
Véhicule de lancement réutilisable
Récupération du propulseur de premier étage de Falcon 9 après son premier atterrissage Un lanceur réutilisable est constitué de pièces qui peuvent être récupérées et réutilisées...

Récupération du propulseur de premier étage de Falcon 9 après son premier atterrissage Un lanceur réutilisable est constitué de pièces qui peuvent être récupérées et réutilisées...

Un lanceur réutilisable est constitué de pièces qui peuvent être récupérées et réutilisées, tout en transportant des charges utiles de la surface vers l'espace . Les étages de fusée sont les pièces de lanceur les plus courantes destinées à être réutilisées. Des pièces plus petites telles que les moteurs de fusée et les propulseurs peuvent également être réutilisées, bien que des engins spatiaux réutilisables puissent être lancés au-dessus d'un lanceur jetable. Les lanceurs réutilisables n'ont pas besoin de fabriquer ces pièces à chaque lancement, ce qui réduit considérablement leur coût de lancement . Cependant, ces avantages sont réduits par le coût de la récupération et de la remise à neuf.
Les lanceurs réutilisables peuvent contenir des composants avioniques et des propulseurs supplémentaires , ce qui les rend plus lourds que leurs homologues jetables. Les pièces réutilisées peuvent avoir besoin d' entrer dans l'atmosphère et de la traverser, elles sont donc souvent équipées de boucliers thermiques , d'ailettes grillagées et d'autres surfaces de contrôle de vol . En modifiant leur forme, les avions spatiaux peuvent tirer parti de la mécanique de l'aviation pour faciliter leur récupération, comme le vol plané ou la portance . Dans l'atmosphère, des parachutes ou des rétrofusées peuvent également être nécessaires pour le ralentir davantage. Les pièces réutilisables peuvent également nécessiter des installations de récupération spécialisées telles que des pistes ou des vaisseaux-drones autonomes pour port spatial . Certains concepts s'appuient sur des infrastructures au sol telles que des moteurs de masse pour accélérer le lanceur au préalable.
Depuis au moins le début du XXe siècle, les lanceurs réutilisables mono-étages existent dans la science-fiction . Dans les années 1960 et 1970, les premiers lanceurs réutilisables ont été fabriqués, appelés navette spatiale et Energia . Cependant, dans les années 1990, en raison de l'échec des deux programmes à répondre aux attentes, les concepts de lanceurs réutilisables ont été réduits à des tests de prototypes. L'essor des sociétés privées de vols spatiaux dans les années 2000 et 2010 a conduit à une résurgence de leur développement, comme dans le cas de SpaceShipOne , New Shepard , Electron , Falcon 9 et Falcon Heavy . De nombreux lanceurs devraient désormais faire leurs débuts avec la réutilisabilité dans les années 2020, tels que Starship , New Glenn , Neutron , Soyuz-7 , Ariane Next , Long March , Terran R et le Dawn Mk-II Aurora.
L'impact de la réutilisabilité des lanceurs a été fondamental dans l'industrie du vol spatial. À tel point qu'en 2024, la station spatiale de Cap Canaveral a lancé un plan prospectif de 50 ans pour le Cap, qui impliquait des mises à niveau majeures des infrastructures (y compris à Port Canaveral ) pour soutenir une cadence de lancement et des sites d'atterrissage plus élevés pour la nouvelle génération de véhicules.
Les systèmes de lancement réutilisables peuvent être entièrement ou partiellement réutilisables.
Plusieurs entreprises développent actuellement des lanceurs entièrement réutilisables à partir de mars 2024. Chacune d'entre elles travaille sur un système de mise en orbite à deux étages . SpaceX teste Starship , qui est en développement depuis 2016 et a effectué un premier vol d'essai en avril 2023 et 3 autres vols jusqu'en juin 2024. Blue Origin , avec le projet Jarvis , a commencé les travaux de développement début 2021, mais n'a annoncé aucune date pour les tests et n'a pas discuté publiquement du projet. Stoke Space développe également une fusée qui devrait être réutilisable.
