lieu sans cela. La foudre a frappé la fusée de lancement plus d'une fois - et cela s'est terminé de différentes manières.
Le 14 novembre 1969, lors du lancement d'Apollo 12 avec un équipage (le deuxième alunissage), la situation au-dessus du Centre spatial Kennedy était tonitruante et extrêmement défavorable. Les rafales de vent près du sol ont atteint 26 mètres par seconde, il pleuvait abondamment. Le directeur de lancement Walt Capriyan, qui occupait ce poste pour la première fois, a autorisé le départ 13 minutes avant zéro seconde.
Le décollage a commencé à l'heure estimée. Lorsqu'elle s'est détachée de la plate-forme de lancement, la pluie s'est intensifiée (notamment en raison du champ acoustique des moteurs du super-lourd Saturn-5, qui a atteint 220 décibels - le son constant le plus fort produit par les produits humains), après 15 secondes, la fusée est partie dans les nuages. A la 37e seconde du vol, la foudre l'a frappée, traversant le porte-avions, le jet stream des moteurs, la traînée d'échappement et la tour de lancement jusqu'au sol.
Cela a provoqué une panne du réseau électrique de bord avec la déconnexion de trois piles à combustible dans le compartiment de service d'Apollo 12. Dans la baie de commandement d'Apollo, les lumières se sont éteintes, la plupart des instruments sont tombés en panne et les voyants d'avertissement se sont allumés. Le commandant d'équipage Charles Konrad a fait passer la fusée au système de contrôle d'urgence.
A la 53e seconde du vol, le deuxième éclair a touché le porte-avions. La plate-forme gyrostabilisée Apollo-12 a échoué, un largage automatique du compartiment de l'équipage était attendu. Mais le pilote du module lunaire Alan Bean, sur commandes depuis la Terre, a pu allumer les piles à combustible. La fusée a dépassé les nuages orageux, l'étage supérieur avec Apollo-12 est entré dans l'orbite de référence, les gyroscopes du navire ont été mis en position de travail et le complexe de vol est passé à la trajectoire vers la Lune. Les lancements dans de tels orages n'ont plus jamais été effectués et les limitations sur les conditions météorologiques du lancement ont été révisées.
La fusée Atlas-Centaur, lancée depuis le satellite de communication de l'US Navy en mars 1987, a été frappée par la foudre 49 secondes après le début de son vol. Atlas Centauri, connu sous le nom d'AC-67, a eu moins de chance. La foudre a provoqué une défaillance du système de contrôle et de guidage. L'ordinateur de bord a émis une commande erronée aux moteurs, ce qui a brusquement tourné le porteur dans l'autre sens, ce qui a entraîné la destruction de la fusée.
Il n'y a pas si longtemps, le 27 mai 2019, la foudre a frappé la fusée russe Soyouz-2.1b lors du lancement du satellite de navigation Glonac-M depuis le cosmodrome de Plesetsk. Au final, le départ a été réussi, il n'y avait aucune information sur les dégâts.
Pour avoir une idée de la densité des contraintes météorologiques, vous pouvez consulter les exigences météorologiques du pas de tir Falcon 9, qui est de plus en plus lancé en fonction de la sévérité des contraintes. Son démarrage est annulé si:
- à une altitude de 49 mètres au-dessus de la rampe de lancement, un vent constant souffle à une vitesse de plus de 56 kilomètres par heure;
- un cisaillement du vent est observé dans la haute troposphère (il peut poser des problèmes de contrôle du lanceur);
- pendant le vol, la fusée devra traverser une couche nuageuse de plus de 1400 mètres d'épaisseur, qui s'étend jusqu'à la zone de températures négatives;
- à moins de 19 kilomètres du site, il y a des cumulus dont les sommets s'étendent jusqu'à la zone des températures glaciales;
- à moins de 19 kilomètres du site se trouve le bord d'un orage au cours duquel des éclairs ont été observés dans les 30 minutes suivant l'éclair précédent;
- à moins de 19 kilomètres du site se trouve un nuage d'orage-enclume (un puissant cumulus avec un sommet aplati contre la tropopause, la limite inférieure de la stratosphère);
- à moins de 9, 3 kilomètres du site, il y a des nuages de mauvais temps, s'étendant à la zone de températures glaciales et contenant des précipitations modérées ou plus;
- à moins de 5, 6 kilomètres du site, il reste des restes d'un nuage orageux désintégré;
- la fusée devra voler à travers les cumulus formés à la suite ou directement associés au panache de fumée.
Le lancement devrait également être retardé:
- pendant 15 minutes, si les lectures du mesureur de champ électrique à moins de 9, 3 kilomètres du pas de tir dépassent +/- 1500 volts par mètre;
- pendant 30 minutes si la foudre est observée à moins de 19 kilomètres du pas de tir ou de la trajectoire de vol.
En plus de la rampe de lancement, les conditions météorologiques devraient être acceptables dans la zone d'atterrissage du premier étage. Cela réduit encore les fenêtres de démarrage. Lors du lancement de missions habitées, les exigences de conditions météorologiques sont également mises en avant pour plusieurs zones possibles d'atterrissage d'urgence d'un navire avec un équipage dans l'océan, qui s'étendent de la Floride au Groenland.
Le lancement du Falcon 9 ne se limite pas aux seules conditions météorologiques. L'utilisation de composants de carburant surfondus nécessite un ravitaillement en carburant 35 minutes avant le démarrage afin que les composants de carburant n'aient pas le temps de chauffer. Si le démarrage est reporté de deux heures, vous devrez alors vidanger les composants chauffants et ravitailler les réservoirs en carburant surfondu 35 minutes avant la nouvelle heure de démarrage.
La nécessité de ravitailler la fusée réduit parfois la fenêtre de lancement à une seule seconde.
Et si le lancement dans cette unique et exiguë seconde allouée n'a pas eu lieu, la prochaine fenêtre de lancement risque de ne pas s'ouvrir de sitôt. Cela dépend de la mission et de la balistique orbitale requise. "Le gros problème est que pour de nombreux lancements, vous devez lancer dans cette seconde spécifique", a déclaré Hans Koenigsmann, conseiller principal et ancien vice-président de l'assemblage et de la fiabilité des vols chez SpaceX. « Vous n'avez pas beaucoup de flexibilité ici, et même un petit transfert peut ne pas donner le bon moment. Cinq minutes plus tard, la météo peut être clémente, mais ce n'est pas ce que vous voulez pour une orbite en particulier. »
Big kurultai lève des bannières
Tout cela conduit à l'impossibilité dans les aménagements d'aujourd'hui d'augmenter la fréquence des démarrages par moments. L'activité de lancement croissante, au contraire, nécessite une augmentation multiple de la capacité à effectuer des lancements. Afin de résoudre ce conflit, la nécessité est mûre pour une révision profonde et radicale de l'ensemble des restrictions sur les lancements, de nouvelles approches pour la délivrance des permis et la conduite des lancements.
Le 47e sommet du cosmodrome, anciennement connu sous le nom de Congrès de l'espace, qui a eu lieu fin février, est devenu l'expression de ce besoin. Il a réuni des dirigeants clés et des équipes de direction de la station spatiale de Cap Canaveral, du centre spatial Kennedy, de la 45e escadre spatiale et de la division spatiale de la FAA pour discuter. Les participants ont fourni un aperçu et une mise à jour sur l'état du port spatial de Floride et sur la façon de se préparer à un calendrier encore plus chargé par rapport à 2021. Les personnages principaux sont des personnes expérimentées qui connaissent bien les spécificités de l'Eastern Range, ou qui ont effectué de nombreux lancements à partir de celle-ci et l'ont personnellement commandée, ou qui elles-mêmes en ont envoyé plusieurs fois sur des vols spatiaux.
En particulier, le directeur du Kennedy Space Center Bob Cabana (Bob Cabana, un ancien astronaute de la NASA, participant à quatre vols spatiaux sur la navette) a été rejoint par le directeur de l'Eastern Range et le commandant de la 45e escadre spatiale, le général de brigade. Stephen J. Purdy Jr. et Wayne Monteith, administrateur adjoint de la FAA pour le transport spatial commercial (brigadier général de l'armée de l'air à la retraite, ancien commandant de la 45e escadre spatiale et directeur de l'Eastern Range).