En juin 2024 , Starship est le seul lanceur entièrement réutilisable à avoir été entièrement construit et testé. Le vol d'essai le plus récent a eu lieu le 6 juin 2024, au cours duquel le véhicule a effectué un lancement suborbital et a posé ses deux étages pour la première fois. Le propulseur Super Heavy a atterri en douceur dans le golfe du Mexique . Le vaisseau a effectué sa première rentrée réussie et est revenu pour un amerrissage contrôlé dans l'océan Indien. Ce test a marqué le premier cas qui pourrait être considéré comme répondant à toutes les exigences pour être entièrement réutilisable.
Les systèmes de lancement partiellement réutilisables, sous la forme de systèmes de mise en orbite à plusieurs étages, ont été jusqu'à présent les seules configurations réutilisables utilisées.
La navette spatiale historique a réutilisé ses propulseurs à poudre , ses moteurs RS-25 et l' orbiteur de la navette spatiale qui faisait office d'étage d'insertion orbitale, mais elle n'a pas réutilisé le réservoir externe qui alimentait les moteurs RS-25. Il s'agit d'un exemple de système de lancement réutilisable qui réutilise des composants spécifiques de fusées. Le Vulcan Centaur d'ULA réutilisera spécifiquement les moteurs du premier étage, tandis que le réservoir sera épuisé. Les moteurs atterriront sur une coque gonflable , puis seront récupérés. Le 23 février 2024, l'un des neuf moteurs Merlin alimentant un propulseur Falcon 9 a atteint l'orbite pour la 22e fois. Il s'agit déjà du moteur de fusée le plus réputé à ce jour , surpassant le record de 19 vols du moteur principal de la navette spatiale n° 2019 lors de son 20e vol.
En 2024, Falcon 9 et Falcon Heavy sont les seules fusées orbitales à réutiliser leurs propulseurs, même si plusieurs autres systèmes sont en cours de développement. Toutes les fusées lancées depuis un avion réutilisent l'avion.
En dehors de cela, une gamme de systèmes de décollage non-fusées a été proposée et explorée au fil du temps comme systèmes réutilisables pour le décollage, des ballons aux ascenseurs spatiaux . Les exemples existants sont des systèmes qui utilisent un décollage propulsé par un moteur à réaction horizontal ailé. De tels aéronefs peuvent lancer des fusées jetables et peuvent donc être considérés comme des systèmes partiellement réutilisables si l'aéronef est considéré comme le premier étage du lanceur. Un exemple de cette configuration est le Pegasus d'Orbital Sciences . Pour le vol suborbital, le SpaceShipTwo utilise pour le décollage un avion porteur, son vaisseau-mère le White Knight Two de Scaled Composites . Rocket Lab travaille sur Neutron et l' Agence spatiale européenne travaille sur Themis. Les deux véhicules sont prévus pour récupérer le premier étage.
Jusqu'à présent, la plupart des systèmes de lancement réalisent une insertion orbitale avec des fusées à plusieurs étages au moins partiellement épuisées , en particulier avec les deuxième et troisième étages. Seule la navette spatiale a réussi à réutiliser l'étage d'insertion orbitale, en utilisant les moteurs et le réservoir de carburant de son orbiteur . L' avion spatial Bourane et le vaisseau spatial Starship sont deux autres engins spatiaux réutilisables qui ont été conçus pour pouvoir servir d'étages d'insertion orbitale et ont été produits, cependant le premier n'a effectué qu'un seul vol d'essai sans équipage avant l'annulation du projet, et le second n'est pas encore opérationnel, ayant effectué quatre vols d'essai orbitaux , en juin 2024, qui ont atteint tous ses objectifs de mission lors du quatrième vol.
Les systèmes de lancement peuvent être combinés avec des avions spatiaux ou des capsules réutilisables. L' orbiteur de la navette spatiale SpaceShipTwo , le Dawn Mk-II Aurora et le RLV-TD indien en cours de développement sont des exemples de véhicule spatial réutilisable (un avion spatial ) ainsi qu'une partie de son système de lancement.
Plus contemporainement, le système de lancement Falcon 9 a transporté des véhicules réutilisables tels que le Dragon 2 et le X-37 , transportant deux véhicules réutilisables en même temps.
Les véhicules orbitaux réutilisables contemporains comprennent le X-37, le Dream Chaser , le Dragon 2, l'indien RLV-TD et le futur européen Space Rider (successeur de l' IXV ).
Comme pour les lanceurs, tous les engins spatiaux purs au cours des premières décennies de la capacité humaine à réaliser des vols spatiaux étaient conçus pour être des articles à usage unique. Cela était vrai à la fois pour les satellites et les sondes spatiales destinés à rester dans l'espace pendant une longue période, ainsi que pour tout objet conçu pour revenir sur Terre comme les capsules spatiales transportant des humains ou les boîtes de retour d'échantillons des missions de collecte de matière spatiale comme Stardust (1999-2006) ou Hayabusa (2005-2010). Les exceptions à la règle générale pour les véhicules spatiaux étaient le Gemini SC-2 américain , le vaisseau spatial soviétique Vozvraschaemyi Apparat (VA) , l' orbiteur de la navette spatiale américaine (milieu des années 1970-2011, avec 135 vols entre 1981 et 2011) et le Bourane soviétique (1980-1988, avec un seul vol d'essai sans équipage en 1988). Ces deux vaisseaux spatiaux faisaient également partie intégrante du système de lancement (ils assuraient l'accélération du lancement) et opéraient également comme vaisseaux spatiaux de moyenne durée dans l'espace . Cela a commencé à changer au milieu des années 2010.
Dans les années 2010, la capsule de transport spatial de l'un des fournisseurs ravitaillant la Station spatiale internationale a été conçue pour être réutilisée et, après 2017, la NASA a commencé à autoriser la réutilisation du vaisseau spatial cargo SpaceX Dragon sur ces itinéraires de transport sous contrat avec la NASA. Ce fut le début de la conception et de l'exploitation d'un véhicule spatial réutilisable .
Les capsules Boeing Starliner réduisent également leur vitesse de chute grâce à des parachutes et déploient un airbag peu avant l'atterrissage au sol, afin de récupérer et réutiliser le véhicule.
En 2021 , SpaceX construit et teste actuellement le vaisseau spatial Starship pour qu'il soit capable de survivre à plusieurs rentrées hypersoniques à travers l'atmosphère afin qu'il devienne de véritables vaisseaux spatiaux réutilisables de longue durée ; aucun vol opérationnel de Starship n'a encore eu lieu.
Avec des boucliers thermiques gonflables , comme ceux développés par les États-Unis (Low Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator - LOFTID) et la Chine, les fusées à usage unique comme le Space Launch System sont envisagées pour être équipées de tels boucliers thermiques afin de récupérer les moteurs coûteux, réduisant ainsi considérablement les coûts de lancement. Les boucliers thermiques permettent à un vaisseau spatial en orbite d'atterrir en toute sécurité sans dépenser beaucoup de carburant. Ils ne doivent pas nécessairement prendre la forme de boucliers thermiques gonflables, ils peuvent simplement prendre la forme de tuiles résistantes à la chaleur qui empêchent la conduction thermique . Les boucliers thermiques sont également proposés pour être utilisés en combinaison avec une poussée rétrograde pour permettre une réutilisation complète comme on le voit dans Starship .
Les étages de systèmes de lancement réutilisables tels que le Falcon 9 et le New Shepard utilisent des combustions rétrogrades pour la rentrée et l'atterrissage.
Les systèmes réutilisables peuvent être livrés en configurations orbitales à un ou plusieurs étages ( deux ou trois étages ). Pour certains ou tous les étages, les types de systèmes d'atterrissage suivants peuvent être utilisés.
Il s'agit de systèmes d'atterrissage qui utilisent des parachutes et des atterrissages renforcés, comme lors d'un amerrissage en mer ou d'un atterrissage à terre. Ce dernier peut nécessiter un démarrage du moteur juste avant l'atterrissage, car les parachutes seuls ne peuvent pas ralentir suffisamment l'engin pour éviter de blesser les astronautes. On peut le constater dans la capsule Soyouz.
Bien que de tels systèmes soient utilisés depuis le début de l'astronautique pour récupérer des véhicules spatiaux, ce n'est que plus tard que ces derniers ont été réutilisés.
Par exemple :
Les étages simples ou principaux, ainsi que les boosters flyback, peuvent utiliser un système d'atterrissage horizontal. Ces véhicules atterrissent sur terre comme le ferait un avion, mais ils n'utilisent généralement pas de propulseur lors de l'atterrissage.