Ces messieurs ont discuté de l'actualité et de l'avenir du cosmodrome de Floride et ont convenu que la chaîne orientale attend dans un proche avenir 60 lancements par an (ce qui, cependant, ne dépasse pas le record de 70 lancements depuis Plesetsk en 1977). Et d'ici 2030, l'activité passera à des centaines de lancements par an et plus. À la lumière de ces prédictions, M. Cabana, M. Purdy et M. Monteith ont discuté d'un virage vers un modèle de support de lancement plus semblable à celui d'un aéroport capable de prendre en charge un ou deux lancements par jour.
Ceci est conforme à l'objectif de SpaceX de relancer un lanceur dans les 24 heures. Comme l'a déclaré Koenigsmann: « Le succès se définit pour nous comme le passage d'un lancement bihebdomadaire à un lancement hebdomadaire, puis à un lancement quotidien, tout en réutilisant en toute sécurité le même matériel. C'est une tâche difficile. Je pense que nous sommes à mi-chemin de le résoudre. »
Le commandant de la 45e escadre spatiale Stephen Purdy a assuré que la Force spatiale souhaitait être en mesure d'approuver toutes les demandes de lancement de la portée orientale, offrant aux entreprises des services plus aéroportuaires que les ports spatiaux gouvernementaux conventionnels. Selon lui, cela nécessite une nouvelle mentalité et une nouvelle façon de penser. Ses subordonnés étudient tous les éléments de l'infrastructure de soutien au lancement - des transports à l'électricité, aux communications, à la sécurité, aux carburants et aux gaz à haute pression - "pour trouver comment surmonter les obstacles qui nous limitent dans la réalisation des lancements au premier appel". De même, les aéroports autorisent les aéronefs à décoller.
En quoi consistera la transformation
Assouplissement des restrictions météorologiques. Vous ne pouvez pas changer le temps en Floride. Chaud comme l'eau d'un bain, l'Atlantique dans ces régions fournira toujours une activité orageuse dense. Afin de réaliser le flux de lancements prévu, il est nécessaire d'assouplir les restrictions météorologiques, principalement sur la foudre. Mais l'expérience réelle et pratique de l'urgence ne permet pas de le faire comme ça. Il est nécessaire d'augmenter la résistance des missiles à la foudre. Ceci, à son tour, nécessitera des ajouts dans la conception et l'équipement des missiles, ce qui signifie une augmentation de leur masse d'au moins un centime. Mais la recherche de solutions dans ce sens est évidemment inévitable.
Planification dynamique. La 45th Space Wing étudie la possibilité de passer à une programmation automatique du Range Est afin de traiter davantage de demandes des opérateurs de lancement (sociétés de lancement). Chaque demande sur le site d'essai aujourd'hui nécessite de nombreuses heures de coordination avec la sécurité, la météo et d'autres groupes, dont la Federal Aviation Administration, qui doit organiser le dégagement de l'espace aérien au-dessus du site de lancement.
La planification dynamique, qui répartit les lancements en fonction des résultats de leur préparation préalable, permettra de construire en amont une grille de lancement non allouée et d'effectuer en amont tous les travaux et autorisations préalables pour eux, puis d'établir rapidement un planning précis lorsque les opérateurs de lancement en font la demande. Dans ce cas, il est possible de modifier et de remodeler rapidement le calendrier de lancement d'un opérateur particulier, en utilisant des « blancs » de lancements gratuits et non encore distribués.
Fin de vol automatique. Pardee a noté que l'East Range sera en mesure d'effectuer plus de lancements avec l'introduction de systèmes automatisés de terminaison de vol. Ce qu'il faut, c'est un équipement de vol de fusée capable de déterminer de manière autonome si le porteur s'écarte d'une trajectoire pré-planifiée au-delà des valeurs acceptables.
En cas d'écart critique par rapport au cap, le système d'arrêt automatique de vol embarqué émettra une commande pour interrompre le lancement. L'exécution sera la détonation de plusieurs charges explosives à différents endroits de la fusée, placées de manière optimale pour sa destruction rapide.