En voici quelques exemples :
Une variante est un système de remorquage à capture aérienne, préconisé par une société appelée EMBENTION avec son projet FALCon.
Les véhicules qui atterrissent horizontalement sur une piste nécessitent des ailes et un train d'atterrissage. Ceux-ci consomment généralement environ 9 à 12 % de la masse du véhicule d'atterrissage, ce qui réduit la charge utile ou augmente la taille du véhicule. Des concepts tels que les corps porteurs offrent une certaine réduction de la masse des ailes, tout comme la forme d'aile delta de la navette spatiale .
Des systèmes comme le McDonnell Douglas DC-X (Delta Clipper) et ceux de SpaceX sont des exemples de systèmes rétrogrades. Les propulseurs de Falcon 9 et Falcon Heavy atterrissent grâce à l'un de leurs neuf moteurs. La fusée Falcon 9 est la première fusée orbitale à poser son premier étage verticalement sur le sol. Le premier étage de Starship est prévu pour atterrir verticalement, tandis que le second doit être attrapé par les bras après avoir effectué la plupart des étapes typiques d'un atterrissage rétrograde. La fusée suborbitale New Shepard de Blue Origin atterrit également verticalement sur le site de lancement.
L'atterrissage rétrograde nécessite généralement environ 10 % du propulseur total du premier étage, ce qui réduit la charge utile pouvant être transportée en raison de l' équation de la fusée .
Il existe également le concept d'un lanceur avec un premier étage gonflable et réutilisable. La forme de cette structure sera soutenue par une surpression interne (en utilisant des gaz légers). On suppose que la densité volumique du premier étage (sans propulseur) est inférieure à la densité volumique de l'air. Au retour du vol, un tel premier étage reste flottant dans l'air (sans toucher la surface de la Terre). Cela permettra de conserver le premier étage pour une réutilisation. L'augmentation de la taille du premier étage augmente les pertes aérodynamiques. Il en résulte une légère diminution de la charge utile. Cette réduction de la charge utile est compensée par la réutilisation du premier étage.
Les étages réutilisables pèsent plus que les étages jetables équivalents . Cela est inévitable en raison des systèmes supplémentaires, du train d'atterrissage et/ou du surplus de propulseur nécessaires à l'atterrissage d'un étage. La pénalité de masse réelle dépend du véhicule et du mode de retour choisi.
Une fois le lanceur atterri, il peut être nécessaire de le remettre en état pour le préparer à son prochain vol. Ce processus peut être long et coûteux. Le lanceur peut ne pas être recertifié comme étant apte à accueillir des humains après sa remise en état, bien que SpaceX ait déjà utilisé des propulseurs Falcon 9 réutilisés pour des missions habitées. Il existe éventuellement une limite au nombre de fois qu'un lanceur peut être remis en état avant de devoir être retiré du service, mais la fréquence à laquelle un lanceur peut être réutilisé diffère considérablement selon les différents modèles de système de lancement.
Avec le développement de la propulsion par fusée dans la première moitié du XXe siècle, les voyages dans l’espace sont devenus une possibilité technique.
Les premières idées d'un avion spatial réutilisable à un étage se sont révélées irréalistes et même si les premiers véhicules-fusées pratiques ( V-2 ) pouvaient atteindre les confins de l'espace, la technologie réutilisable était trop lourde. De plus, de nombreuses fusées anciennes ont été développées pour transporter des armes, ce qui rendait la réutilisation impossible par conception. Le problème de l'efficacité de masse a été surmonté en utilisant plusieurs étages jetables dans une fusée à plusieurs étages à lancement vertical . L'USAF et la NACA étudiaient les avions spatiaux orbitaux réutilisables depuis 1958, par exemple Dyna-Soar , mais les premiers étages réutilisables n'ont pas volé avant l'avènement de la navette spatiale américaine en 1981.

Les premiers lanceurs réutilisables furent peut-être ceux conceptualisés et étudiés par Wernher von Braun de 1948 à 1956. La fusée Ferry de Von Braun a subi deux révisions : une fois en 1952 et une autre en 1956. Ils auraient atterri à l'aide de parachutes.
Le General Dynamics Nexus a été proposé dans les années 1960 comme successeur entièrement réutilisable de la fusée Saturn V, ayant la capacité de transporter jusqu'à 450 à 910 t (990 000 à 2 000 000 lb) en orbite. Voir aussi Sea Dragon et Douglas SASSTO .
Le BAC Mustard a été étudié à partir de 1964. Il aurait été composé de trois vaisseaux spatiaux identiques attachés ensemble et disposés en deux étages. Au cours de l'ascension, les deux vaisseaux spatiaux, qui formaient le premier étage, se détacheraient et glisseraient individuellement vers la Terre. Le projet a été annulé après la dernière étude de conception en 1967 en raison d'un manque de fonds pour le développement.
La NASA a commencé le processus de conception de la navette spatiale en 1968, avec la vision de créer un avion spatial entièrement réutilisable utilisant un propulseur d'appoint avec équipage . Ce concept s'est avéré coûteux et complexe, par conséquent la conception a été réduite à des propulseurs à poudre réutilisables et à un réservoir externe jetable . La navette spatiale Columbia a été lancée et atterrie 27 fois et a été perdue avec tout l'équipage lors de la 28e tentative d'atterrissage ; Challenger a été lancée et atterrie 9 fois et a été perdue avec tout l'équipage lors de la 10e tentative de lancement ; Discovery a été lancée et atterrie 39 fois ; Atlantis a été lancée et atterrie 33 fois.
En 1986, le président Ronald Reagan a appelé à la construction d'un avion aérobie à réaction , le National Aerospace Plane (NASP)/ X-30 . Le projet a échoué en raison de problèmes techniques et a été annulé en 1993.
À la fin des années 1980, une version entièrement réutilisable de la fusée Energia , l'Energia II, a été proposée. Ses propulseurs et son noyau auraient pu atterrir séparément sur une piste.
Dans les années 1990, le projet McDonnell Douglas Delta Clipper VTOL SSTO est passé à la phase de test. Le prototype DC-X a démontré un temps de rotation rapide et un contrôle automatique par ordinateur.
Au milieu des années 1990, la recherche britannique a fait évoluer une conception HOTOL antérieure vers la conception Skylon , beaucoup plus prometteuse , qui est toujours en développement.
De la fin des années 1990 aux années 2000, l' Agence spatiale européenne a étudié la récupération des propulseurs d'appoint à poudre d'Ariane 5. La dernière tentative de récupération a eu lieu en 2009.
Les entreprises commerciales Rocketplane Kistler et Rotary Rocket ont tenté de construire des fusées réutilisables développées par des entreprises privées avant de faire faillite.
La NASA a proposé des concepts réutilisables pour remplacer la technologie de la navette, à démontrer dans le cadre des programmes X-33 et X-34 , qui ont tous deux été annulés au début des années 2000 en raison de la hausse des coûts et de problèmes techniques.


Le concours Ansari X Prize avait pour objectif de développer des véhicules suborbitaux privés réutilisables. De nombreuses entreprises privées ont concouru, et le gagnant, Scaled Composites , a atteint la ligne de Kármán deux fois en deux semaines avec son SpaceShipOne réutilisable .
En 2012, SpaceX a lancé un programme de tests en vol avec des véhicules expérimentaux . Ces derniers ont ensuite conduit au développement du lanceur de fusée réutilisable Falcon 9.
Le 23 novembre 2015, la fusée New Shepard est devenue la première fusée suborbitale à décollage vertical et atterrissage vertical (VTVL) à atteindre l'espace en passant par la ligne de Kármán (100 km ou 62 mi), atteignant 329 839 pieds (100 535 m) avant de revenir pour un atterrissage propulsif.
SpaceX a réalisé le premier atterrissage vertical en douceur d'un étage de fusée orbitale réutilisable le 21 décembre 2015, après avoir livré 11 satellites commerciaux Orbcomm OG-2 en orbite terrestre basse .
La première réutilisation d'un premier étage de Falcon 9 a eu lieu le 30 mars 2017. SpaceX récupère et réutilise désormais régulièrement ses premiers étages, ainsi que les carénages .
En 2019, Rocket Lab a annoncé son intention de récupérer et de réutiliser le premier étage de son lanceur Electron , avec l'intention d'utiliser des parachutes et une récupération en vol . Le 20 novembre 2020, Rocket Lab a réussi à ramener un premier étage d'Electron après un lancement orbital, l'étage s'écrasant doucement dans l'océan Pacifique.