SpaceX utilise un tel système de sécurité automatisé dans tous ses lancements. Les forces spatiales disent que tous les autres utilisateurs du site de test devraient passer à cette nouvelle technologie d'ici 2025. Les systèmes traditionnels de terminaison man-in-loop nécessitent un responsable de la sécurité des décharges pour surveiller la trajectoire d'un missile depuis le sol, puis émettre manuellement une commande pour détruire le missile si nécessaire.
Planification du double lancement. Pour se protéger contre les retards dus aux conditions météorologiques, des stratégies sont envisagées pour se préparer à deux fenêtres de lancement différentes à la fois un jour donné, si les conditions balistiques le permettent. Le même SpaceX lance 60 satellites Starlink dans un plan orbital. L'ensemble de la constellation Starlink contient 72 de ces plans orbitaux - et tous nécessitent une saturation avec de nouveaux satellites. La société d'Elon Musk peut avoir deux plans de vol différents pour un même lancement, et les responsables de lancement ont le droit de choisir l'option avec la meilleure météo. Après avoir raté un lancement dans un plan orbital, il vous suffit d'attendre que la Terre tourne pour atteindre le lancement retardé dans un autre plan orbital. En tenant compte du nouveau remplissage avec des composants de carburant surfondus, bien sûr.
Le temps n'attend pas - il vient
Pourquoi SpaceX est-il mentionné dans les exemples ci-dessus ? C'est aujourd'hui l'entreprise la plus active en nombre de lancements sur la Gamme Est. Ses projets d'organisation des flux de lancements agissent comme un moteur des transformations du cosmodrome en question. SpaceX fait pression sur les organisations clés et les premiers conflits ont déjà lieu, comme les récentes guerres avec la FAA au sujet des autorisations de vols d'essai de prototypes de Starship.
Bien qu'il s'agisse encore d'une autre histoire, sans rapport avec le port spatial de Floride, elle est caractéristique et montre comment SpaceX a déjà commencé à se heurter à l'ancien cadre actuel des vols peu fréquents et de la délivrance complexe de licences de lancement. Bientôt, ces problèmes, s'étant intensifiés par ordre de grandeur, vont se développer sur la chaîne orientale - et tout le monde le comprend bien.
Mais SpaceX n'est pas le seul à faire pression pour des transformations spatiales. Scott Henderson, vice-président des opérations de lancement de Blue Origin en Floride, parle également de vol plané dynamique et d'interruption automatique de vol. Leur fusée New Glenn devrait être lancée depuis la rampe de lancement LC36 de Cap Canaveral. Et le rythme des vols est assez intense.
Firefly Aerospace est en plein développement de deux de ses missiles, Firefly Alpha et Firefly Beta, et va également les lancer depuis la gamme Eastern. Ces intentions sont étayées par des contrats reçus de la NASA, notamment pour la livraison de fret vers la Lune.
Derrière Blue Origin respire - ou peut-être le dépasse - l'Espace Relativité Californien, qui crée ses propres fusées: le Terran 1 jetable et le Terran R réutilisable. Rénovation et exploitation du complexe de lancement LC16 à Cap Canaveral, qui dans l'Antiquité était utilisé pour lancer des missiles balistiques Titan et Pershing. En plus de ces entreprises, de plus en plus de nouveaux acteurs se précipitent sur la scène spatiale, dont certains atteindront des lancements depuis le site d'essai de l'Est.
Il serait naïf de croire que la percée vers un accès généralisé à l'espace ne réside que dans la création de fusées. C'est trop unilatéral pour être correct. Large sortie dans l'espace - plusieurs vols. Il s'agit de l'organisation du flux des autorisations de lancements, de l'automatisation de nombreux processus, de la programmation dynamique du flux des lancements, d'une nouvelle approche de la programmation d'un lancement spécifique, de la révision d'un certain nombre de contraintes météorologiques. Il est impossible d'avancer dans l'un, de rester coincé dans l'autre.
Seule une solution complète à un éventail de tâches dans tous les segments clés permettra une ouverture fondamentalement plus large des portes de l'espace, en les ouvrant grand ouvertes. Le cosmodrome de Floride est sur le point de se transformer en un tel avenir - et, apparemment, la transformation commence.