La Chine étudie la possibilité de réutiliser le système Longue Marche 8.
En mai 2020 , les seuls systèmes de lancement orbitaux réutilisables opérationnels sont le Falcon 9 et le Falcon Heavy , ce dernier étant basé sur le Falcon 9. SpaceX développe également le système de lancement Starship entièrement réutilisable. Blue Origin développe sa propre fusée orbitale partiellement réutilisable New Glenn , car elle a l'intention de récupérer et de réutiliser uniquement le premier étage.
Le 5 octobre 2020, Roscosmos a signé un contrat de développement pour Amur, un nouveau lanceur doté d'un premier étage réutilisable.
En décembre 2020, l'ESA a signé des contrats pour commencer à développer THEMIS , un prototype de lanceur de premier étage réutilisable.
Après 1980, mais avant les années 2010, deux lanceurs orbitaux ont développé la capacité de revenir au site de lancement (RTLS). La navette spatiale américaine — avec l'un de ses modes d'interruption — et le lanceur soviétique Bourane avaient tous deux une capacité intégrée de retour d'une partie du lanceur au site de lancement via le mécanisme d' atterrissage horizontal de la partie planeur du lanceur. Dans les deux cas, la structure de poussée principale du véhicule et le grand réservoir de propulseur étaient consommables , comme c'était la procédure standard pour tous les lanceurs orbitaux utilisés avant cette date. Les deux ont ensuite été démontrés lors de véritables vols nominaux orbitaux, bien que les deux disposaient également d'un mode d'interruption pendant le lancement qui pourrait éventuellement permettre à l'équipage d'atterrir le planeur spatial après un lancement hors nominal.
Dans les années 2000, SpaceX et Blue Origin ont développé en privé un ensemble de technologies permettant l'atterrissage vertical de l'étage d'appoint d'un lanceur. Après 2010, SpaceX a entrepris un programme de développement pour acquérir la capacité de ramener et d'atterrir verticalement une partie du lanceur orbital Falcon 9 : le premier étage . Le premier atterrissage réussi a eu lieu en décembre 2015, depuis lors, plusieurs étages de fusée supplémentaires ont atterri soit sur une aire d'atterrissage adjacente au site de lancement, soit sur une plate-forme d'atterrissage en mer, à une certaine distance du site de lancement. Le Falcon Heavy est également conçu pour réutiliser les trois noyaux composant son premier étage. Lors de son premier vol en février 2018, les deux noyaux extérieurs sont revenus avec succès sur les aires d'atterrissage du site de lancement tandis que le noyau central a ciblé la plate-forme d'atterrissage en mer mais n'a pas réussi à atterrir dessus.
Blue Origin a développé des technologies similaires pour ramener et faire atterrir son lanceur suborbital New Shepard , et a démontré avec succès son retour en 2015, et a réutilisé avec succès le même propulseur lors d'un deuxième vol suborbital en janvier 2016. En octobre 2016, Blue avait refait voler et atterri avec succès ce même lanceur un total de cinq fois. Il faut cependant noter que les trajectoires de lancement des deux véhicules sont très différentes, New Shepard montant et descendant directement sans réaliser de vol orbital, tandis que Falcon 9 doit annuler une vitesse horizontale substantielle et revenir d'une distance significative en aval, tout en délivrant la charge utile en orbite avec le deuxième étage.
Blue Origin et SpaceX développent également d'autres lanceurs réutilisables. Blue développe le premier étage du New Glenn LV orbital qui sera réutilisable, le premier vol étant prévu au plus tôt en 2024. SpaceX développe un nouveau lanceur super-lourd pour les missions dans l'espace interplanétaire . Le SpaceX Starship est conçu pour prendre en charge le RTLS, l'atterrissage vertical et la réutilisation complète de l'étage de rappel et du deuxième étage/grand vaisseau spatial intégré qui sont conçus pour être utilisés avec Starship. Sa première tentative de lancement a eu lieu en avril 2023 ; cependant, les deux étages ont été perdus pendant l'ascension. Cependant, lors de la quatrième tentative de lancement , le propulseur et le vaisseau ont tous deux réussi un atterrissage en douceur dans le golfe du Mexique et dans l' océan Indien , respectivement.